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原文传递轮轨接触特性及钢轨损伤因素的理论及试验研究

论文题名：	轮轨接触特性及钢轨损伤因素的理论及试验研究
关键词：	轮轨滚动接触;钢轨损伤;变摩擦系数;剥离掉块;疲劳试验
摘要：	随着我国铁路向着高速化和重载化方向快速发展，由轮轨滚动接触引起的钢轨接触疲劳裂纹、钢轨磨耗、剥离掉块等钢轨损伤问题越来越严重，轮轨滚动接触造成的钢轨损伤已成为影响钢轨使用寿命，威胁列车运行安全的重要因素。轮轨滚动接触引起的钢轨损伤问题非常复杂，涉及到多个学科。分析钢轨接触疲劳和磨损的主要影响因素，研究伤损产生的机理和发展规律，对延长钢轨的使用寿命以及提高列车运行安全具有重要的现实意义。　　论文采用有限元法，建立变摩擦系数条件下的轮轨滚动接触有限元模型，完成轮轨接触的瞬态分析，并在此基础上研究钢轨剥离掉块伤损的扩展规律和影响因素。同时，论文设计往返动荷载作用下的轮轨接触疲劳试验机，采用试验方法研究不同轮轨接触状态下钢轨的伤损行为。论文受到国家自然科学基金重点项目“高速列车关键热物理基础问题研究”（51236003）的资助，开展的主要研究工作如下：　　（1）详细论述了钢轨滚动接触伤损的特征和国内外研究现状，指明了钢轨滚动接触伤损的研究意义。　　（2）详细论述了有限元法中的参变量变分原理、材料弹塑性分析、接触原理和温度场分析，为采用有限元法分析轮轨接触问题提供了理论保障。　　（3）采用摆式摩擦系数测试仪试验方法对不同材料温度条件下轮轨间的摩擦系数进行测量，得到轮轨间摩擦系数随材料温度变化的曲线关系，并以此建立热弹塑性轮轨接触三维有限元模型，模型中考虑轮轨材料的非线性、轮轨材料间的热传递以及轮轨材料与环境间的热对流和热辐射作用，研究了不同轮轨接触状态下接触斑内的应力分布情况以及钢轨的温升、应力和应变情况。研究表明，轮轨间的摩擦系数随接触斑处轮轨材料温度的升高呈减小趋势，采用常温下的常摩擦系数得到的钢轨温升、应力和应变比采用变摩擦系数得到的结果大。轴重对钢轨应力和应变的影响比滑动速度和滚动速度大。　　（4）建立钢轨表面剥离掉块伤损条件下的轮轨接触热弹塑性平面应变有限元模型，轮轨间采用与温度相关的变摩擦系数，研究了钢轨剥离掉块伤损区的轮轨接触冲击行为。分析了不同剥离掉块伤损尺寸、滑动速度、轴重以及不同常摩擦系数对钢轨应力和应变的影响。结果表明，钢轨剥离掉块伤损处的摩擦温升、应力和应变均大于无伤损时的情况。车轮在经过剥离掉块时轮轨间会出现短暂的相互脱离，发生减载现象，增加了列车的脱轨几率，严重威胁行车安全。剥离掉块伤损处轮轨间的冲击作用随轴重的增加而增强，钢轨的温升、应力和应变均随轴重和常摩擦系数的增加呈增大趋势。滑动速度对钢轨应力的影响不大。　　（5）针对国内外室内轮轨模拟试验机多采用静力加载方式的情况，本文设计了往返动荷载作用下的轮轨接触疲劳试验机，考虑车轮的振动作用和摩擦温升在轮轨接触过程中对钢轨疲劳损伤和磨损的影响，从微观和宏观方面分析了不同轮轨接触状态对钢轨伤损的影响，并根据试验结果，建立了车轮振动频率和动荷载幅值影响下的钢轨磨损量预测模型公式。结果表明，滑动接触状态下轮轨法向接触力、车轮的动荷载以及动载系数均大于滚动接触状态下的值，滑动接触条件下接触斑附近的热应力远大于滚动接触条件下的值，滑动接触条件下钢轨的磨损量和表面塑性应变远大于滚动接触条件下的值。轮轨滚动接触条件下钢轨的的伤损以接触疲劳裂纹为主，滑动接触条件下钢轨的伤损以磨损为主。轮轨法向接触力和车轮动荷载的最大值随轴重和滑动速度的增加呈增大趋势。钢轨的摩擦温升随轴重、滑动速度和车轮振动频率的增加呈升高趋势。钢轨的磨损量随轴重的增加呈增大趋势，随滑动速度和车轮振动频率的增加呈减小趋势。本文建立的钢轨磨耗量预测模型具有良好的预测效果，可为现场预测钢轨磨耗量提供了一定的参考价值。
作者：	刘洋
专业：	道路与铁道工程
导师：	吴亚平
授予学位：	博士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文