高速列車制動盤熱斑特征及裂紋萌生擴展機制研究.pdf

1、制動盤是軌道車輛的重要基礎制動元件，在反復制動過程中，制動盤摩擦面會形成熱斑和熱疲勞裂紋，表面熱疲勞裂紋不斷擴展會導致制動盤最終失效。開展制動盤表面熱斑特征及疲勞裂紋萌生和擴展機制研究，對深入了解制動盤疲勞失效行為、確保軌道車輛運行安全、提高運營效益具有重要理論意義和工程價值。
　　本文以我國高速列車鋼質制動盤為研究對象，采用理論與試驗相結合的方法，對制動盤服役過程中的熱斑、熱疲勞裂紋等表面特征開展試驗研究，深入分析了制動盤材料低

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

3、別對制動盤經歷1000次不同制動能量的1∶1動力制動試驗和經歷一年運行的表面裂紋長度和數量進行統(tǒng)計，揭示了摩擦表面裂紋在不同工況下的擴展規(guī)律。研究發(fā)現，頻繁和高能量的制動會促進摩擦面的氧化和龜裂紋的萌生;較低能量的制動則使表面裂紋平穩(wěn)、緩慢擴展。制動盤疲勞裂紋為半橢圓表面裂紋，裂紋擴展形式包括單個裂紋擴展和多條裂紋合并。
　　研究了制動盤材料不同溫度下的單調和循環(huán)拉伸特性，建立了材料的熱彈塑性本構關系、循環(huán)應力應變關系和應變壽命關

4、系，通過對材料的組織轉變、裂紋擴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制。
　　對制動盤材料進行了熱模擬試驗，研究了熱斑區(qū)域材料的相變膨脹和組織轉變規(guī)律，建立了考慮相變膨脹過程的制動熱應力模擬方法。研究發(fā)現，制動盤和閘片的接觸狀態(tài)對制動盤殘余應力分布有重要影響，閘片偏磨和熱斑的出現會大幅提高制動后的殘余拉應力水平，表層材料組織轉變形成的高應力區(qū)會誘發(fā)表面裂紋和埋藏裂紋的萌生和擴展。
　　采用線性累積損