輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷機(jī)理研究.pdf

1、隨著列車速度的提高和軸重的加大，鐵路運(yùn)輸向科學(xué)研究提出一系列挑戰(zhàn)，許多關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題急需解決，其中輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷就是最復(fù)雜問題之一，它的解決對列車安全運(yùn)營和降低運(yùn)輸成本以及發(fā)展高速列車具有重要的意義。 本文在詳細(xì)論述輪軌滾動(dòng)接觸疲勞破壞現(xiàn)象分類及其研究歷史與現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，主要以輪軌制動(dòng)損傷、輪軌沖擊損傷、輪軌磨損和高速線路鋼軌斜裂紋等幾種典型破壞現(xiàn)象為研究對象，以機(jī)車車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)、輪軌滾動(dòng)接觸理論、材料摩擦磨損模

2、型、傳熱學(xué)、彈塑性力學(xué)和有限元方法為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)值仿真和試驗(yàn)方法來研究以上幾種常見損傷產(chǎn)生和發(fā)展的機(jī)理和關(guān)鍵影響因素，并提出具體的損傷預(yù)防和減緩措施。具體來說，本文主要開展了以下幾方面的研究工作。 采用有限元法從摩擦引起的熱效應(yīng)角度來探尋輪軌表面破壞的原因，建立了輪軌熱-機(jī)械載荷耦合接觸模型，分析制動(dòng)工況即純滑動(dòng)接觸過程中輪軌溫升以及熱應(yīng)力，模型中考慮了輪軌間非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)、與環(huán)境的熱對流和熱輻射以及輪軌間的接觸計(jì)算，研究了滑動(dòng)接

3、觸過程中應(yīng)力場的分布特點(diǎn)以及速度的影響。研究表明，輪軌間摩擦熱響應(yīng)的影響深度很淺(大約2 mm以下)，且隨著深度增加而變?。簾彷d荷加大了輪軌表層材料的應(yīng)力水平：相對滑動(dòng)速度越大，輪軌熱響應(yīng)越明顯。 建立了鋼軌錯(cuò)牙接頭處三維動(dòng)態(tài)彈塑性接觸有限元模型，模型中考慮車輪與鋼軌、鋼軌與夾板、夾板與螺栓和螺栓與鋼軌之間的接觸。研究列車速度、軸重和錯(cuò)牙接頭高度差對鋼軌軌頭處應(yīng)力和應(yīng)變的影響。結(jié)果表明，當(dāng)車輪通過鋼軌錯(cuò)牙接頭時(shí)，車輪對鋼軌的沖擊

4、作用強(qiáng)烈，容易導(dǎo)致軌端產(chǎn)生壓潰和碎裂等損傷。車速和錯(cuò)牙高度對鋼軌應(yīng)力和應(yīng)變的影響比軸重大。 詳細(xì)分析了輪軌作用力與鋼軌斜裂紋的關(guān)系。建立了適合于廣深線機(jī)車車輛-軌道空間耦合模型，進(jìn)行機(jī)車車輛曲線通過動(dòng)力學(xué)分析，從輪軌動(dòng)態(tài)接觸點(diǎn)和作用力大小及方向確定引起鋼軌斜裂紋的機(jī)車車輛類型。還分析了京廣線直線段鋼軌焊接不平順對鋼軌斜裂紋的影響。理論分析發(fā)現(xiàn)，“藍(lán)劍”動(dòng)車組動(dòng)車和SS8機(jī)車對鋼軌斜裂紋形成和發(fā)展的影響最大。通過測量和分析列車通過

5、發(fā)生鋼軌斜裂紋區(qū)段時(shí)鋼軌的變形和變形方向，判斷輪對和鋼軌作用特點(diǎn)，驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)果的可靠性。通過大量的動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，對比分析不同超高、軌底坡、曲線半徑、軌距和軌下墊層剛度情況下的輪軌作用力和輪軌接觸點(diǎn)位置，得到了軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果。分析計(jì)算結(jié)果為現(xiàn)場部門預(yù)防和減緩鋼軌斜裂紋形成和擴(kuò)展提供理論指導(dǎo)和參考。采用數(shù)值方法研究車輛曲線通過對鋼軌磨損和接觸應(yīng)力的影響，該方法綜合考慮了Kalker三維非赫茲滾動(dòng)接觸理論、材料磨損模型、車輛-

6、軌道垂橫向耦合動(dòng)力學(xué)模型和輪軌接觸幾何計(jì)算，可以同時(shí)預(yù)測同一轉(zhuǎn)向架四個(gè)車輪下的鋼軌磨損。研究表明，改進(jìn)輪軌型面是減小接觸應(yīng)力的主要方法；增大曲線軌道的超高能改善車輛曲線通過性能，減小接觸應(yīng)力和鋼軌磨損：軌底坡對鋼軌磨損和接觸應(yīng)力有顯著的影響。 建立了輪軌三維彈塑性滾動(dòng)接觸計(jì)算模型。針對廣深線發(fā)生鋼軌斜裂紋區(qū)段運(yùn)行情況，分析不同硬度鋼軌接觸表面附近材料殘余應(yīng)力分布和塑性流動(dòng)的大小和方向，由此判斷鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞裂紋萌生的位置和方向

7、。利用Kalker三維非赫茲滾動(dòng)接觸理論及其數(shù)值程序CONTACT 研究軌底坡、軌距和曲線半徑等軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)對輪軌靜態(tài)接觸應(yīng)力的影響。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與軌距和曲線半徑相比，軌底坡對輪軌接觸應(yīng)力的影響較大。數(shù)值結(jié)果對我國鐵路軌道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的參考依據(jù)。 綜述了各種鋼軌打磨方法的原理和作用。通過對廣深線路的運(yùn)營特點(diǎn)和損傷類型分析，提出了廣深線使用預(yù)防性打磨和曲線軌頭非對稱打磨兩種打磨方法。根據(jù)線路鋼軌表面裂紋出現(xiàn)的時(shí)間及通