基于熱力耦合的鋼軌接觸疲勞傷損研究.pdf

1、隨著列車(chē)速度、運(yùn)量和軸重大幅度提高，輪軌滾動(dòng)接觸疲勞破壞變得越來(lái)越嚴(yán)重。而熱損傷是高速重載車(chē)輪和鋼軌的主要失效形式之一，其引起的輪軌表面剝離破壞導(dǎo)致車(chē)輛軌道結(jié)構(gòu)激烈的振動(dòng)并產(chǎn)生噪音，不僅影響了乘坐舒適度，而且縮短軌道與機(jī)車(chē)車(chē)輛零部件的使用壽命，威脅鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。因此，開(kāi)展輪軌摩擦熱損傷分析的研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和理論指導(dǎo)意義。本論文根據(jù)輪軌間相互作用的特點(diǎn)，以貨車(chē)車(chē)輪、機(jī)車(chē)車(chē)輪和60kg/m鋼軌為研究對(duì)象，基于輪軌接觸理論、傳熱

2、學(xué)和斷裂力學(xué)理論，利用熱力耦合有限元方法計(jì)算分析了輪軌滾滑接觸時(shí)鋼軌的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布情況和鋼軌表面疲勞裂紋的擴(kuò)展特性。
　　 首先，利用有限元分析軟件ABAQUS建立了輪軌摩擦接觸時(shí)鋼軌的熱彈塑性平面應(yīng)變有限元模型。模型中考慮輪軌自由表面與環(huán)境的熱對(duì)流的影響，考慮溫度對(duì)材料參數(shù)的影響，通過(guò)在鋼軌表面上移動(dòng)法向壓力分布、切向力分布和摩擦熱源來(lái)模擬輪軌接觸區(qū)的移動(dòng)。計(jì)算了輪軌滾滑接觸時(shí)熱力耦合作用和只有機(jī)械載荷作用下的鋼軌表層材

3、料的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn)，以及殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變情況；并調(diào)查了不同摩擦系數(shù)、軸重和輪軌蠕滑率對(duì)鋼軌表層溫升、殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變的影響情況。分析結(jié)果表明：1)輪軌完全滑動(dòng)接觸時(shí)鋼軌表層最大Von Mises等效應(yīng)力發(fā)生在離鋼軌表面大約0.2 mm的次表面；殘余應(yīng)力應(yīng)變的影響主要在鋼軌表面大約10 mm范圍內(nèi)，考慮熱影響時(shí)鋼軌表面殘余應(yīng)力比不考慮熱影響的大；2)考慮熱影響時(shí)鋼軌表層的溫度隨摩擦系數(shù)和軸重的增大而增大，鋼軌表層殘余應(yīng)力也隨著

4、摩擦系數(shù)的增大而增大；3)分析輪軌滾滑接觸熱響應(yīng)時(shí)有必要考慮輪軌問(wèn)彈性蠕滑率的影響，輪軌滾滑接觸時(shí)熱載荷在鋼軌表層產(chǎn)生的周向和軸向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，其在蠕滑率小時(shí)有減小機(jī)械載荷產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力作用；4)在蠕滑率較大時(shí)熱響應(yīng)對(duì)殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變影響明顯，且當(dāng)蠕滑率增大到一定值時(shí)，考慮熱影響時(shí)熱力耦合作用下的周向殘余應(yīng)力和軸向殘余應(yīng)力都表現(xiàn)為拉應(yīng)力，而不考慮熱影響時(shí)二者表現(xiàn)為壓應(yīng)力。
　　 其次，建立了輪軌完全滑動(dòng)接觸時(shí)基于熱力

5、耦合作用下的帶有表面裂紋鋼軌的平面應(yīng)變有限元模型。計(jì)算了輪軌接觸面的摩擦系數(shù)、裂紋面間的摩擦系數(shù)和裂紋角度對(duì)鋼軌疲勞裂紋擴(kuò)展特性的影響。結(jié)果表明，機(jī)械載荷作用和熱力耦合作用下的鋼軌斜裂紋的剪切擴(kuò)展模式都占主導(dǎo)；對(duì)比于只有機(jī)械載荷的情況，考慮熱力耦合作用時(shí)鋼軌表面裂紋更易擴(kuò)展；減小輪軌接觸面摩擦系數(shù)和增加裂紋表面間摩擦系數(shù)和裂紋角度有助于阻止鋼軌表面斜裂紋的擴(kuò)展。
　　 最后，計(jì)算分析了輪軌完全滑動(dòng)接觸時(shí)鋼軌多裂紋間相互作用對(duì)裂紋