車(chē)輪踏面滾動(dòng)接觸疲勞損傷研究.pdf

1、輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷是鐵路工業(yè)界難以解決的技術(shù)問(wèn)題。隨著列車(chē)速度、軸重的提高，輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷現(xiàn)象變得日趨嚴(yán)重，導(dǎo)致較高的鐵路運(yùn)輸成本，直接影響鐵路運(yùn)輸安全。雖然人們通過(guò)理論和數(shù)值方法對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷有一定程度的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于不同類(lèi)型疲勞損傷形成機(jī)理并沒(méi)有完全理解和掌握。因此，開(kāi)展輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷研究具有重要的理論指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用背景。
　　本文在詳細(xì)論述輪軌滾動(dòng)接觸疲勞破壞現(xiàn)象分類(lèi)及其研究歷史與現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，主要以

2、車(chē)輪踏面滾動(dòng)接觸剝離損傷現(xiàn)象為研究對(duì)象，采用輪軌滾動(dòng)接觸理論與有限元仿真計(jì)算相結(jié)合的方法，研究移動(dòng)載荷條件下車(chē)輪踏面剝離損傷的形成過(guò)程。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1、建立了車(chē)輪滾動(dòng)接觸三維彈塑性有限元模型。模型中接觸斑形狀、黏著區(qū)和滑動(dòng)區(qū)劃分、接觸法向應(yīng)力和切向應(yīng)力分布由Kalker三維非Hertz滾動(dòng)接觸理論確定。采用能描述材料塑性累積的循環(huán)塑性本構(gòu)模型，研究了不同滾動(dòng)接觸條件下車(chē)輪的殘余應(yīng)力、應(yīng)變和變形，獲得車(chē)輪材料在循環(huán)滾動(dòng)接

3、觸條件下，應(yīng)力、應(yīng)變和變形的變化規(guī)律。
　　2、通過(guò)車(chē)輪滾動(dòng)接觸三維彈塑性有限元模型，將仿真計(jì)算得到的應(yīng)力應(yīng)變歷程作為多軸低周疲勞預(yù)測(cè)模型的輸入量，用以預(yù)測(cè)車(chē)輪材料在滾動(dòng)接觸條件下疲勞裂紋萌生位置和萌生循環(huán)數(shù)等。最后車(chē)輪將滾動(dòng)接觸疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)有滾動(dòng)接觸疲勞雙盤(pán)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了滾動(dòng)接觸疲勞壽命預(yù)測(cè)方法的可行性。
　　3、建立了帶缺陷孔的車(chē)輪滾動(dòng)接觸彈塑性有限元模型。模型中考慮了循環(huán)移動(dòng)載荷條件下車(chē)輪材料缺

4、陷孔處殘余變形累積。采用基于應(yīng)變能的疲勞損傷參量和基于臨界平面法的多軸低周疲勞模型，研究了法向接觸載荷、缺陷孔深度和摩擦系數(shù)對(duì)材料缺陷孔處疲勞損傷參量和疲勞裂紋萌生循環(huán)數(shù)的影響，獲得了疲勞損傷參量在不同參數(shù)影響下沿缺陷孔圓周的分布規(guī)律。
　　4、建立了表面斜裂紋、亞表面裂紋和表面多裂紋三種不同形式裂紋的有限元模型，運(yùn)用線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)理論分析了車(chē)輪在移動(dòng)載荷作用下裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化規(guī)律。研究了垂向接觸載荷、表面摩擦系數(shù)、裂紋

5、面摩擦系數(shù)、裂紋長(zhǎng)度、斜裂紋角度、多裂紋間距和制造殘余應(yīng)力等因素對(duì)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子特性的影響。基于裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化規(guī)律，分析了不同作用工況下裂紋的擴(kuò)展特性。
　　5、基于以上對(duì)不同形式裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子特性的研究，采用適用于多軸非比例載荷作用條件下的裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則，研究了表面斜裂紋、亞表面裂紋和表面多裂紋三種形式的初始裂紋在多種工況下的裂紋擴(kuò)展行為，得到了不同形式裂紋在移動(dòng)載荷條件下的裂紋擴(kuò)展路徑，揭示了車(chē)輪踏面材料