高速列車制動(dòng)盤熱斑特征及裂紋萌生擴(kuò)展機(jī)制研究.pdf

1、制動(dòng)盤是軌道車輛的重要基礎(chǔ)制動(dòng)元件，在反復(fù)制動(dòng)過程中，制動(dòng)盤摩擦面會(huì)形成熱斑和熱疲勞裂紋，表面熱疲勞裂紋不斷擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)盤最終失效。開展制動(dòng)盤表面熱斑特征及疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展機(jī)制研究，對(duì)深入了解制動(dòng)盤疲勞失效行為、確保軌道車輛運(yùn)行安全、提高運(yùn)營效益具有重要理論意義和工程價(jià)值。
　　本文以我國高速列車鋼質(zhì)制動(dòng)盤為研究對(duì)象，采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)制動(dòng)盤服役過程中的熱斑、熱疲勞裂紋等表面特征開展試驗(yàn)研究，深入分析了制動(dòng)盤材料低

2、循環(huán)疲勞特性和疲勞斷裂機(jī)理，基于有限元模擬技術(shù)研究了不同制動(dòng)工況下摩擦面應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)特征，闡明了疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展機(jī)制，評(píng)估了制動(dòng)盤裂紋的形成和擴(kuò)展壽命。本文主要研究內(nèi)容包括:
　　在分析制動(dòng)盤表面溫度場、熱斑表面氧化膜形成和破壞過程的基礎(chǔ)上，通過對(duì)失效制動(dòng)盤的解剖和顯微組織觀察，分析了熱斑區(qū)域材料的組織轉(zhuǎn)變過程，闡述了因摩擦使制動(dòng)盤表面產(chǎn)生局部過熱、氧化甚至發(fā)生材料組織轉(zhuǎn)變的熱斑形成機(jī)制。
　　開發(fā)了裂紋圖像識(shí)別算法，分

3、別對(duì)制動(dòng)盤經(jīng)歷1000次不同制動(dòng)能量的1∶1動(dòng)力制動(dòng)試驗(yàn)和經(jīng)歷一年運(yùn)行的表面裂紋長度和數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，揭示了摩擦表面裂紋在不同工況下的擴(kuò)展規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，頻繁和高能量的制動(dòng)會(huì)促進(jìn)摩擦面的氧化和龜裂紋的萌生;較低能量的制動(dòng)則使表面裂紋平穩(wěn)、緩慢擴(kuò)展。制動(dòng)盤疲勞裂紋為半橢圓表面裂紋，裂紋擴(kuò)展形式包括單個(gè)裂紋擴(kuò)展和多條裂紋合并。
　　研究了制動(dòng)盤材料不同溫度下的單調(diào)和循環(huán)拉伸特性，建立了材料的熱彈塑性本構(gòu)關(guān)系、循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和應(yīng)變壽命關(guān)

4、系，通過對(duì)材料的組織轉(zhuǎn)變、裂紋擴(kuò)展方式和斷口形貌分析，闡明了材料在不同溫度和加載條件下的失效機(jī)制。
　　對(duì)制動(dòng)盤材料進(jìn)行了熱模擬試驗(yàn)，研究了熱斑區(qū)域材料的相變膨脹和組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，建立了考慮相變膨脹過程的制動(dòng)熱應(yīng)力模擬方法。研究發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)盤和閘片的接觸狀態(tài)對(duì)制動(dòng)盤殘余應(yīng)力分布有重要影響，閘片偏磨和熱斑的出現(xiàn)會(huì)大幅提高制動(dòng)后的殘余拉應(yīng)力水平，表層材料組織轉(zhuǎn)變形成的高應(yīng)力區(qū)會(huì)誘發(fā)表面裂紋和埋藏裂紋的萌生和擴(kuò)展。
　　采用線性累積損