本文是一篇机械论文研究，本文根据兰新线的实际线路情况，根据速度与海拔变化计算制动盘在持续制动情况下的热流密度。对兰新线列车制动盘断裂螺栓进行理化性能试验，观察断面形貌和金相组织形貌，判断螺栓根部材料是否存在缺陷。利用螺纹结构特点和数学表达式建立考虑螺纹的有限元模型，研究紧急制动和持续制动过程中制动盘和螺栓的温度场和应力场分布。采用临界面法结合 SWT 疲劳准则分析螺栓裂纹萌生和扩展疲劳寿命。
第 1 章 绪论
1.1 选题背景与研究意义
高速铁路具有载客量大、耗时少、能耗较低和安全性好等优势。由于我国社会、科技和经济的高速发展以及地大物博的地理特点，高铁成为了必不可少的交通运输方式。兰新高速铁路（以下简称兰新线）是一条贯穿新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市和甘肃省兰州市的高速铁路，又与陇海和包兰等铁路紧密连接，形成重要的西部铁路运输网络如图1-1 所示。兰新线全长 1775.7 km 共设有 22 个车站，是首条在高海拔地区修建的高速铁路，其最高海拔为 3640ｍ。兰新高速铁路的修建拉近了新疆与其他省的距离，推动新疆及其沿线城市的经济发展。
.....................
1.2 国内外研究现状
1.2.1 制动盘温度-应力分析
螺栓属于制动盘的连接件，其断裂和制动盘的工作情况密切相关。因此，需要首先研究制动盘的工作状态对螺栓的影响。近年来，制动盘的温度和应力一直是分析制动性能的主要研究内容。通过 1:1 或缩小比例试验台进行制动试验，再结合有限元法和数值模型分析得到仿真结果。最后对比、调整系数得到制动盘在制动过程中温度和应力变化。在此研究基础上，部分学者以温度和应力为基础，研究制动盘和闸片磨损，结构优化和流场分布等内容。
在理论研究方面，A.A. Yevtushenko 等[1]以盘式制动为研究对象，在固定的制动盘上施加任意形状的移动热源模拟瞬态温度场。考虑制动盘和闸片的热分配系数，将数值模型和仿真模型的温度分布与实验数据进行比较。结果表明在多次制动过程中，制动部件摩擦表面上的平均温度高于制动盘的整体温度。J.G. Bauzin 等[2]基于分块化闸片摩擦表面形状特征提出热源分析模型，使用傅立叶和汉克尔积分变换解析动车组制动盘中温度分布。在解析模型中引入补偿项模拟制动时制动盘上出现的热斑。可计算不同旋转速度下，斑点数量、大小以及物理属性值对制动盘的温度分布的影响。王国顺[3]采用热-力耦合法研究接触压力对制动盘温度场形状变化规律，并进行了实验验证。根据摩擦半径等参数提出形状因子描述摩擦块位置变化程度，且形状因子越小制动盘温度越低。采用模态分析法研究了非约束和约束对制动盘和闸片对固有频率的影响规律，为制动器减振降噪提供依据。
......................
第 2 章 制动盘螺栓断裂实验检验分析
2.1 螺栓断口宏观形貌分析
裂纹萌生的位置为疲劳裂纹的裂纹源，容易出现在应力集中区域或材料缺陷处。部件在结构上存在台阶、圆角和孔等，在材料上存在缺陷和夹杂等会造成应力集中的情况。裂纹萌生后，在循环载荷的作用下，裂纹不断开合进一步扩展，在断裂表面形成的痕迹称为疲劳条纹。裂纹扩展时疲劳条纹较为平整，且有“海滩条带”的形貌特点。当剩余连接部分的强度不足以承受外载荷时，部件就会发生断裂。因此，金属疲劳断裂的断口一般被分为裂纹源、裂纹扩展区和断裂区三个部分。
螺栓断裂位置为螺母和螺栓啮合第一圈处，如图 2-1 所示。使用扫描电镜对螺栓断面进行了微观形貌分析。图 2-2 为螺栓断口低倍形貌，断口附近无明显塑性变形，并可清晰地观察到疲劳源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域。螺栓断口的裂纹源位于螺栓根部圆角处，为应力集中区域。断口呈现出单裂纹源特征，裂纹从螺纹表面沿径向扩展。整个疲劳扩展区域光滑，可见清晰的疲劳条纹。疲劳扩展区占据断口的小部分区域（占比约 40%）。随着裂纹的不断扩展，螺栓截面上应力增加，当应力超过断裂强度则发生断裂，形成瞬时断裂区。在瞬断区高倍形貌（图 2-2）可以看出存在微小发纹和孔洞，为韧窝形貌。结果说明疲劳载荷和一定的过载导致螺栓断裂。
..........................
2.2 剖面金相组织分析
沿着螺栓轴线方向切取螺栓断口剖面试样，金相分析前用 4％硝酸酒精浸蚀。在螺纹根部处未观察到粗大夹杂物和异常组织；对螺栓的螺纹面和圆角进行金相观察，螺纹牙型完整，所有螺纹根部均没有出现全脱碳层和折叠缺陷。图 2-4 为螺栓芯部金相组织照片，为正常的回火马氏体组织。
............................
第 3 章 动车组制动盘螺栓热-力耦合性能研究 ............................... 13
3.1 制动盘热分析理论基础 ................................... 13
3.1.1 热传导微分方程 ............................... 13
3.1.2 初始和边界条件 ............................... 13
第 4 章 持续制动对制动盘螺栓性能影响 ........................... 27
4.1 兰新高速铁路线路工况 ..................................... 27
4.2 制动盘螺栓载荷分析 ................................. 29
4.3 制动盘螺栓有限元分析结果 ......................... 30
第 5 章 制动盘螺栓多轴疲劳寿命预测 ........................ 38
5.1 多轴疲劳破坏准则 ...................................... 38
5.2 临界平面法 ........................................ 39
5.3 制动盘螺栓连续损伤与疲劳寿命预测 ..................... 41
第 5 章 制动盘螺栓多轴疲劳寿命预测
5.1 多轴疲劳破坏准则
疲劳是指在某部件或某点上受到扰动应力，充分循环作用后在部件上造成局部裂纹或断裂的永久结构变化的过程。航空、轨道、车辆、船舶和建筑等工业领域都涉及疲劳强度问题。在机械零部件中（螺栓、曲轴、连杆焊接和压力容器等）超过 70%为疲劳破环[50]。疲劳失效按照循环次数可以为高周疲劳和低周疲劳，循环次数低于 103~104以下属于的低周疲劳。在部件发生低周疲劳时，部件受到的应力水平较高且材料出现了塑性变形。因此，利用应力-循环次数曲线评估寿命的分散性较高。疲劳按照受应力状态可以分为单轴疲劳和多轴疲劳，不同的疲劳类型对应不同的疲劳准则。Manson-Coffin[51-53]对单轴低周疲劳进行了大量的研究，以总应变幅为损伤参量研究应变和寿命之间的关系。但在实际应用中，部件的疲劳失效大多是受到多个方向的循环载荷作用。在多轴疲劳研究的初始阶段，疲劳准则大多基于静强度理论（Von Mises 等效应力、最大拉应力和 Tresca 最大切应力准则）。但这类准则在非比例情况下疲劳预测不太准确。能量法随着 Morrow[54]塑性功理论的发展逐渐在多轴疲劳领域广泛应用。她认为循环塑性变形及塑性应变能决定材料的多轴疲劳损伤。根据循环塑性预估疲劳寿命不能表达出裂纹萌生和扩展的方向。
........................
第 6 章 结论与展望
6.1 结论
本文根据兰新线的实际线路情况，根据速度与海拔变化计算制动盘在持续制动情况下的热流密度。对兰新线列车制动盘断裂螺栓进行理化性能试验，观察断面形貌和金相组织形貌，判断螺栓根部材料是否存在缺陷。利用螺纹结构特点和数学表达式建立考虑螺纹的有限元模型，研究紧急制动和持续制动过程中制动盘和螺栓的温度场和应力场分布。采用临界面法结合 SWT 疲劳准则分析螺栓裂纹萌生和扩展疲劳寿命。本文创新点和主要结论如下：
(1) 螺栓理化性能试验分析结果满足相关技术要求。断口宏观形貌发现裂纹源没有材料缺陷，且具有典型的疲劳断裂特征。螺栓断面疲劳扩展区域较小，表明螺栓在服役过程中承受一定过载导致螺栓发生低周疲劳断裂。螺栓的断裂可能与其安装预紧力和实际线路条件等有关。
(2) 由于制动盘结构和材料热性能的差异，在紧急制动过程中制动盘和螺栓的温度分布不均匀。制动盘盘面最高温度先增大后减少，制动结束后温度逐渐降低。由于螺栓在制动过程中温度缓慢升高后缓慢减小，螺栓的应力在整个制动过程中逐渐增高。且随着制动初速度的增高，制动盘面和螺栓最高温度和应力增加。
(3) 在坡道制动过程中，靠近制动盘的螺栓中部温度最高且向四周扩散。相比制动盘面的温度变化，螺栓温度变化滞后，螺栓中部和啮合第一圈螺纹根部的温度逐渐上升并趋于稳定。在螺栓预紧和放松阶段，螺栓最大等效应力处为啮合第一圈螺纹且左右两侧应力分布对称。由于螺栓结构的承载特点以及螺纹根部半径较小，啮合第一圈螺纹造成严重的应力集中现象。螺栓的温度水平远小于制动盘面，制动盘盘面受热膨胀幅度大于其他部件。膨胀导致螺栓预紧力上升以及沿 X 轴的扭矩，从而使螺栓应力分布左右不对称。左右两侧相差高大 230 MPa 并加剧了螺栓根部应力集中。螺栓根部应力集中为螺栓断裂位置，产生的弯矩会使裂纹沿着一个方向扩展。
参考文献（略）
第 1 章 绪论
1.1 选题背景与研究意义
高速铁路具有载客量大、耗时少、能耗较低和安全性好等优势。由于我国社会、科技和经济的高速发展以及地大物博的地理特点，高铁成为了必不可少的交通运输方式。兰新高速铁路（以下简称兰新线）是一条贯穿新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市和甘肃省兰州市的高速铁路，又与陇海和包兰等铁路紧密连接，形成重要的西部铁路运输网络如图1-1 所示。兰新线全长 1775.7 km 共设有 22 个车站，是首条在高海拔地区修建的高速铁路，其最高海拔为 3640ｍ。兰新高速铁路的修建拉近了新疆与其他省的距离，推动新疆及其沿线城市的经济发展。
.....................
1.2 国内外研究现状
1.2.1 制动盘温度-应力分析
螺栓属于制动盘的连接件，其断裂和制动盘的工作情况密切相关。因此，需要首先研究制动盘的工作状态对螺栓的影响。近年来，制动盘的温度和应力一直是分析制动性能的主要研究内容。通过 1:1 或缩小比例试验台进行制动试验，再结合有限元法和数值模型分析得到仿真结果。最后对比、调整系数得到制动盘在制动过程中温度和应力变化。在此研究基础上，部分学者以温度和应力为基础，研究制动盘和闸片磨损，结构优化和流场分布等内容。
在理论研究方面，A.A. Yevtushenko 等[1]以盘式制动为研究对象，在固定的制动盘上施加任意形状的移动热源模拟瞬态温度场。考虑制动盘和闸片的热分配系数，将数值模型和仿真模型的温度分布与实验数据进行比较。结果表明在多次制动过程中，制动部件摩擦表面上的平均温度高于制动盘的整体温度。J.G. Bauzin 等[2]基于分块化闸片摩擦表面形状特征提出热源分析模型，使用傅立叶和汉克尔积分变换解析动车组制动盘中温度分布。在解析模型中引入补偿项模拟制动时制动盘上出现的热斑。可计算不同旋转速度下，斑点数量、大小以及物理属性值对制动盘的温度分布的影响。王国顺[3]采用热-力耦合法研究接触压力对制动盘温度场形状变化规律，并进行了实验验证。根据摩擦半径等参数提出形状因子描述摩擦块位置变化程度，且形状因子越小制动盘温度越低。采用模态分析法研究了非约束和约束对制动盘和闸片对固有频率的影响规律，为制动器减振降噪提供依据。
......................
第 2 章 制动盘螺栓断裂实验检验分析
2.1 螺栓断口宏观形貌分析
裂纹萌生的位置为疲劳裂纹的裂纹源，容易出现在应力集中区域或材料缺陷处。部件在结构上存在台阶、圆角和孔等，在材料上存在缺陷和夹杂等会造成应力集中的情况。裂纹萌生后，在循环载荷的作用下，裂纹不断开合进一步扩展，在断裂表面形成的痕迹称为疲劳条纹。裂纹扩展时疲劳条纹较为平整，且有“海滩条带”的形貌特点。当剩余连接部分的强度不足以承受外载荷时，部件就会发生断裂。因此，金属疲劳断裂的断口一般被分为裂纹源、裂纹扩展区和断裂区三个部分。
螺栓断裂位置为螺母和螺栓啮合第一圈处，如图 2-1 所示。使用扫描电镜对螺栓断面进行了微观形貌分析。图 2-2 为螺栓断口低倍形貌，断口附近无明显塑性变形，并可清晰地观察到疲劳源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域。螺栓断口的裂纹源位于螺栓根部圆角处，为应力集中区域。断口呈现出单裂纹源特征，裂纹从螺纹表面沿径向扩展。整个疲劳扩展区域光滑，可见清晰的疲劳条纹。疲劳扩展区占据断口的小部分区域（占比约 40%）。随着裂纹的不断扩展，螺栓截面上应力增加，当应力超过断裂强度则发生断裂，形成瞬时断裂区。在瞬断区高倍形貌（图 2-2）可以看出存在微小发纹和孔洞，为韧窝形貌。结果说明疲劳载荷和一定的过载导致螺栓断裂。
..........................
2.2 剖面金相组织分析
沿着螺栓轴线方向切取螺栓断口剖面试样，金相分析前用 4％硝酸酒精浸蚀。在螺纹根部处未观察到粗大夹杂物和异常组织；对螺栓的螺纹面和圆角进行金相观察，螺纹牙型完整，所有螺纹根部均没有出现全脱碳层和折叠缺陷。图 2-4 为螺栓芯部金相组织照片，为正常的回火马氏体组织。
............................
第 3 章 动车组制动盘螺栓热-力耦合性能研究 ............................... 13
3.1 制动盘热分析理论基础 ................................... 13
3.1.1 热传导微分方程 ............................... 13
3.1.2 初始和边界条件 ............................... 13
第 4 章 持续制动对制动盘螺栓性能影响 ........................... 27
4.1 兰新高速铁路线路工况 ..................................... 27
4.2 制动盘螺栓载荷分析 ................................. 29
4.3 制动盘螺栓有限元分析结果 ......................... 30
第 5 章 制动盘螺栓多轴疲劳寿命预测 ........................ 38
5.1 多轴疲劳破坏准则 ...................................... 38
5.2 临界平面法 ........................................ 39
5.3 制动盘螺栓连续损伤与疲劳寿命预测 ..................... 41
第 5 章 制动盘螺栓多轴疲劳寿命预测
5.1 多轴疲劳破坏准则
疲劳是指在某部件或某点上受到扰动应力，充分循环作用后在部件上造成局部裂纹或断裂的永久结构变化的过程。航空、轨道、车辆、船舶和建筑等工业领域都涉及疲劳强度问题。在机械零部件中（螺栓、曲轴、连杆焊接和压力容器等）超过 70%为疲劳破环[50]。疲劳失效按照循环次数可以为高周疲劳和低周疲劳，循环次数低于 103~104以下属于的低周疲劳。在部件发生低周疲劳时，部件受到的应力水平较高且材料出现了塑性变形。因此，利用应力-循环次数曲线评估寿命的分散性较高。疲劳按照受应力状态可以分为单轴疲劳和多轴疲劳，不同的疲劳类型对应不同的疲劳准则。Manson-Coffin[51-53]对单轴低周疲劳进行了大量的研究，以总应变幅为损伤参量研究应变和寿命之间的关系。但在实际应用中，部件的疲劳失效大多是受到多个方向的循环载荷作用。在多轴疲劳研究的初始阶段，疲劳准则大多基于静强度理论（Von Mises 等效应力、最大拉应力和 Tresca 最大切应力准则）。但这类准则在非比例情况下疲劳预测不太准确。能量法随着 Morrow[54]塑性功理论的发展逐渐在多轴疲劳领域广泛应用。她认为循环塑性变形及塑性应变能决定材料的多轴疲劳损伤。根据循环塑性预估疲劳寿命不能表达出裂纹萌生和扩展的方向。
........................
第 6 章 结论与展望
6.1 结论
本文根据兰新线的实际线路情况，根据速度与海拔变化计算制动盘在持续制动情况下的热流密度。对兰新线列车制动盘断裂螺栓进行理化性能试验，观察断面形貌和金相组织形貌，判断螺栓根部材料是否存在缺陷。利用螺纹结构特点和数学表达式建立考虑螺纹的有限元模型，研究紧急制动和持续制动过程中制动盘和螺栓的温度场和应力场分布。采用临界面法结合 SWT 疲劳准则分析螺栓裂纹萌生和扩展疲劳寿命。本文创新点和主要结论如下：
(1) 螺栓理化性能试验分析结果满足相关技术要求。断口宏观形貌发现裂纹源没有材料缺陷，且具有典型的疲劳断裂特征。螺栓断面疲劳扩展区域较小，表明螺栓在服役过程中承受一定过载导致螺栓发生低周疲劳断裂。螺栓的断裂可能与其安装预紧力和实际线路条件等有关。
(2) 由于制动盘结构和材料热性能的差异，在紧急制动过程中制动盘和螺栓的温度分布不均匀。制动盘盘面最高温度先增大后减少，制动结束后温度逐渐降低。由于螺栓在制动过程中温度缓慢升高后缓慢减小，螺栓的应力在整个制动过程中逐渐增高。且随着制动初速度的增高，制动盘面和螺栓最高温度和应力增加。
(3) 在坡道制动过程中，靠近制动盘的螺栓中部温度最高且向四周扩散。相比制动盘面的温度变化，螺栓温度变化滞后，螺栓中部和啮合第一圈螺纹根部的温度逐渐上升并趋于稳定。在螺栓预紧和放松阶段，螺栓最大等效应力处为啮合第一圈螺纹且左右两侧应力分布对称。由于螺栓结构的承载特点以及螺纹根部半径较小，啮合第一圈螺纹造成严重的应力集中现象。螺栓的温度水平远小于制动盘面，制动盘盘面受热膨胀幅度大于其他部件。膨胀导致螺栓预紧力上升以及沿 X 轴的扭矩，从而使螺栓应力分布左右不对称。左右两侧相差高大 230 MPa 并加剧了螺栓根部应力集中。螺栓根部应力集中为螺栓断裂位置，产生的弯矩会使裂纹沿着一个方向扩展。
参考文献（略）
收藏