鋼軌焊接接頭傷損分析.pdf

1、當(dāng)今世界鐵路，以無(wú)縫線(xiàn)路代替魚(yú)尾板鋼軌接頭來(lái)連接軌道上相鄰兩根鋼軌是一種首選的方法。無(wú)縫線(xiàn)路的應(yīng)用在很大程度上降低輪軌沖擊載荷和提高鋼軌的使用壽命，但隨著鐵路運(yùn)行速度的提高和軸重的加大，鋼軌焊接接頭傷損問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致較高的鐵路運(yùn)營(yíng)成本，直接影響鐵路運(yùn)輸安全。因此，開(kāi)展鋼軌焊接接頭傷損研究具有很強(qiáng)的理論意義和工程應(yīng)用背景。本文以車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論、輪軌滾動(dòng)接觸理論、彈塑性力學(xué)和有限元方法為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)值仿真方法對(duì)不同形

2、式的焊接接頭傷損問(wèn)題進(jìn)行研究。 (1)為了能全面反映高速鐵路鋼軌焊接接頭處輪軌作用力學(xué)行為，建立了較為完善的車(chē)輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型。模型中，采用Timoshenko梁模型模擬鋼軌；考慮了軌枕的離散支撐作用對(duì)車(chē)輛/軌道耦合動(dòng)態(tài)行為的影響。另外，采用赫茲非線(xiàn)性彈性接觸理論確定輪軌法向力時(shí)用到的輪軌接觸常數(shù)由輪軌表面瞬態(tài)接觸條件決定；采用沈氏理論計(jì)算輪軌蠕滑力，其中基于輪軌接觸面法向速度差為零原則推導(dǎo)輪軌蠕滑率。焊接接頭不平順以余弦

3、函數(shù)形式加入到輪軌接觸幾何算法。利用該模型分析了復(fù)合不平順和單波不平順引起的輪軌沖擊載荷；長(zhǎng)短波長(zhǎng)焊接接頭所引起的輪軌法向沖擊載荷、鋼軌/軌枕支承反力、車(chē)輪和軌道各部件的加速度；行車(chē)速度、軸重、波長(zhǎng)、波深及焊接接頭所在位置對(duì)輪軌法向沖擊載荷的影響。結(jié)果表明，焊接接頭短波波長(zhǎng)不平順容易激起輪軌系統(tǒng)的高頻振動(dòng)和導(dǎo)致車(chē)輪和軌道系統(tǒng)的沖擊破壞。因此在焊接接頭的現(xiàn)場(chǎng)施工和檢修過(guò)程中，應(yīng)盡可能的避免出現(xiàn)短波不平順的現(xiàn)象。此外以焊接接頭不平順的波深與

4、波長(zhǎng)之比來(lái)控制焊接接頭不平順更為合理，并制定了焊接接頭不平順的控制數(shù)表。 (2)建立了基于車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)和三維彈塑性有限元模型的鋼軌焊接接頭應(yīng)力分析模型。模型中考慮了鋼軌母材和焊接接頭材料及熱影響區(qū)域具有不同的材料屬性。首先由車(chē)輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)仿真程序計(jì)算輪軌接觸力、接觸斑大小及位置。然后通過(guò)FASTSIM計(jì)算接觸斑內(nèi)切向力分布，最后輸入到三維彈塑性有限元模型。應(yīng)用該模型分析了不同工況下直線(xiàn)、曲線(xiàn)焊接接頭區(qū)域附近的接觸應(yīng)