鋼軌冷卻過程中溫度場及彎曲變形數(shù)值模擬研究.pdf

1、我國交通運(yùn)輸一直以鐵路為主，鐵路運(yùn)輸擔(dān)負(fù)著全國60％-70%的貨運(yùn)總量和50%-60%的客運(yùn)總量，重載、高速、安全是鐵路科技的發(fā)展方向。
　　鐵路高速、重載的迅猛發(fā)展，使鋼軌失效問題日益嚴(yán)重，已危及行車安全。因此，提高鋼軌性能延長使用年限，已刻不容緩。而鋼軌全長熱處理，是近年來世界上大多數(shù)國家公認(rèn)的提高鋼軌耐磨、抗疲勞強(qiáng)度的最直接、經(jīng)濟(jì)的方法。
　　本文以60kg/m的U75V鋼軌為研究對象，基于傳熱學(xué)、熱彈塑性基本原理以及

2、有限元理論，采用模擬軟件ABAQUS建立了U75V鋼軌的三維瞬態(tài)非線性有限元模型。模擬鋼軌在自然空冷過程中的冷卻過程，分析了鋼軌自然空冷時溫度場、應(yīng)力場和彎曲變形規(guī)律；研究了鋼軌在不同冷速條件下的冷卻過程中，鋼軌在軌頭分別噴水10s、20s后的溫度、應(yīng)力分布規(guī)律和彎曲變形規(guī)律；采用紅外線熱成像儀對鋼軌溫度冷卻過程的溫度場進(jìn)行了實測，通過實驗?zāi)M實驗，對比驗證了模擬計算結(jié)果與實測結(jié)果的一致性。
　　模擬結(jié)果表明：（1）鋼軌在冷卻過程

3、中，溫度隨時間變化規(guī)律分為三個階段：第Ⅰ階段，即發(fā)生固態(tài)相變前，溫度降低速率比較快；第Ⅱ階段，固態(tài)相變階段，溫度幾乎保持不變；第Ⅲ階段，固態(tài)相變后，溫度降低比較平緩均勻。（2）鋼軌彎曲變形過程也分為三個階段：第Ⅰ階段，鋼軌向軌底彎曲；第Ⅱ階段，鋼軌由軌底向平直階段恢復(fù)；第Ⅲ階段，鋼軌由平直階段向軌頭彎曲，終冷時刻鋼軌是彎向軌頭的。（3）不同冷卻方案中，鋼軌在冷卻過程中，溫度隨時間變化規(guī)律趨勢與自然空冷條件下是一致的，但鋼軌溫度降低的速率

4、不同。軌頭噴水20s平均溫降速率最大，達(dá)到0.277℃/s，軌頭噴水10s次之，達(dá)到0.184℃/s，自然空冷時最低，為0.092℃/s。自然空冷、軌頭噴水10s、軌頭噴水20s三種實驗方案中的撓度、應(yīng)力值對比分析結(jié)果表明：鋼軌在冷卻過程中，鋼軌軌頭噴水20s時終冷彎向軌頭的彎曲撓度最大0.5m、應(yīng)力值為200MPa，自然空冷時終冷彎向軌頭的彎曲撓度最小0.3m、應(yīng)力150MPa；三種冷卻方案中溫度-時間曲線的變化規(guī)律是一致的，曲線呈現(xiàn)