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基于热力耦合的钢轨接触疲劳伤损研究

李伟  
【摘要】: 随着列车速度、运量和轴重大幅度提高,轮轨滚动接触疲劳破坏变得越来越严重。而热损伤是高速重载车轮和钢轨的主要失效形式之一,其引起的轮轨表面剥离破坏导致车辆轨道结构激烈的振动并产生噪音,不仅影响了乘坐舒适度,而且缩短轨道与机车车辆零部件的使用寿命,威胁铁路的运营安全。因此,开展轮轨摩擦热损伤分析的研究具有重要的工程应用价值和理论指导意义。本论文根据轮轨间相互作用的特点,以货车车轮、机车车轮和60 kg/m钢轨为研究对象,基于轮轨接触理论、传热学和断裂力学理论,利用热力耦合有限元方法计算分析了轮轨滚滑接触时钢轨的温度场和应力场分布情况和钢轨表面疲劳裂纹的扩展特性。 首先,利用有限元分析软件ABAQUS建立了轮轨摩擦接触时钢轨的热弹塑性平面应变有限元模型。模型中考虑轮轨自由表面与环境的热对流的影响,考虑温度对材料参数的影响,通过在钢轨表面上移动法向压力分布、切向力分布和摩擦热源来模拟轮轨接触区的移动。计算了轮轨滚滑接触时热力耦合作用和只有机械载荷作用下的钢轨表层材料的温度场和应力场分布特点,以及残余应力和残余应变情况;并调查了不同摩擦系数、轴重和轮轨蠕滑率对钢轨表层温升、残余应力和残余应变的影响情况。分析结果表明:1)轮轨完全滑动接触时钢轨表层最大Von Mises等效应力发生在离钢轨表面大约0.2 mm的次表面:残余应力应变的影响主要在钢轨表面大约10 mm范围内,考虑热影响时钢轨表面残余应力比不考虑热影响的大;2)考虑热影响时钢轨表层的温度随摩擦系数和轴重的增大而增大,钢轨表层残余应力也随着摩擦系数的增大而增大;3)分析轮轨滚滑接触热响应时有必要考虑轮轨间弹性蠕滑率的影响,轮轨滚滑接触时热载荷在钢轨表层产生的周向和轴向残余应力表现为拉应力,其在蠕滑率小时有减小机械载荷产生的残余压应力作用;4)在蠕滑率较大时热响应对残余应力和残余应变影响明显,且当蠕滑率增大到一定值时,考虑热影响时热力耦合作用下的周向残余应力和轴向残余应力都表现为拉应力,而不考虑热影响时二者表现为压应力。 其次,建立了轮轨完全滑动接触时基于热力耦合作用下的带有表面裂纹钢轨的平面应变有限元模型。计算了轮轨接触面的摩擦系数、裂纹面间的摩擦系数和裂纹角度对钢轨疲劳裂纹扩展特性的影响。结果表明,机械载荷作用和热力耦合作用下的钢轨斜裂纹的剪切扩展模式都占主导;对比于只有机械载荷的情况,考虑热力耦合作用时钢轨表面裂纹更易扩展;减小轮轨接触面摩擦系数和增加裂纹表面间摩擦系数和裂纹角度有助于阻止钢轨表面斜裂纹的扩展。 最后,计算分析了轮轨完全滑动接触时钢轨多裂纹间相互作用对裂纹的扩展特性的影响情况。热力耦合作用和只有机械载荷作用时的应力强度因子K1随着裂纹间距离的增大而增大,两个裂纹间的距离对只有机械载荷作用时的裂纹扩展特性影响明显。相对单个裂纹,多裂纹有降低裂纹扩展的作用:而当裂纹数为5条或7条时可以基本反映更多裂纹时的裂尖扩展特性情况。


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