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钢轨表面疲劳裂纹的扩展与预防研究
| 论文题名： | 钢轨表面疲劳裂纹的扩展与预防研究 |
| 关键词： | 轮轨接触;钢轨表面;疲劳裂纹;扩展速率;Hertz理论;疲劳断裂机理 |
| 摘要： | 轮轨接触疲劳是指轮轨接触过程中，在接触区，由于车轮对钢轨的循环力作用，使得钢轨表面或次表面形成微裂纹，随后微裂纹扩展，导致钢轨表面大块剥离，甚至发生断裂。随着铁路客货运量的增大和列车运行速度的提高，轮轨接触疲劳破坏变得越来越严重，直接威胁行车安全。因此，对钢轨表面疲劳裂纹进行研究，能够更加清晰的认识钢轨的疲劳断裂机理，进而改进钢轨的抗疲劳性能，延长钢轨的使用寿命;这样既能减少经营成本，又能降低运行风险。 本文通过有限元分析软件ANSYS，对含表面裂纹的轮轨接触疲劳问题进行研究。首先研究ANSYS求K因子的原理并验证其计算结果的正确性，随后分析轴重、摩擦力、摩擦系数、裂纹角度等因素对裂纹扩展的影响。本文研究主要得出如下结论: 1、在线弹性范围内，ANSYS计算K因子的精确度可以达到99.9％;当裂纹尖端的屈服范围很小时，属于小范围屈服，则此时塑性区的影响可忽略不计。 2、以赫兹理论的接触压力为基础，分析轮轨接触疲劳问题时，存在适用范围小、计算结果偏大、误差累计等缺点;而有限元法的接触压力不仅可以解决比较复杂的轮轨接触疲劳问题，计算结果精度也较高。 3、钢轨表面疲劳裂纹属于张开型和滑开型同时存在的复合型裂纹;当接触斑压在裂纹上时，裂纹闭合，接触斑趋近或离开裂纹时，裂纹张开;裂纹发生张开型破坏的最危险位置基本都发生在接触斑边缘位置。 4、随着轴重的增加，应力强度因子KⅠ呈增加趋势;而对于KⅡ，不考虑摩擦力时，KⅡ约为KⅠ的5％，纯滚动时，KⅡ约为KⅠ的20％，全滑动时，KⅡ约为KⅠ的55％，也就是摩擦力的存在，大大加剧了轮轨接触疲劳，但是摩擦力的影响往往依赖于轴重。 5、当裂纹与钢轨表面的夹角大于75°时，裂纹以张开型为主;在30°～75°之间时，KⅠ、KⅡ的值相差不大，此时钢轨表面裂纹的疲劳扩展由两者共同控制。随着裂纹角度的增加，KⅠ增加而KⅡ减小，其中，裂纹扩展速率最快的方向约为60°。 |
| 作者： | 曹世豪 |
| 专业： | 工程力学 |
| 导师： | 江晓禹 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 西南交通大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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