輪軌接觸表面微裂紋擴展研究.pdf

1、新世紀以來，隨著我國鐵路旅客列車速度的提高和貨物列車軸重的增加，對鐵道科技研究提出了一系列挑戰(zhàn)，急需解決許多關(guān)鍵技術(shù)問題，輪軌滾動接觸問題就是其中之一。輪軌滾動接觸疲勞和磨損一直是鐵路運輸業(yè)難以解決的老問題，其中又以疲勞裂紋的擴展及斷裂危害最大。本文利用ANSYS建立了鋼軌表面微裂紋的二維有限元模型。在裂紋面上引入了接觸單元，模擬裂紋面的張開和閉合;在裂紋尖端引入了奇異單元，以研究裂尖應(yīng)力強度因子。計算中考慮了鋼軌材料的非線性和接觸邊界

2、的非線性。通過計算，獲得了鋼軌表面豎直微裂紋的裂尖應(yīng)力強度因子及應(yīng)力。利用斷裂力學的裂紋起始擴展判據(jù)和裂紋斷裂判據(jù)，對U71Mn鋼軌表面豎直微裂紋的擴展情況進行了分析，并在此基礎(chǔ)上，通過Paris公式對鋼軌的疲勞壽命進行了估算。具體開展的研究工作如下:
　　 1、采用Hertz接觸理論，利用ANSYS有限元模型分別計算了10噸和20噸軸重下無摩擦力作用的鋼軌表面微裂紋的裂尖應(yīng)力強度因子及應(yīng)力。結(jié)果表明，軸重對應(yīng)力強度因子有著顯著

3、影響，尤其是對KI的影響;在車輪滾動過程中，表面微裂紋位于接觸斑邊緣處時，其應(yīng)力強度因子達到最大值。
　　 2、通過建立鋼軌表面微裂紋的有限元模型，在真實輪軌接觸摩擦力作用下，對于磨耗型車輪踏面-磨耗型新軌和磨耗型車輪踏面-已磨耗鋼軌的兩種接觸外形，計算了鋼軌表面不同長度的微裂紋在不同軸重下的裂尖應(yīng)力強度因子及其應(yīng)力。結(jié)果表明:磨耗型車輪踏面-磨耗型新軌下的應(yīng)力強度因子要比磨耗型車輪踏面-已磨耗鋼軌下的大得多，新鋼軌表面微裂紋更

4、容易擴展，因此對于鐵路新軌應(yīng)避免重車運行;隨著車輪滾動，裂尖應(yīng)力強度因子呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，峰值出現(xiàn)在接觸斑邊緣附近;軸重增加，裂尖應(yīng)力強度因子大幅增大;裂紋尺寸增大，裂尖應(yīng)力強度因子Kl先增大后減小;在車輪碾壓過程中，微裂紋只在位于接觸斑邊緣附近時才會張開，其它位置微裂紋是閉合的。
　　 3、在真實輪軌接觸摩擦力作用下，對于錐型車輪踏面-磨耗型新軌的接觸外形，計算了鋼軌表面不同長度的微裂紋在不同軸重下的裂尖應(yīng)力強度因子及其