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原文传递高速动车组车轮踏面滚动接触疲劳的萌生机理研究

论文题名：	高速动车组车轮踏面滚动接触疲劳的萌生机理研究
关键词：	高速动车组;车轮踏面;滚动接触疲劳;动力学模型;安定图;损伤函数
摘要：	近年来，我国部分客运专线高速动车组的车轮踏面出现滚动接触疲劳裂纹的现象。为避免滚动接触疲劳裂纹对铁路运输安全性与经济性的潜在威胁，需及时对车轮采取必要的维修措施，而一个最优的维修策略须建立在对车轮踏面滚动接触疲劳萌生原因深刻认知的基础上，这是本论文工作的重要意义所在。本文的主要工作如下: 　　首先，针对车轮踏面滚动接触疲劳开展了仔细的文献调研工作，简述了目前对车轮踏面滚动接触疲劳裂纹分类及产生原因的认知，总结了影响车轮踏面滚动接触疲劳裂纹的主要因素。　　其次，详细介绍了三个动车运用所高速动车组车轮滚动接触疲劳的现场普查结果。统计了高速动车组车轮踏面滚动接触疲劳裂纹的发生位置、裂纹方向及其发生概率等特征，并就车轮踏面滚动接触疲劳与轮位、车辆运行里程等参数的相关性做了分析;同时，也就普查中发现的车轮踏面其它损伤形式的主要特征和发生概率做了介绍。结果表明，高速动车组车轮滚动接触疲劳裂纹的形成与列车曲线通过行为具有很大的关系，且只发生在低轨侧车轮名义滚动圆外侧15-30 mm的范围内。另外，为了给数值建模提供基础数据，普查中对车轮廓形和硬度进行了大量的测试，并在服役线路典型区段上对钢轨廓形和硬度等进行了测试。　　为了从数值模型研究车轮滚动接触疲劳的成因，首先建立了高速动车组车辆系统动力学模型。然后，介绍了分别基于安定图和损伤函数的车轮滚动接触疲劳预测方法。并对如何把动力学模型的计算结果引入到安定图和损伤函数来预测车轮滚动接触疲劳现象作了说明。　　将车辆和线路结构参数以及现场测试得到的轮轨型面数据作为上述建立的车辆系统动力学模型和车轮滚动接触疲劳损伤预测模型的输入条件，研究高速动车组车轮滚动接触疲劳裂纹的萌生机理。重点分析了不同运行里程下的车轮廓形及不同半径曲线对车轮踏面受力、踏面凹磨、轮对轮径差、车轮踏面等效锥度和轮轨接触点对分布等特征的影响。结果表明:调查的高速动车组车轮所出现的滚动接触疲劳由曲线通过时的低轨侧轮轨相互作用引发;低轨内侧轨距角因预打磨或磨耗变得过低、小半径曲线（3500米）通过行为、车轮踏面凹磨导致的轮径差和负等效锥度是影响车轮疲劳的主要因素。　　基于建立的模型，研究了轴重、一系纵向刚度、牵引扭矩、制动扭矩等车辆参数、轨底坡和轮轨摩擦系数等参数对高速动车组车轮踏面滚动接触疲劳裂纹的影响。结果发现:轴重小于14 t时，滚动接触疲劳损伤率随着轴重的增加而缓慢增加，更高的轴重会迅速增加滚动接触疲劳损伤率;曲线通过条件下，动车组车轮滚动接触疲劳损伤会随着一系纵向刚度的增加而增加，考虑到过低的一系纵向刚度会导致低的列车临界速度，故一系纵向刚度应存在一个平衡两方面要求的最优值;适当的牵引力会抵消车辆曲线通过时低轨侧车轮因轮对横移而产生的向后的纵向蠕滑力，这有利于减轻动车组车轮踏面的滚动接触疲劳损伤，然而过大的牵引力也同样会造成轮轨的伤损，仿真结果表明，最优牵引系数在0.05左右;制动力的作用与牵引力相反;动车组踏面滚动接触疲劳损伤率会随着摩擦系数的升高而显著增加;从动车组车轮踏面滚动接触疲劳角度来讲，我国选用的1∶40轨底坡是一个合理的选择，进一步增加轨底坡会加剧车轮踏面滚动接触疲劳的损伤率。在上述计算结果的基础上，提出了降低动车组车轮滚动接触疲劳建议措施。　　最后，就本文的结论做了说明，并展望了未来的研究方向。
作者：	卢纯
专业：	交通运输工程
导师：	温泽峰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文