截至2018年底,我国高速铁路运营里程已达2.9万公里,位列世界第一。随着社会的发展和科学技术的进步,铁路正朝着高速,轻量化,优良运行品质,低噪音和环保等多维度方向发展。与传统的外置轴箱式车轴相比,内置轴箱式车轴已显示出其具有重量轻,小半径曲线通过性能优良等诸多优点,在城轨及高速铁路上具有巨大的应用潜力。同时,车轴是铁路车辆结构极其重要的承载部件,其疲劳失效直接危及车辆的运行安全。因此,评估内置轴箱式车轴的疲劳服役性能具有十分重要的理论意义和工程指导价值。本文以内置轴箱式车轴为对象,主要研究内容如下:开展EA4T车轴材料性能试验,全面获得其基本力学性能,低周疲劳性能,高周疲劳性能,裂纹扩展速率及断裂门槛值等。考虑到标准小试样与全尺寸车轴在几何尺寸、表面质量、加载方式等方面的差异,对全尺寸车轴服役性能进行修正,为实物车轴寿命计算提供基础和参考依据。建立了内置轴箱轮对系统的有限元仿真模型,通过合理设置接触参数,模拟出车轮、齿轮及制动盘与车轴间的压装配合效应,并对车轴施加垂向载荷谱和边界约束,得到内置轴箱车轴的临界安全位置位于不受压装配合效应影响的轴身中部,与传统的外置轴箱车轴明显不同。基于修正的线性Miner累积损伤理论,结合车轴材料高周概率疲劳S-N曲线(疲劳P-S-N)和模拟载荷谱对内置轴箱车轴的疲劳强度和服役寿命进行评估。预测得到全尺寸空心车轴疲劳寿命满足现役铁路车轴标准中30年或10~9加载循环使用寿命的设计要求。然而,引入基于断裂力学的损伤容限设计方法,参考实际车轴断面裂纹形貌,在车轴应力集中部位植入不同深度的半椭圆裂纹,计算载荷谱下裂纹尖端的应力强度因子,结合课题组自主提出的裂纹扩展速率模型LAPS,预测车轴的剩余寿命。结果表明,当车轴表面存在缺陷时,其疲劳寿命下降明显,应合理制定无损探伤周期,以确保车轴服役安全。为了提高伤损车轴的抗疲劳断裂性能,提出对表面进行强化方法。具体地,通过有限元方法重建车轴表面强化层残余压应力,从仿真计算角度说明残余压应力对车轴疲劳裂纹的扩展具有抑制作用。