輪軌接觸特性及鋼軌損傷因素的理論及試驗研究.pdf

1、隨著我國鐵路向著高速化和重載化方向快速發(fā)展，由輪軌滾動接觸引起的鋼軌接觸疲勞裂紋、鋼軌磨耗、剝離掉塊等鋼軌損傷問題越來越嚴(yán)重，輪軌滾動接觸造成的鋼軌損傷已成為影響鋼軌使用壽命，威脅列車運(yùn)行安全的重要因素。輪軌滾動接觸引起的鋼軌損傷問題非常復(fù)雜，涉及到多個學(xué)科。分析鋼軌接觸疲勞和磨損的主要影響因素，研究傷損產(chǎn)生的機(jī)理和發(fā)展規(guī)律，對延長鋼軌的使用壽命以及提高列車運(yùn)行安全具有重要的現(xiàn)實意義。
　　論文采用有限元法，建立變摩擦系數(shù)條件下的

2、輪軌滾動接觸有限元模型，完成輪軌接觸的瞬態(tài)分析，并在此基礎(chǔ)上研究鋼軌剝離掉塊傷損的擴(kuò)展規(guī)律和影響因素。同時，論文設(shè)計往返動荷載作用下的輪軌接觸疲勞試驗機(jī)，采用試驗方法研究不同輪軌接觸狀態(tài)下鋼軌的傷損行為。論文受到國家自然科學(xué)基金重點項目“高速列車關(guān)鍵熱物理基礎(chǔ)問題研究”（51236003）的資助，開展的主要研究工作如下：
　?。?）詳細(xì)論述了鋼軌滾動接觸傷損的特征和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指明了鋼軌滾動接觸傷損的研究意義。
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3、）詳細(xì)論述了有限元法中的參變量變分原理、材料彈塑性分析、接觸原理和溫度場分析，為采用有限元法分析輪軌接觸問題提供了理論保障。
　?。?）采用擺式摩擦系數(shù)測試儀試驗方法對不同材料溫度條件下輪軌間的摩擦系數(shù)進(jìn)行測量，得到輪軌間摩擦系數(shù)隨材料溫度變化的曲線關(guān)系，并以此建立熱彈塑性輪軌接觸三維有限元模型，模型中考慮輪軌材料的非線性、輪軌材料間的熱傳遞以及輪軌材料與環(huán)境間的熱對流和熱輻射作用，研究了不同輪軌接觸狀態(tài)下接觸斑內(nèi)的應(yīng)力分布情況以

4、及鋼軌的溫升、應(yīng)力和應(yīng)變情況。研究表明，輪軌間的摩擦系數(shù)隨接觸斑處輪軌材料溫度的升高呈減小趨勢，采用常溫下的常摩擦系數(shù)得到的鋼軌溫升、應(yīng)力和應(yīng)變比采用變摩擦系數(shù)得到的結(jié)果大。軸重對鋼軌應(yīng)力和應(yīng)變的影響比滑動速度和滾動速度大。
　?。?）建立鋼軌表面剝離掉塊傷損條件下的輪軌接觸熱彈塑性平面應(yīng)變有限元模型，輪軌間采用與溫度相關(guān)的變摩擦系數(shù)，研究了鋼軌剝離掉塊傷損區(qū)的輪軌接觸沖擊行為。分析了不同剝離掉塊傷損尺寸、滑動速度、軸重以及不同常

5、摩擦系數(shù)對鋼軌應(yīng)力和應(yīng)變的影響。結(jié)果表明，鋼軌剝離掉塊傷損處的摩擦溫升、應(yīng)力和應(yīng)變均大于無傷損時的情況。車輪在經(jīng)過剝離掉塊時輪軌間會出現(xiàn)短暫的相互脫離，發(fā)生減載現(xiàn)象，增加了列車的脫軌幾率，嚴(yán)重威脅行車安全。剝離掉塊傷損處輪軌間的沖擊作用隨軸重的增加而增強(qiáng)，鋼軌的溫升、應(yīng)力和應(yīng)變均隨軸重和常摩擦系數(shù)的增加呈增大趨勢。滑動速度對鋼軌應(yīng)力的影響不大。
　?。?）針對國內(nèi)外室內(nèi)輪軌模擬試驗機(jī)多采用靜力加載方式的情況，本文設(shè)計了往返動荷載作

6、用下的輪軌接觸疲勞試驗機(jī)，考慮車輪的振動作用和摩擦溫升在輪軌接觸過程中對鋼軌疲勞損傷和磨損的影響，從微觀和宏觀方面分析了不同輪軌接觸狀態(tài)對鋼軌傷損的影響，并根據(jù)試驗結(jié)果，建立了車輪振動頻率和動荷載幅值影響下的鋼軌磨損量預(yù)測模型公式。結(jié)果表明，滑動接觸狀態(tài)下輪軌法向接觸力、車輪的動荷載以及動載系數(shù)均大于滾動接觸狀態(tài)下的值，滑動接觸條件下接觸斑附近的熱應(yīng)力遠(yuǎn)大于滾動接觸條件下的值，滑動接觸條件下鋼軌的磨損量和表面塑性應(yīng)變遠(yuǎn)大于滾動接觸條件下