鋼軌波浪形磨損研究.pdf

1、鋼軌波浪形磨損(簡稱波磨)是鐵路工業(yè)界難以解決的技術問題。人們對它的觀察和研究已有一百多年的歷史。雖然人們通過理論和數(shù)值方法對鋼軌波磨初始形成和發(fā)展機理的認識有了很大的進展，但是迄今為止還沒有一種廣泛認同的統(tǒng)一有效的理論模型來解釋波磨初始形成機理和影響波磨發(fā)展的因素。隨著列車速度、軸重的提高、車流密度的加大和新型機車車輛結(jié)構(gòu)的推廣使用，鋼軌波磨現(xiàn)象變得日趨嚴重，因而導致較高的鐵路運輸成本，直接影響鐵路運輸安全。鋼軌波磨導致車輛軌道結(jié)構(gòu)激

2、烈的振動并產(chǎn)生噪聲，不僅影響旅客乘坐的舒適度和裝運貨物的完整，而且縮短結(jié)構(gòu)部件的使用壽命。因此，開展鋼軌波磨的研究具有很強的理論意義和工程應用背景。 受到國家自然科學基金重點項目“輪軌滾動接觸表面波浪形磨損和滾動接觸疲勞的研究”(59935100)、國家自然科學基金面上項目、高等學校全國優(yōu)秀博士學位論文作者專項基金和西南交通大學博士生創(chuàng)新基金等項目的資助，本文主要開展了以下幾方面的研究工作： (1)首先對國內(nèi)外鋼軌波磨的

3、研究歷史和現(xiàn)狀進行了詳細論述，明確了鋼軌波磨研究的意義和研究方向。 (2)建立了較為完整的鋼軌磨耗型波磨理論計算模型，模型中包含了車輛-軌道垂向橫向耦合動力學理論模型、輪軌材料摩擦磨損模型和改進的三維非赫茲滾動接觸理論模型，并發(fā)展了相應的數(shù)值程序。該模型是目前國內(nèi)外最完整最復雜的鋼軌波磨計算模型，突破了已有方法僅考慮輪軌垂向耦合振動對鋼軌波磨形成的影響和僅借助赫茲滾動接觸理論進行型面損傷計算的局限性。用它不僅可以計算一個車輪和鋼

4、軌動力行為與摩擦磨損的循環(huán)作用過程，還可以同時計算半個車體一個轉(zhuǎn)向架四個車輪和鋼軌動力耦合作用與摩擦磨損的循環(huán)作用過程。利用該模型詳細分析計算了各種可能的軌道缺陷對鋼軌波磨形成和發(fā)展的影響，得到了大量的數(shù)據(jù)結(jié)果，這些結(jié)果對進一步認識鋼軌波磨初始形成與發(fā)展機理和解決鋼軌波磨問題有重要的參考價值。使用1∶1試驗裝置對鋼軌磨耗型波磨計算模型進行了試驗驗證。鋼軌磨耗型波磨理論模型與試驗結(jié)果吻合較好。 (3)針對過去人們進行滾動接觸應力分

5、析只局限于穩(wěn)態(tài)的情形，本文建立了二維彈塑性非穩(wěn)態(tài)滾動接觸有限元模型。模型中材料本構(gòu)采用能較好描述材料棘輪效應的循環(huán)塑性模型。分別研究純滾動、全滑動、牽引滾動和多步載荷條件下鋼軌的殘余應力、應變和變形，得出了鋼軌材料在反復滾壓條件下應力、應變和變形的變化規(guī)律。研究認為，滾動接觸疲勞和滾動體波狀表面形成和發(fā)展機理的研究應當考慮非穩(wěn)態(tài)載荷和材料的循環(huán)塑性變形。 (4)建立了考慮車輛-軌道垂向耦合動力學模型、非穩(wěn)態(tài)滾動接觸有限元模型和C

6、arter二維滾動接觸蠕滑理論模型為一體的鋼軌塑流型波磨理論模型。模型中考慮到輪軌之間的動力作用對鋼軌塑流型波磨形成和發(fā)展的影響以及鋼軌接觸表面材料不均勻塑性變形對車輛軌道動力行為的反饋作用。同時材料在反復滾壓條件下棘輪效應和殘余變形累積對波磨的影響也得到考慮。研究了非穩(wěn)態(tài)載荷條件下塑流型波磨的形成和發(fā)展；研究了鋼軌垂向凹坑對塑流型波磨形成和發(fā)展的影響；分析了考慮材料塑性變形時鋼軌初始波磨隨車輛通過次數(shù)增加的演化規(guī)律。詳細分析了塑流型波

7、磨波谷和波峰材料的力學行為，如應力、應變和材料塑性流動的速率等。 (5)通過現(xiàn)場考察、損傷鋼軌數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析發(fā)現(xiàn)，我國重載鐵路和山區(qū)鐵路線鋼軌接頭區(qū)鋼軌沖擊壓潰和斷裂較為嚴重，鋼軌接頭往往要引發(fā)鋼軌波磨的形成和發(fā)展。因此，建立了鋼軌軌縫處輪軌接觸-沖擊三維彈塑性有限元模型，模型中考慮了多體接觸問題。對車輪通過軌縫時沖擊鋼軌接頭過程進行仿真模擬計算，詳細分析沖擊過程中軌頭的應力應變分布情況?？紤]了軸重、列車速度、材料的屈服強度和強