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基于三维有限元模型的轮轨磨损研究
| 论文题名： | 基于三维有限元模型的轮轨磨损研究 |
| 关键词： | 铁路运输;轮轨磨损;瞬态分析;动力学分析 |
| 摘要： | 随着铁路运输向着高速化、重载化的趋势发展，轮轨磨损作为列车运行过程中产生的不可避免的危害显得愈发严重。为了做好铁路运营和维护工作，迫切需要对当前铁路的轮轨磨损规律进行深入研究，以便为相关部门制定镟修计划等提供技术支持。 为了研究轮轨材料硬度匹配比对车轮磨损的影响，在中国铁道科学研究院金化所利用轮轨滚动接触的小比例试验台，进行不同轮轨材料硬度匹配下在干燥环境中的车轮小试样磨损试验。试验每进行1万转时，取下车轮试样进行多次清洗，利用电子天平称量其质量损失即车轮磨损量;利用自制的小轮多边形磨损测量设备测量试样车轮的周向形貌，即多边形磨损。取几组试样中硬度比为0.95的轮轨试样作为研究对象，发现其车轮试样每万转磨损量为0.176g;车轮表面具有明显的16阶多边形磨损。 利用Hypermesh建立二维和三维的轮轨滚动接触瞬态分析的有限元模型，将小比例轮轨滚动接触试验台的工况加载到有限元轮轨模型上。根据轮轨接触理论，利用显式动力学分析程序LS-DYNA进行轮轨滚动接触瞬态分析。由于直接利用瞬态方法进行轮轨接触分析所需稳定时间长计算量大，因而我们采用隐式-显式序列分析算法，先计算静态模型的应力再将其导入动态模型中，使轮轨滚动接触模型获得了较好的稳定状态。 在三维轮轨滚动接触瞬态分析模型的基础上，根据Archard磨损模型可以计算车轮模型的表面节点平均磨损深度。假定试验工况下轮轨间的磨损系数k为1，利用有限元仿真的平均磨损深度与小试样试验得出的平均磨损深度相比对，反算出真实的磨损系数值。再利用求出的磨损系数，分别建立5％、1.5％、1％轮轨蠕滑率下的车轮模型和幅值为0.014mm、0.02mm的16阶正弦多边形车轮模型，分析不同工况下轮轨磨损的变化规律。 研究结果表明，利用轮轨磨损试验机得出车轮磨损量，再结合三维有限元模型对轮轨滚动接触进行瞬态分析求出其磨损值的数值解，反算出试验条件下的轮轨磨损系数是一种切实可用的研究方法;求出摩擦磨损试验中轮轨试样的磨损系数为3.9×10-5，车轮在转动6万转后呈16阶多边形磨损;车轮磨损随着轮轨滑差率的变化而变化，且呈线性增加;多边形磨损中，正弦波的波峰处磨损值远小于波谷处的磨损值。铁路运营维护部门可以利用上述数值模拟方法得出车轮镟修距离，以便进行及时维护。 |
| 作者： | 王项 |
| 专业： | 固体力学 |
| 导师： | 柯燎亮;常崇义 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 北京交通大学 |
| 学位年度： | 2018 |
| 正文语种： | 中文 |
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