过盈配合微动疲劳失效分析

邹晓龙，姬程翔

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044）

过盈配合微动疲劳失效分析

邹晓龙1，姬程翔2

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044）

利用套管试样研究轨道车辆轮轴在旋转弯曲载荷下过盈配合部位的疲劳损伤。通过改变套管试样的几何尺寸实现轴套配合参数的变化，研究过盈量和套管长度对过盈配合应力的影响。结果表明，减小过盈量或增大套管长度能降低过盈配合中微动对疲劳损伤的影响。

过盈配合；微动疲劳；轮轴；ABAQUS；有限元分析

微动疲劳是指构件在循环载荷的作用下，由于表面某一部位与其它接触表面产生极小振幅（通常为微米量级）的相对滑动而导致构件疲劳强度降低或早期断裂的现象。微动疲劳现象广泛存在于各类工程机械和结构之中，当机械零部件采用过盈配合连接时，常常因为配合体之间弹性变形量的差异，造成接触面局部区域出现微小幅度的相对往复运动，从而产生微动损伤现象[1]。

轨道车辆轮轴过盈配合部位疲劳断裂是微动疲劳的典型实例，也是影响铁路运输安全的关键问题之一。车轴的受力状态复杂，并受到一定冲击，疲劳断裂是车轴的主要失效形式之一。在车轴的疲劳设计及寿命分析时，必须充分考虑微动对车轴钢疲劳性能的影响。本文通过轴套试样模拟过盈配合部位的微动疲劳损伤，揭示轮轴过盈配合部位的损伤机理。

1过盈配合微动疲劳轴套试样

因为研究整个轮问题会比较复杂，本文主要研究的是轮轴和车轮的过盈配合部位的微动，所以选择通过试样来研究微动疲劳。采用的是模拟轮轴旋转弯曲微动疲劳的试样，如图1所示。通过疲劳试验机给试样施加载荷，以测定试样的微动疲劳强度。

图1 轴套试样实物图

试样由轴和套管组成，材料均为42CrMo钢。轴的尺寸如图2所示，工作区段直径为9.520 mm，长25 mm.套管有多组不同的尺寸，试验中通过改变套管尺寸来改变过盈配合参数，套管尺寸如图3所示。基本尺寸是过盈量为0.02 mm，套管外径为17 mm，套管长度为15 mm.试样采用热套配合方法组装。

图2 轴尺寸示意图

图3 套管尺寸示意图

2轴套试样有限元分析

2.1 建立轴套试样三维模型

本文以轴套试样过盈配合部位为研究对象，因此在建立轴套试样的三维模型时忽略端部轴尺寸的变化，采用恒定半径的轴进行有限元仿真计算。用SolidWorks建立轴套试样的三维模型如图4所示。

图4 轴套试样三维模型

2.2 划分网格

由于轴套试样关于几何及载荷具有对称性，为了简化分析的流程，只对试样的一半模型进行分析。为了提高有限元仿真计算的效率，划分网格采用两种不同的网格尺寸。对于远离轴套过盈配合的部分，由于其对过盈配合部位的计算结果影响不大，因此采用较大的单元尺寸划分网格；在轴与套管过盈配合部位，为得到更为精确的应力计算结果，采用较小的单元尺寸划分网格，并对轴和套管的接触边缘进行网格细化。另外，在利用有限元的方法进行接触部位的仿真计算时，必须保证轴和套管接触部分的单元节点位置一一对应。同时，为了解决网格大小不匹配的问题，在分析计算时施加绑定约束。整个有限元模型共划分为48 834个单元。划分完成的轴和试样整体的网格模型分别如图5、图6所示。

图5 轴网格模型

图6 轴套整体网格模型

2.3 定义接触边界条件

过盈配合构件进行有限元分析时，容易出现计算发散及过约束的问题，容易得不到正确的分析结果。因此往往通过在套管上任意一点创建连接地面的弹簧元的方法来解决这一问题。弹簧方向选择轴向，弹簧的刚度值设置为1 N/mm.该值没有实际的物理意义，对求解结果也不会造成明显影响，但对于求解的收敛性起到很好的效果[2]。

经过对试样进行受力分析发现，试样在轴套配合部位承受恒定的弯矩。此外，本研究以配合部位的微动损伤为研究对象，其他部位对计算结果影响不大。综上分析，在试样模型控制参考点上加全约束，在试样模型右端面节点施加弯矩。为了减少弯矩对试样中间部位应力产生较大的影响，本文采用在参考点上施加载荷的方式来实现施加同等效果弯矩的目的。施加约束后的试样模型如图7所示。

图7 施加约束后轴套试样模型图

2.4 定义接触关系及过盈量

在利用ABAQUS对接触问题求解时，必须正确定义研究对象的接触关系。在分析中，往往通过定义接触对实现定义不同的接触关系，接触对包括主面和从面。在本文中，选择轴的外圆柱面为主面、套管的内圆柱面为从面，接触方向总是主面的法线方向。轴和套管的法向接触关系通过定义两者间的过盈量来实现，切向接触关系采用的是经典库伦模型，即切向摩擦力为接触法向压力和摩擦系数共同决定的[2]。

2.5 加载

定义参考点及约束，并在参考点上施加Z向的力，大小为160 N.

2.6 计算结果和分析

施加弯矩时试样的过盈配合应力如图8所示，套管与轴配合的边缘部位出现应力集中。由受到弯矩时轴的应力图（见图9）可知，在试样过盈配合的邻近区域，轴上应力未出现应力集中现象，很好地解决了这一区域网格尺寸不同所带来的影响；受拉应力表面的最大值为272.1 MPa，受压应力表面的最小值为-182.3 MPa.另外，通过比较发现，轴表面的应力值远大于中心处的应力值，这说明在轴的中心部位采用较大尺寸的网格不会对计算结果造成影响。由于微动较小，在肉眼是看不见的，从而建立非常小的网格和选择适当的缩放系数，可以稍微显示出微动的变化，轴的微动图如图10所示。

图8 施加弯矩时轴套试样应力图

图9 施加弯矩时轴的应力图

图10 施加弯矩后轴的微动图

3改变模型的尺寸分析过盈配合的应力变化

3.1 改变试样模型过盈量

在保证模型其他尺寸不变的情况下，将试样的过盈量增加到0.03 mm，按照以上方法建立模型，得出过盈配合刚开始时的应力如图11所示。过盈装配完成后的应力如图12所示。

图11 过盈配合刚接触时应力图

图12 过盈装配完成后的应力图

3.2 改变轴套的长度

在保证模型其他尺寸不变的情况下，将试样轴套长度增加至15 mm，分析过盈配合的应力变化。过盈配合刚开始接触时的应力分布和完全接触时过盈配合的应力分别如图13、图14所示。不同过盈量及轴套长度对应的应力值如表1所示。

图13 过盈配合刚开始接触时应力图

图14 完全接触时候过盈配合的应力图

表1 不同轴套长度及过盈量对应的应力值

4结束语

（1）轴和套管间接触应力沿轴向分布呈现为中间小、两端大且在接触边缘存在明显应力集中。

（2）增大过盈配合的过盈量，会增大轴上的接触应力，增加对过盈配合微动疲劳的影响。

（3）增大轴套的长度，可以减少轴上的接触应力，从而可以降低微动作用的影响，减缓微动裂纹的萌生与早期扩展。

[1]杨广雪，谢基龙，李强，等.过盈配合微动损伤的关键参数[J].机械工程学报，2010，8（16）：53-59.

[2]杨广雪，李强，谢基龙，等.微动对车轴钢疲劳性能的影响[J].北京交通大学学报，2012，2（36）：127-130.

Fretting Fatigue Failure Analysis of Interference Fit

ZOU Xiao-long1，JICheng-xiang2
（1.CRRCQingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266111，China；2.School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

In this paper，the fatigue damage of the interference fit parts of the track vehicle axle under the rotating bending load is studied by using the casing test specimen.The influence of interference and casing length on the interference fit stress is studied by changing geometric size of specimen.The results show that the effect of the micromotion on the fatigue damage can be reduced by decreasing the interference or increasing the casing length.

interference fit；fretting fatigue；axle；ABAQUS；finite elementanalysis

TH131.7

A

1672-545X（2016）12-0052-03

2016-09-08

邹晓龙（1986-），男，山东乳山人，硕士，工程师，研究方向：铁道车辆转向架结构强度。