轨道交通轮对是车辆走行部的核心部件，其可靠性直接关系到列车运行安全。疲劳强度测试作为轮对可靠性增长试验的关键环节，通过模拟实际运营中的载荷与环境，揭示轮对在循环应力下的失效规律，为优化设计、提升可靠性提供数据支撑。本文围绕轮对可靠性增长试验中的疲劳强度测试展开，详细阐述其技术要点与实施逻辑。

轮对疲劳失效的典型模式与影响因素

轨道交通轮对的疲劳失效主要表现为三类典型模式：

一、轮辋踏面的滚动接触疲劳，因轮轨间的循环接触应力引发踏面剥离、裂纹扩展。

二、车轴的弯曲疲劳，多发生在轴颈、防尘板座等应力集中部位，表现为从表面向内部延伸的裂纹。

三、轮缘的磨耗疲劳，长期与轨道侧面摩擦导致轮缘厚度减薄，引发应力集中并萌生裂纹。

这些失效的影响因素可分为内部与外部两类：内部因素包括材料的冶金质量（如夹杂物含量、晶粒尺寸）、制造工艺（如锻造后的残余应力、热处理后的硬度分布）；外部因素则涉及运营载荷（如列车编组重量、运行速度）、轨道条件（如道岔、曲线半径、轨道不平顺）及环境温度（如高温下材料疲劳强度下降）。

例如，车轴防尘板座的过渡圆角若设计过小，会导致应力集中系数增大，循环载荷下易引发裂纹；轮辋材料中的大尺寸夹杂物会成为疲劳源，加速裂纹萌生。

可靠性增长试验中疲劳强度测试的核心目标

与常规疲劳测试不同，可靠性增长试验中的疲劳强度测试更强调“针对性”与“迭代性”。其核心目标并非仅获取材料的疲劳极限，而是围绕轮对的可靠性提升需求，识别设计或工艺中的薄弱环节。

具体而言，测试需实现三方面目标：

一、定位薄弱部位，如通过模拟运营载荷，发现轮对中最先出现裂纹的区域（如轮辋与车轴的压装部位）。

二、验证改进措施的有效性，例如针对车轴圆角的优化设计，通过测试对比改进前后的疲劳寿命，确认措施是否达到预期。

三、建立寿命预测模型，基于测试数据构建轮对的疲劳寿命与载荷的关联关系，为后续可靠性评估提供依据。

例如，某型轮对在初始测试中发现车轴轴颈部位疲劳寿命不足，通过增大圆角半径并优化热处理工艺后，再次测试显示该部位疲劳寿命提升了40%，验证了改进措施的有效性。

疲劳强度测试的试样制备与载荷谱设计

试样制备是疲劳强度测试的基础，需严格模拟实际轮对的材料与工艺特性。对于车轴试样，需从实际车轴的关键部位（如轴颈、防尘板座）截取，保留原有的锻造、热处理痕迹；轮辋试样需模拟实际踏面轮廓，采用与轮对相同的材料（如CL60钢）并经过相同的热处理工艺（如淬火+回火）。

载荷谱设计需基于实际运营数据的统计分析。首先通过线路测试采集轮对的载荷信息（如轴重、轮轨接触力、加速度），然后采用雨流计数法统计载荷的幅值与循环次数，构建包含正常载荷（如匀速运行的循环应力）与异常载荷（如过曲线、道岔的冲击载荷）的综合载荷谱。

例如，某城市轨道交通线路的轮对载荷谱中，正常载荷占比约85%（幅值范围50-150MPa），异常载荷占比15%（幅值范围150-300MPa），测试时需按照此比例模拟，以真实反映轮对的实际受力状态。

此外，载荷谱需考虑载荷的顺序效应，即先施加小载荷再施加大连载，与实际运营中的载荷序列一致，避免因载荷顺序不当导致测试结果偏差。

疲劳强度测试的台架试验系统与实施流程

疲劳强度测试的台架系统需根据测试对象选择：车轴测试多采用旋转弯曲疲劳试验机，通过电机驱动试样旋转，施加恒定的弯曲载荷；轮对滚动接触疲劳测试则采用专用试验机，模拟轮轨之间的滚动与滑动接触，施加垂直载荷与横向载荷；复合载荷试验机可同时施加弯曲、扭转与轴向载荷，用于模拟复杂运营条件下的轮对受力。

实施流程通常包括四个步骤：首先是试样安装，需确保试样与试验机的对中性（对中误差小于0.05mm），避免附加弯矩影响测试结果。

其次是预加载，施加相当于最大载荷10%的预载荷，检查系统的稳定性与传感器的准确性；第三、循环加载，按照设计的载荷谱连续施加循环应力，直到试样出现裂纹或达到预设的循环次数；最后是失效判定，通过无损检测确认裂纹长度（如裂纹深度超过2mm则判定失效）。

例如，在轮对滚动接触疲劳测试中，试验机需模拟轮轨接触的摩擦力（通过调整轮对与钢轨试样的相对滑动速度），并实时监测接触区域的温度（避免超过材料的回火温度），确保测试条件与实际一致。

测试中的无损检测与状态监测联动

疲劳强度测试过程中，无损检测需与状态监测联动，实现对试样状态的实时跟踪。常用的无损检测方法包括：超声波检测（用于检测车轴内部的裂纹，检测深度可达50mm以上）、磁粉检测（用于检测轮辋踏面的表面裂纹，灵敏度可达0.1mm）、涡流检测（用于检测轮缘的磨耗量与表面缺陷）。

状态监测则通过安装在试样上的应变片、应力传感器，实时采集循环应力下的应变数据。例如，当试样出现微裂纹时，应变会突然增大，此时需立即停止加载，通过无损检测确认裂纹位置与长度。

例如，某轮辋试样在测试中，应变传感器监测到应变值从150με突然升至300με，通过磁粉检测发现踏面存在一条长度2mm的裂纹，及时终止测试并分析裂纹萌生原因。

疲劳强度测试的数据采集与分析方法

数据采集需重点记录三类参数：

一、载荷参数（如载荷幅值、循环次数、载荷频率）。

二、试样状态参数（如应变、温度、裂纹长度）。

三、失效参数（如失效时间、失效模式）。这些数据需通过专用软件存储，确保可追溯性。

分析方法主要包括：

一、S-N曲线绘制，将不同应力幅值下的疲劳寿命绘制为曲线，区分高周疲劳（应力幅值小、循环次数多）与低周疲劳（应力幅值大、循环次数少）。

二、疲劳极限计算，采用升降法（通过调整应力幅值，找到50%存活率下的疲劳极限）或成组试验法（测试多组试样，统计疲劳极限的分布）。

三、断口分析，通过扫描电子显微镜（SEM）观察断口形貌，判断失效模式（如解理断裂对应脆性失效，韧窝断裂对应塑性失效）。

例如，某车轴试样的S-N曲线显示，当应力幅值为200MPa时，疲劳寿命为10^6次循环；当应力幅值增至250MPa时，疲劳寿命降至10^5次循环，符合高周疲劳的规律。

测试过程中的关键控制因素

疲劳强度测试的准确性依赖于对关键因素的严格控制。首先是载荷精度控制，试验机的载荷误差需小于±1%，避免因载荷过大导致试样提前失效，或载荷过小导致测试结果偏乐观。

其次是温度控制，对于轮对滚动接触疲劳测试，接触区域的温度需控制在150℃以下（避免材料硬度下降），可通过冷却系统（如喷油冷却）实现；第三、试样一致性控制，同一批次的试样需采用相同的材料、工艺与尺寸，确保测试数据的可比性。

例如，若试验机的载荷误差达到±3%，则某试样的实际载荷可能比设计值高3%，导致疲劳寿命缩短10%-15%，影响测试结果的准确性。

疲劳强度测试与可靠性增长的联动机制

疲劳强度测试的最终目标是支撑轮对的可靠性增长，其联动机制体现在“测试-改进-再测试”的迭代过程中。例如，初始测试发现轮辋踏面的疲劳寿命不足，通过分析断口发现是材料中的夹杂物引发裂纹，改进措施为优化冶炼工艺（降低夹杂物含量），然后再次进行疲劳测试，验证改进后的寿命提升效果。

联动机制的核心是将测试数据转化为改进需求。例如，测试数据显示车轴防尘板座的应力集中系数为3.2（远高于设计值2.0），则改进方向为增大圆角半径（从R2mm增至R5mm），降低应力集中系数；改进后再次测试，若应力集中系数降至1.8，且疲劳寿命提升50%，则说明改进有效。

此外，测试数据还可用于更新轮对的可靠性模型，例如基于测试的S-N曲线，修正原有的寿命预测模型，提高可靠性评估的准确性。