鋼軌波浪形磨損研究.pdf

1、鋼軌波浪形磨損(簡(jiǎn)稱波磨)是鐵路工業(yè)界難以解決的技術(shù)問(wèn)題。人們對(duì)它的觀察和研究已有一百多年的歷史。雖然人們通過(guò)理論和數(shù)值方法對(duì)鋼軌波磨初始形成和發(fā)展機(jī)理的認(rèn)識(shí)有了很大的進(jìn)展，但是迄今為止還沒(méi)有一種廣泛認(rèn)同的統(tǒng)一有效的理論模型來(lái)解釋波磨初始形成機(jī)理和影響波磨發(fā)展的因素。隨著列車(chē)速度、軸重的提高、車(chē)流密度的加大和新型機(jī)車(chē)車(chē)輛結(jié)構(gòu)的推廣使用，鋼軌波磨現(xiàn)象變得日趨嚴(yán)重，因而導(dǎo)致較高的鐵路運(yùn)輸成本，直接影響鐵路運(yùn)輸安全。鋼軌波磨導(dǎo)致車(chē)輛軌道結(jié)構(gòu)激

2、烈的振動(dòng)并產(chǎn)生噪聲，不僅影響旅客乘坐的舒適度和裝運(yùn)貨物的完整，而且縮短結(jié)構(gòu)部件的使用壽命。因此，開(kāi)展鋼軌波磨的研究具有很強(qiáng)的理論意義和工程應(yīng)用背景。 受到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“輪軌滾動(dòng)接觸表面波浪形磨損和滾動(dòng)接觸疲勞的研究”(59935100)、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、高等學(xué)校全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文作者專項(xiàng)基金和西南交通大學(xué)博士生創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助，本文主要開(kāi)展了以下幾方面的研究工作： (1)首先對(duì)國(guó)內(nèi)外鋼軌波磨的

3、研究歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)論述，明確了鋼軌波磨研究的意義和研究方向。 (2)建立了較為完整的鋼軌磨耗型波磨理論計(jì)算模型，模型中包含了車(chē)輛-軌道垂向橫向耦合動(dòng)力學(xué)理論模型、輪軌材料摩擦磨損模型和改進(jìn)的三維非赫茲滾動(dòng)接觸理論模型，并發(fā)展了相應(yīng)的數(shù)值程序。該模型是目前國(guó)內(nèi)外最完整最復(fù)雜的鋼軌波磨計(jì)算模型，突破了已有方法僅考慮輪軌垂向耦合振動(dòng)對(duì)鋼軌波磨形成的影響和僅借助赫茲滾動(dòng)接觸理論進(jìn)行型面損傷計(jì)算的局限性。用它不僅可以計(jì)算一個(gè)車(chē)輪和鋼

4、軌動(dòng)力行為與摩擦磨損的循環(huán)作用過(guò)程，還可以同時(shí)計(jì)算半個(gè)車(chē)體一個(gè)轉(zhuǎn)向架四個(gè)車(chē)輪和鋼軌動(dòng)力耦合作用與摩擦磨損的循環(huán)作用過(guò)程。利用該模型詳細(xì)分析計(jì)算了各種可能的軌道缺陷對(duì)鋼軌波磨形成和發(fā)展的影響，得到了大量的數(shù)據(jù)結(jié)果，這些結(jié)果對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)鋼軌波磨初始形成與發(fā)展機(jī)理和解決鋼軌波磨問(wèn)題有重要的參考價(jià)值。使用1∶1試驗(yàn)裝置對(duì)鋼軌磨耗型波磨計(jì)算模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。鋼軌磨耗型波磨理論模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。 (3)針對(duì)過(guò)去人們進(jìn)行滾動(dòng)接觸應(yīng)力分

5、析只局限于穩(wěn)態(tài)的情形，本文建立了二維彈塑性非穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)接觸有限元模型。模型中材料本構(gòu)采用能較好描述材料棘輪效應(yīng)的循環(huán)塑性模型。分別研究純滾動(dòng)、全滑動(dòng)、牽引滾動(dòng)和多步載荷條件下鋼軌的殘余應(yīng)力、應(yīng)變和變形，得出了鋼軌材料在反復(fù)滾壓條件下應(yīng)力、應(yīng)變和變形的變化規(guī)律。研究認(rèn)為，滾動(dòng)接觸疲勞和滾動(dòng)體波狀表面形成和發(fā)展機(jī)理的研究應(yīng)當(dāng)考慮非穩(wěn)態(tài)載荷和材料的循環(huán)塑性變形。 (4)建立了考慮車(chē)輛-軌道垂向耦合動(dòng)力學(xué)模型、非穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)接觸有限元模型和C

6、arter二維滾動(dòng)接觸蠕滑理論模型為一體的鋼軌塑流型波磨理論模型。模型中考慮到輪軌之間的動(dòng)力作用對(duì)鋼軌塑流型波磨形成和發(fā)展的影響以及鋼軌接觸表面材料不均勻塑性變形對(duì)車(chē)輛軌道動(dòng)力行為的反饋?zhàn)饔?。同時(shí)材料在反復(fù)滾壓條件下棘輪效應(yīng)和殘余變形累積對(duì)波磨的影響也得到考慮。研究了非穩(wěn)態(tài)載荷條件下塑流型波磨的形成和發(fā)展；研究了鋼軌垂向凹坑對(duì)塑流型波磨形成和發(fā)展的影響；分析了考慮材料塑性變形時(shí)鋼軌初始波磨隨車(chē)輛通過(guò)次數(shù)增加的演化規(guī)律。詳細(xì)分析了塑流型波

7、磨波谷和波峰材料的力學(xué)行為，如應(yīng)力、應(yīng)變和材料塑性流動(dòng)的速率等。 (5)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察、損傷鋼軌數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析發(fā)現(xiàn)，我國(guó)重載鐵路和山區(qū)鐵路線鋼軌接頭區(qū)鋼軌沖擊壓潰和斷裂較為嚴(yán)重，鋼軌接頭往往要引發(fā)鋼軌波磨的形成和發(fā)展。因此，建立了鋼軌軌縫處輪軌接觸-沖擊三維彈塑性有限元模型，模型中考慮了多體接觸問(wèn)題。對(duì)車(chē)輪通過(guò)軌縫時(shí)沖擊鋼軌接頭過(guò)程進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，詳細(xì)分析沖擊過(guò)程中軌頭的應(yīng)力應(yīng)變分布情況?？紤]了軸重、列車(chē)速度、材料的屈服強(qiáng)度和強(qiáng)