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轮轨滚动接触疲劳损伤机理研究

郭俊  
【摘要】: 随着列车速度的提高和轴重的加大,铁路运输向科学研究提出一系列挑战,许多关键科学技术问题急需解决,其中轮轨滚动接触疲劳损伤就是最复杂问题之一,它的解决对列车安全运营和降低运输成本以及发展高速列车具有重要的意义。 本文在详细论述轮轨滚动接触疲劳破坏现象分类及其研究历史与现状的基础上,主要以轮轨制动损伤、轮轨冲击损伤、轮轨磨损和高速线路钢轨斜裂纹等几种典型破坏现象为研究对象,以机车车辆—轨道耦合动力学、轮轨滚动接触理论、材料摩擦磨损模型、传热学、弹塑性力学和有限元方法为基础,应用数值仿真和试验方法来研究以上几种常见损伤产生和发展的机理和关键影响因素,并提出具体的损伤预防和减缓措施。具体来说,本文主要开展了以下几方面的研究工作。 采用有限元法从摩擦引起的热效应角度来探寻轮轨表面破坏的原因,建立了轮轨热—机械载荷耦合接触模型,分析制动工况即纯滑动接触过程中轮轨温升以及热应力,模型中考虑了轮轨间非稳态热传导、与环境的热对流和热辐射以及轮轨间的接触计算,研究了滑动接触过程中应力场的分布特点以及速度的影响。研究表明,轮轨间摩擦热响应的影响深度很浅(大约2mm以下),且随着深度增加而变小;热载荷加大了轮轨表层材料的应力水平;相对滑动速度越大,轮轨热响应越明显。 建立了钢轨错牙接头处三维动态弹塑性接触有限元模型,模型中考虑车轮与钢轨、钢轨与夹板、夹板与螺栓和螺栓与钢轨之间的接触。研究列车速度、轴重和错牙接头高度差对钢轨轨头处应力和应变的影响。结果表明,当车轮通过钢轨错牙接头时,车轮对钢轨的冲击作用强烈,容易导致轨端产生压溃和碎裂等损伤。车速和错牙高度对钢轨应力和应变的影响比轴重大。 详细分析了轮轨作用力与钢轨斜裂纹的关系。建立了适合于广深线机车车辆—轨道空间耦合模型,进行机车车辆曲线通过动力学分析,从轮轨动态接触点和作用力大小及方向确定引起钢轨斜裂纹的机车车辆类型。还分析了京广线直线段钢轨焊接不平顺对钢轨斜裂纹的影响。理论分析发现,“蓝剑”动车组动车和SS8机车对钢轨斜裂纹形成和发展的影响最大。通过测量和分析列车通过发生钢轨斜裂纹区段时钢轨的变形和变形方向,判断轮对和钢轨作用特点,验证了理论计算结果的可靠性。通过大量的动力学仿真计算,对比分析不同超高、轨底坡、曲线半径、轨距和轨下垫层刚度情况下的轮轨作用力和轮轨接触点位置,得到了轨道结构参数的优化结果。分析计算结果为现场部门预防和减缓钢轨斜裂纹形成和扩展提供理论指导和参考。 采用数值方法研究车辆曲线通过对钢轨磨损和接触应力的影响,该方法综合考虑了Kalker三维非赫兹滚动接触理论、材料磨损模型、车辆—轨道垂横向耦合动力学模型和轮轨接触几何计算,可以同时预测同一转向架四个车轮下的钢轨磨损。研究表明,改进轮轨型面是减小接触应力的主要方法;增大曲线轨道的超高能改善车辆曲线通过性能,减小接触应力和钢轨磨损;轨底坡对钢轨磨损和接触应力有显著的影响。 建立了轮轨三维弹塑性滚动接触计算模型。针对广深线发生钢轨斜裂纹区段运行情况,分析不同硬度钢轨接触表面附近材料残余应力分布和塑性流动的大小和方向,由此判断钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生的位置和方向。利用Kalker三维非赫兹滚动接触理论及其数值程序CONTACT研究轨底坡、轨距和曲线半径等轨道结构参数对轮轨静态接触应力的影响。计算结果发现,与轨距和曲线半径相比,轨底坡对轮轨接触应力的影响较大。数值结果对我国铁路轨道结构的优化设计提供了有力的参考依据。 综述了各种钢轨打磨方法的原理和作用。通过对广深线路的运营特点和损伤类型分析,提出了广深线使用预防性打磨和曲线轨头非对称打磨两种打磨方法。根据线路钢轨表面裂纹出现的时间及通过的年运量情况,建议广深线曲线钢轨预防性打磨周期为6个月。钢轨曲线非对称打磨可以使接触点在轨面上向中心移动,避免接触点靠近轨肩位置,降低轮轨之间的接触应力,从而减轻斜裂纹的发生。


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