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原文传递钢轨波浪形磨损研究

论文题名：	钢轨波浪形磨损研究
关键词：	轮轨滚动接触;钢轨波浪形磨损;有限元;非稳态分析;塑性变形;铁路工程;棘轮效应
摘要：	钢轨波浪形磨损(简称波磨)是铁路工业界难以解决的技术问题。人们对它的观察和研究已有一百多年的历史。虽然人们通过理论和数值方法对钢轨波磨初始形成和发展机理的认识有了很大的进展，但是迄今为止还没有一种广泛认同的统一有效的理论模型来解释波磨初始形成机理和影响波磨发展的因素。随着列车速度、轴重的提高、车流密度的加大和新型机车车辆结构的推广使用，钢轨波磨现象变得日趋严重，因而导致较高的铁路运输成本，直接影响铁路运输安全。钢轨波磨导致车辆轨道结构激烈的振动并产生噪声，不仅影响旅客乘坐的舒适度和装运货物的完整，而且缩短结构部件的使用寿命。因此，开展钢轨波磨的研究具有很强的理论意义和工程应用背景。受到国家自然科学基金重点项目“轮轨滚动接触表面波浪形磨损和滚动接触疲劳的研究”(59935100)、国家自然科学基金面上项目、高等学校全国优秀博士学位论文作者专项基金和西南交通大学博士生创新基金等项目的资助，本文主要开展了以下几方面的研究工作： (1)首先对国内外钢轨波磨的研究历史和现状进行了详细论述，明确了钢轨波磨研究的意义和研究方向。 (2)建立了较为完整的钢轨磨耗型波磨理论计算模型，模型中包含了车辆-轨道垂向横向耦合动力学理论模型、轮轨材料摩擦磨损模型和改进的三维非赫兹滚动接触理论模型，并发展了相应的数值程序。该模型是目前国内外最完整最复杂的钢轨波磨计算模型，突破了已有方法仅考虑轮轨垂向耦合振动对钢轨波磨形成的影响和仅借助赫兹滚动接触理论进行型面损伤计算的局限性。用它不仅可以计算一个车轮和钢轨动力行为与摩擦磨损的循环作用过程，还可以同时计算半个车体一个转向架四个车轮和钢轨动力耦合作用与摩擦磨损的循环作用过程。利用该模型详细分析计算了各种可能的轨道缺陷对钢轨波磨形成和发展的影响，得到了大量的数据结果，这些结果对进一步认识钢轨波磨初始形成与发展机理和解决钢轨波磨问题有重要的参考价值。使用1∶1试验装置对钢轨磨耗型波磨计算模型进行了试验验证。钢轨磨耗型波磨理论模型与试验结果吻合较好。 (3)针对过去人们进行滚动接触应力分析只局限于稳态的情形，本文建立了二维弹塑性非稳态滚动接触有限元模型。模型中材料本构采用能较好描述材料棘轮效应的循环塑性模型。分别研究纯滚动、全滑动、牵引滚动和多步载荷条件下钢轨的残余应力、应变和变形，得出了钢轨材料在反复滚压条件下应力、应变和变形的变化规律。研究认为，滚动接触疲劳和滚动体波状表面形成和发展机理的研究应当考虑非稳态载荷和材料的循环塑性变形。 (4)建立了考虑车辆-轨道垂向耦合动力学模型、非稳态滚动接触有限元模型和Carter二维滚动接触蠕滑理论模型为一体的钢轨塑流型波磨理论模型。模型中考虑到轮轨之间的动力作用对钢轨塑流型波磨形成和发展的影响以及钢轨接触表面材料不均匀塑性变形对车辆轨道动力行为的反馈作用。同时材料在反复滚压条件下棘轮效应和残余变形累积对波磨的影响也得到考虑。研究了非稳态载荷条件下塑流型波磨的形成和发展；研究了钢轨垂向凹坑对塑流型波磨形成和发展的影响；分析了考虑材料塑性变形时钢轨初始波磨随车辆通过次数增加的演化规律。详细分析了塑流型波磨波谷和波峰材料的力学行为，如应力、应变和材料塑性流动的速率等。 (5)通过现场考察、损伤钢轨数据统计和分析发现，我国重载铁路和山区铁路线钢轨接头区钢轨冲击压溃和断裂较为严重，钢轨接头往往要引发钢轨波磨的形成和发展。因此，建立了钢轨轨缝处轮轨接触-冲击三维弹塑性有限元模型，模型中考虑了多体接触问题。对车轮通过轨缝时冲击钢轨接头过程进行仿真模拟计算，详细分析冲击过程中轨头的应力应变分布情况。考虑了轴重、列车速度、材料的屈服强度和强化模量等因素对轨头应力应变的影响。为进一步探讨轨头被冲击破坏的机理和改善铁路轨缝连接方式提供有效的方法和基础。
作者：	温泽峰
专业：	载运工具运用工程
导师：	金学松
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文