基于声发射技术的轮轴疲劳裂纹扩展规律研究

黄飞

摘要：作为高铁车辆行走部件的轮轴，在运行中会受到路谱、振动与冲击、摩擦力和惯性力等力的作用，容易出现各种损伤，主要失效形式是疲劳损伤，其表现形式主要是疲劳裂纹。为保证高速铁路的行车安全，需对其轮轴的疲劳裂纹扩展过程进行理论与实验研究。

关键词：轮轴；疲劳裂纹；声发射；剩余强度

1.1 引言

为确保高速铁路的行车安全，需要定期对轮轴及其他高铁车辆的关键部位进行探伤。利用声发射技术来研究轮轴疲劳裂纹萌生和扩展的动态过程，对防止断轴事故、确保动车组的安全可靠运行具有十分重要的意义。

1.2

国内外轮轴疲劳裂纹研究现状

目前国内外轮轴疲劳裂纹的研究方法可以概括为：理论方法和实验方法。

1.2.1 理论方法的研究

传统的经典强度理论认为，断裂是瞬间发生的，它受控于由断面尺寸计算出的名义断裂应力和断裂应变，难以解释工程实际中大量存在的由于材料冶金缺陷而导致的低应力脆性断裂现象。在理论方面，主要是研究疲劳裂纹扩展的力学模型以及疲劳裂纹扩展速率的表达式，目前主要有两大类。（

1）Paris 公式

早在20世纪40年代末，就有疲劳裂纹扩展速率的表达式：da／dN＝A·σn·a＂。

60年代初，帕里斯首次将断裂力学应用到疲劳裂纹扩展的研究分析中，并提出了著名的da／dN＝C·ΔK”（C为常系数）表达式。

材料结构的等幅载荷实验表明，疲劳裂纹的扩展速度da／dN和应力密度因子幅度ΔK之间的关系，如图1—1。

70年代，疲劳裂纹的起始扩展门槛值（ΔK）的概念由Luil7首次提出。1967年，福尔曼等人在前人研究的基础上，提出了将材料断裂韧度（K1c）参量考虑在内的疲劳裂纹扩展速度表达式：

da/dN=C(ΔK)m/[(1-R)K1c-ΔK]。

2002年，王泓研究发展了一个修正的全范围的疲劳裂纹扩展速度表达式。

（2）疲劳累积损伤理论

1）剩余强度模型

剩余强度是指结构材料在承受给定的循环载荷后所具有的抵抗外载荷的能力。

2）剩余刚度模型

剩余刚度是指材料在承受不同载荷和预定的循环周次时抵抗变形的能力。

3）耗散能模型

从能量角度来看，疲劳累积损伤过程的本质就是能量损耗的过程，并且这个过程具有非均匀性和不可逆性的特点。

1.2.2 实验方法的研究

目前用于轮轴检测的无损检测方法主要有磁粉检测和超声波检测两种。

（1）磁粉检测

磁粉检测是利用电磁原理来发现金属缺陷的检查方法。

在磁粉检测中，当磁力线的方向与裂纹或缺陷方向垂直时，最容易发现裂纹。如果磁力线的方向和裂纹的方向一致，那么裂纹并没有阻碍磁力线通过。如图1—2所示是零件的纵向和周向磁化原理图。

（2）超声波检测

超声波检测的基本原理是：用超声波发生器向工件内部发射超声波，超声波遇到缺陷时受阻，检测缺陷反射回来的超声波和超声波通过工件后衰减的程度即可发现缺陷及其位置。

1.3 国内外声发射技术研究现状

1.3.1 声发射检测技术

声发射也称应力波发射，是指材料局部因能量的快速释放而发出的瞬态弹性波的现象。

（1）基本原理

声发射技术的检测原理如图1—3所示，声发射弹性波从声源发出，经材料内部传播至表面，并且在表面产生能够被传感器检测到的微小位移。

（2）声发射检测疲劳裂纹

疲劳、磨损和腐蚀是工程机械构件中最常出现的三种损伤破坏形式，由于疲劳破坏的出现一般都不会有明显的征兆，所以会造成灾难性事故和重大损失。

2.2 轮轴过盈配合的弹性力学分析

2.1 轮轴配合的解析模型

轮轴过盈连接问题属于轴对称问题。

在求解轴对称平面问题时，对于圆形、楔形、扇形等物体，用极坐标求解往往比用直角坐标方便的多。在极坐标中，平面内任一点P的位置，用径向坐标p及周向坐标φ来表示，如图2—5所示。

用εø表示径向线应变，ε。表示环向线应变，用yp0表示切应变；用u。表示径 向位移，u。表示环向位移，则可以得出以下几个方程

3 基于声发射技术的轮轴疲劳裂纹实验研究

3.1 声发射信号特征参数及基本特征

3.1.1 声发射信号基本特征

相关研究表明，由于结构的强度、晶体结构、外部受力状况以及温度等内外部条件的综合影响，声发射信号的基本特征表现为：

（1）不可逆性：根据Kaiser 效应，在同样的条件下，同一种材料只产生一次声发射现象。

（2）频率范围大

（3）辨别困难

（4）重复速率高

3.2.1 金属裂纹的声发射特点

疲劳破坏的过程是结构材料在循环载荷的作用下，最弱及应力最大的晶粒上形成微裂纹，进而发展成宏观裂纹，然后裂纹继续扩展，最终导致疲劳断裂。

随着应力的循环变化，在疲劳裂纹的萌生扩展过程中，会产生不同类型的周期性AE信号，主要可概括为以下三种：

（1）在最大交变载荷的作用下，内部缺陷及杂质破裂扩展成为疲劳裂纹时，产生的AE信号

（2）疲劳裂纹间的细微颗粒破裂时，产生的AE信号

（3）当交变载荷再次处于最大值，而引起疲劳裂纹的新扩展时，产生的AE信号。

4.结论

综上所得具体的结论与成果如下：

（1）通过有限元方法的分析计算，得到了轮轴接触面的应力分布情况，分析了轮轴疲劳裂纹的产生机理。

（2）根据金属裂纹的声发射特点以及ANSYS应力云图，确定了测试模型及实验方案，完成了轮轴疲劳裂纹扩展的实验研究。

（3）针对轮轴疲劳裂纹的声发射特点，完成了表征裂纹的AE参数提取方法的研究，结果表明，AE信号的撞击数能够反映轮轴疲劳裂纹的萌生和扩展规律。

（4）将AE参数模型与疲劳损伤模型相结合，得出了基于AE参数描述的轮轴剩余强度模型，通过与Paris公式的对比，实现了对轮轴疲劳剩余寿命的评估分析。

5.参考文献

[1]林原，童尔凡，石砚飞等．客车构造与检修［M］．北京：中国铁道出版社，2008：63—74．

[2]温宏权，李彦龙，翟海霞等．轧棍材料疲劳裂纹扩展理论计算与分析［J］．宝钢技术，2015（4）：57-61.

[3]刘东星，陶华，薛红前.超高强度钢超高周循环下疲劳裂纹扩展寿命研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2011（1）：5—8．

[4]倪向贵，李新亮，王秀喜.疲劳裂纹扩展规律Paris 公式的一般修正及应用［J］.压力容器，1981:68-85.

[5]于强，罗云蓉，付磊．基于应变能密度的疲劳—蠕变裂纹扩展行为描述［J］．热加工工艺，2015，44(12):60-63.

[6]王永廉．确定疲劳裂纹扩展理论门槛值的方法［J］．强度与环境，2002，29（3）：32—37．[9]

[7]王永廉．一种计算疲劳裂纹扩展门槛值的新方法［J］．机械强度，1999，21（2）：122—125．

[8]刘文挺，胡仁伟．全范围疲劳裂纹扩展速率表达式的研究［J］．航空学报，1995，16（2）：

[9]李静，祝力伟，朱知寿．TC4—DT钛合金疲劳长裂纹扩展速率的数学描述方程［J］．钛工业进

展，2014，31（6）：22—25．

[10]王泓．材料疲劳裂纹扩展和断裂定量规律的研究［D］．陕西西安：西北工业大学，2002．35-68.

[11]李兆霞．损伤力学及其应用［M］．北京：科学出版社，2002．

[12]齐红宇．复合材料及发动机机匣的屈曲与疲劳研究［D］．南京：南京航空航天学，2002.6—8．

[13]敖波，张定华．多级载荷作用下剩余强度的估算［J］．机械强度，2007，29（3）：463—467．

.

[14]冯培锋．复合材料层板基于剩余刚度比的剩余强度模型［J］．应用力学学报，2001，18（1）：40-44.

[15]］谢里阳，林文强．线性累积损伤的概率准则［J］．机械强度，1993，15（3）：41—44．

[16]熊峻江，黄新宇，高镇同等．稳态循环载荷下结构疲劳可靠性分析技术［J］．强度与环境，1996,(4):16-20.

[17]王殿富．复合材料层板疲劳的刚度衰退［C］．第五届全国疲劳学术会议论文集，威海，1991．16-21.

[18]董聪．疲劳损伤及其非线性规律的研究［J］．机械强度，1993，15（1）：39—41．

[19]童小燕．飞机结构疲劳寿命预测的能量方法［C］．第七届全国疲劳学术会议论文集，张家界，1995.273-275.

[20]慈国庆．纤维增强复合材料层板的疲劳损伤研究［D］．济南：山东工业大学，1995．