关键词： 轮轨材料   激光离散淬火   磨损   损伤   接触疲劳寿命  

摘要： 随着铁路运输高速化与重载化的快速发展,轮轨磨损与疲劳损伤问题变得日益严重,对轮轨材料进行激光表面处理是一种先进的技术手段。激光离散淬火处理技术通过在材料表面加工出一定规则排列的激光硬化区域,来避免回火软化的搭接区,形成激光硬化区与基体软硬相间的结构。激光离散技术在轮轨材料表面的运用,具有提高耐磨性与抗疲劳性能的作用,有利于延长轮轨的服役寿命。论文采用CO激光器在轮轨试样表面进行激光离散淬火处理,研究了激光功率和激光淬火时间对轮轨试样淬火层表面硬度、表面质量及淬硬层深度的影响;在获得最佳的激光工艺参数基础上,在轮轨试样表面加工出三种不同激光淬火间距。在干态和水介质条件下,利用MJP-30A滚动磨损与接触疲劳试验机分别对最佳工艺参数下激光离散淬火轮轨试样的磨损与接触疲劳寿命进行了研究。论文研究主要结论如下:(1)在激光淬火光斑尺寸Φ5mm、离焦量32.5mm情况下,轮轨试样最佳激光离散淬火工艺参数为激光功率900W、淬火时间0.6s。(2)轮轨试样磨损率随激光淬火间距的增大而增加,其中0.3mm淬火间距轮轨试样的减磨效果最好,车轮和钢轨试样的磨损率分别降低约35.7%和66.8%;随激光淬火间距的增大,未处理区的损伤变得严重,由小块剥落向大块剥落损伤转变,淬火区塑性变形厚度增加,剖面损伤变得严重。(3)干态下轮轨试样均激光离散淬火处理后磨损率显著降低,轮轨系统平均磨损率减小约49.2%,单一激光离散淬火车轮或钢轨试样能大幅减轻处理试样的磨损,但同时会加剧对摩试样的磨损;激光离散淬火处理后的轮轨试样表面损伤明显减轻,主要磨损机制为疲劳磨损,淬火区之间的基体区域表面以小块剥落为主并伴随一定的疲劳磨损;激光离散淬火能够增强材料的抗塑性变形能力,抑制裂纹的萌生,同时能够保护相邻基体材料,阻碍裂纹的扩展,从而提高了轮轨材料的抗疲劳性能。(4)水介质条件下,轮轨试样均激光离散淬火处理和单一处理车轮试样的接触疲劳寿命分别提高约101.9%和75.2%,而单一钢轨处理导致车轮试样提前失效,疲劳寿命降低约47.6%;轮轨试样均处理后失效试样表面和剖面损伤明显减轻,仅在两淬火区之间的基体区产生相对较小的剥离坑,处理试样的抗疲劳剥离性能显著提高;在淬火区未发现疲劳裂纹,在基体区的小块剥离坑底部产生裂纹,且扩展方向单一,在基体材料内部沿着淬火相变区域边缘方向扩展。

关键词： U75V钢轨   ER7车轮钢   低周疲劳   本构模型   疲劳失效模型  

摘要： 当前我国铁路运输事业正面临着蓬勃发展的新阶段,随着车辆轴重、行车密度及通行总重的进一步提高,钢轨和车轮的服役环境近乎苛刻。以往的研究中,多针对车轮或钢轨一种材料进行实验和模型研究,同时对钢轨和车轮钢两种材料进行的研究尚显不足。亟待对车轮和钢轨钢材料开展棘轮-疲劳交互作用实验研究,了解材料的循环特性以及棘轮-疲劳交互作用对材料疲劳寿命的影响,进而建立能够较为精确描述U75V钢轨和ER7车轮钢材料循环特性和棘轮行为的循环本构模型,最终建立能够准确预测轮轨钢材料疲劳失效寿命的疲劳失效模型。研究成果不仅可以用于评估轮轨钢材料的疲劳失效寿命,也将为车轮和钢轨材料的在役服役性能评估提供重要的评估手段。本文的主要工作总结如下:1)为了探究U75V钢轨和ER7车轮钢材料的循环特性和棘轮行为,在室温下对材料进行低周应力和应变控制下的循环变形实验。研究表明,U75V钢轨材料在初始循环(约80圈)下,表现出明显的循环软化特性,且应变幅值越小软化现象越明显;材料的棘轮行为与应力幅值、平均应力和应力比密切相关,在初始循环下随循环周次的增加而迅速增长,但很快达到准安定状态。棘轮演化对U75V钢轨材料的低周疲劳寿命影响并不是单一的增大或减小材料的疲劳寿命,而是与棘轮应变率有关。当应变幅值小于0.6%时,ER7车轮钢材料在初始循环下(约30圈)表现出明显的循环软化现象,但很快达到稳定状态,当应变幅值大于0.6%时,ER7车轮钢材料表现出初始循环硬化现象,但随即进入准安定状态。2)为定量地描述U75V钢轨和ER7车轮钢材料的循环塑性变形,基于已有的弹塑性本构模型,在各向同性硬化律中引入了与累积塑性应变有关的饱和应力幅值方程,在非线性随动硬化律中引入与累积塑性应变有关的棘轮参数来控制棘轮演化从初始加速到迅速达到准安定状态过程。基于隐式应力积分法和一致性切线刚度矩阵推导,对改进的循环塑性本构模型进行了有限元实现,对两种材料的循环特性和棘轮行为进行模拟并与实验结果了比较。结果表明改进的循环塑形本构模型能够很好地描述U75V钢轨和ER7车轮钢材料的循环变形特性和棘轮演化行为。3)在对已有疲劳失效寿命预测模型进行评估的基础上,同时考虑应变能密度和棘轮应变率的影响,建立了改进的疲劳失效模型,进而对U75V钢轨和ER7车轮钢材料的疲劳失效寿命进行了预测。结果表明,改进的疲劳失效模型能够较为精确地预测两种材料的疲劳失效寿命。

关键词： 高速列车轮对   弹性   旋转走行   动力学性能   运行安全性  

摘要： 随着高速铁路技术稳步发展,列车高速运行使轮轨系统相互作用更加激烈,轮对弹性特征及其旋转走行形式对高速轮轨系统运用安全、结构振动、轮轨接触及磨耗、曲线通过能力等动力学性能的影响不容忽视。本文基于我国现役的高速动车组,建立了考虑轮对弹性及旋转走行的车辆-轨道系统动力学模型,对旋转走行轮对发生弹性变形后轮轨接触、走行关系、轮轨附加动力等的变化规律,车辆系统振动性能,曲线通过安全及轮轨磨耗,车轮踏面缺陷冲击作用下列车运行安全性和轮轴压装部位疲劳性能等问题开展深入研究。本论文的主要研究内容如下:(1)基于旋转Timoshenko梁模型对轮对弹性化处理,建立了车辆-轨道系统刚-弹耦合动力学模型,并借助有限元软件和多体动力学软件建立了考虑轮轨系统主要部件弹性模态的车辆-轨道系统弹性动力学模型。分别利用两种模型仿真分析了车辆系统直线运行性能,并与线路测试结果进行比较,两种模型均能较为准确地反映轮轨系统动力学性能及轮对旋转振动特征,弹性动力学模型用于研究高速轮轨系统振动传递规律可以得到更加精确的结果。(2)建立考虑轮对弹性和旋转走行的车辆-轨道系统动力学模型,研究了高速列车分别在直线和曲线通过时,轮对弯曲变形的差异,及其旋转走行对轮轨接触特性、轮轨动态作用力及轮对振动性能的影响。轮对垂向振动存在旋转频率特征,其对应的频率值和振动能量随列车运行速度提高而增大。轮对旋转振动频率会向上传递,对构架和车体振动也有明显影响。轮对不同弹性模态特征对车辆系统临界速度,轮轨接触点横向位置,轮轨蠕滑及磨耗性能等均有一定影响,车辆系统在直线运行时的横向动力学性能主要受车轴二阶、四阶弯曲和车轮同向伞形等模态特征影响;在曲线通过时,轮轨系统横向动力学性能主要受车轴扭转、一阶和二阶弯曲模态特征影响。(3)建立考虑轮对弹性和旋转走行的车辆-轨道系统动力学模型,分析了曲线轨道上轮轴弹性变形特征,及弹性变形与旋转对轮对横向移动和轮轨蠕滑性能的影响;得到了轮对不对称弯曲变形引起的偏心现象在轮对旋转走行作用下产生科氏加速度,使轮对横向运动偏向轨道外侧;给出了曲线通过速度,线路不平顺激扰,曲线超高值和曲线半径等因素对轮轨接触特性、列车运行安全性及轮轨磨耗的影响规律。(4)建立考虑车轮踏面凹陷的车轮扁疤伤损和车轮多边形磨损三维模型,真实反映实际运用过程中车轮踏面缺陷外形。在轮对旋转走行过程中不断更新车轮踏面,实现了车轮踏面缺陷对轮轨系统周期性冲击,研究了在不同类型和不同几何尺寸的车轮踏面缺陷冲击作用下,车辆系统振动和轮轨作用力的变化规律。随着列车运行速度提高,车轮扁疤冲击作用下轮轨垂向作用力最大值呈现先增大后减小的规律,车轮多边形冲击作用下轮轨系统振动和作用力均会明显增大,并结合列车运行安全性指标,给出了不同速度等级下车轮扁疤伤损和车轮前三阶多边形磨耗安全限值。(5)建立考虑轮轴压装部位过盈配合的轮对有限元模型,轮轴压装过盈量、轮轨垂向静态载荷、轮对旋转速度及车轮踏面缺陷均对轮轴压装部位接触应力有一定影响。轮对高速旋转会减小轮轴压装部位接触应力。车轮踏面缺陷的中高频冲击对轮轴压装部位接触应力的影响不容忽视,且压装部位接触应力与轮轨垂向载荷也不再成单一线性关系。在保障安全运营前提下,车轮扁疤伤损和车轮多边形磨耗冲击作用力对应的Findley应力均小于疲劳极限要求。

关键词： 滚动接触疲劳   直裂纹   斜裂纹   动态应力场强度因子   显式有限元法  

摘要： 随着列车速度的提高和轴重的增加,轮轨间滚动接触疲劳已逐渐成为国内外钢轨损伤的主要形式之一,若处理不及时,疲劳裂纹将持续扩展最终导致断轨和崩轮,因此对于钢轨表面疲劳裂纹的萌生和扩展研究显得尤为重要。随着计算机技术的发展,在过去的几十年里,部分学者基于Abaqus和Ansys等有限元软件研究钢轨表面裂纹的扩展行为,也有学者基于Sympack等动力学软件研究钢轨的疲劳寿命,但大多数是建立静态或准静态模型研究二维裂纹问题。正因为之前学者研究的不足,本文中采用虚拟裂纹闭合技术研究三维裂纹的瞬态扩展行为,为理解滚动接触疲劳的扩展机理和优化其防治措施提供支撑。为了研究三维裂纹的瞬态扩展行为,本文基于国内某条高速线路,采用ANSYS-LS/DYNA建立了考虑钢轨表面疲劳裂纹的三维轮轨瞬态滚动接触模型,于时域内分析了轮轨滚滑作用下疲劳裂纹的瞬态扩展行为。模型中可以充分考虑轮轨的几何型面,轮轨间和裂纹面接触均采用"面-面"接触算法定义,切向接触满足库伦摩擦定律。本文通过设置该"面-面"接触来求解轮轨间和裂纹面间的法、向瞬态滚动接触响应,并且可求得轮轨接触斑内的"粘-滑"分布,分析车轮滚过裂纹缺陷处的高频响应,再现车轮滚过裂纹缺陷时的冲击行为,着重分析轮轨间、裂纹面间接触解和裂尖应力场强度因子。本文中计算裂尖应力场强度因子采用虚拟裂纹闭合技术,不考虑裂纹面之间的间隙,即两个裂纹面上的离散节点完全重合。本文计算过程中主要分为两步,首先基于裂尖节点力和裂尖附近重合节点的位移差计算出应变能释放率,然后基于应变释放率和应力场强度因子的相互关系计算出KⅠ、KⅡ和KⅢ。由于模型中建立了三维裂纹,其裂尖均由一些离散的节点构成,故可以研究裂尖应力场强度因子沿裂尖的分布情况。为了验证模型的必要性,本文建立了带三维裂纹的静态模型,主要方法是将车轮平行的移动到钢轨表面的不同位置,并求得轮轨间、裂纹面间接触解和裂尖应力场强度因子。同时,本文也采用动态模型求得相同裂纹尺寸下的结果,将静态计算的结果与动态进行对比,最终发现发现利用静态模型计算得到的结果要比动态低,主要是由于静态裂纹模型中忽略了车轮滚过裂纹时产生的瞬态冲击力。对模型进行验证分析后,本文考虑较为简单的模型,即钢轨表面存在直裂纹的三维轮轨瞬态滚动接触模型,并且考虑了列车在牵引状态下,裂纹面摩擦系数、轮轨间粘着系数、裂纹深度和列车速度对于轮轨间和裂纹面接触力以及裂尖应力场强度因子的影响,得出的主要结论如下:轮轨滚滑状态下,直裂纹均闭合,其KⅠ值为0。当裂纹面摩擦系数由0变化到0.5时,|KⅡ|max降低了 20.66%,|KⅢ|max降低了 18.53%;轮轨黏着系数在0-0.5之间变化时,|KⅡ|max变化了 3.98%|KⅢ|max降低20.8%;当裂纹深度由0.5mm增大到3mm时,|KⅡ|max增大30.88%,|KⅢ|max降低20.06%;当列车速度在250-350km/h范围内变化时,轮轨间和裂纹面接触力以及裂尖应力场强度因子不发生变化。在实际的现场调查中很少存在直裂纹的情况,大多数是与轨面成一定夹角,因此为了进一步贴合实际,本文建立了带钢轨表面斜裂纹的三维瞬态轮轨滚动接触模型,考虑轮、轨均为线弹性材料时,列车处于牵引状态下,斜裂纹角度、斜裂纹长度和牵引系数对于钢轨表面斜裂纹瞬态扩展行为的影响。基于所得结果,可以得到以下结论:在不同的倾角下,斜裂纹均处于闭合状态,其KⅠ值均接近0,在所研究的四个角度下,以等效应力场强度因子Keq为评判标准,其值先降低后增加,在α=30°时达到最大,α=75°时达到最小,两者相差25.18%;牵引系数由0增大到0.4时,裂纹将会张开,裂尖应力场强度因子|KⅡ|max和|KⅢ|max幅值分别增大了 48.81%和 25.76%。最后,在考虑了直裂纹和斜裂纹的瞬态扩展行为后,本文对已经研究的内容进行总结并基于已有成果对未来研究进行了展望。

关键词： 重载运输   大轴重货车   轮轨磨耗   滚动接触   摩擦控制   轮轨界面管理  

摘要： 2006年,我国25t轴重货车投入大秦线运用;2014年新一代27t轴重货车在大秦线进行商业性线路运行,30t轴重货车在朔黄铁路开始运用考验。这些成就表明我国铁路货运已进入重载新时代。随着轴重增加,我国车轮、钢轨磨耗及各种动力学问题日渐突出。大秦线25t轴重运煤专用敞车95%以上车轮在2年内即须镟修。轮轨磨耗已严重制约重载运输发展,甚至危及行车安全,成为重载技术研究的核心问题之一。本文以既有货车轮轨磨耗的调查及线路试验为基础,建立了大轴重货车轮轨磨耗仿真模型,研究了我国铁路重载服役条件下轮轨界面管理对轮轨磨耗的影响、典型车轮磨耗的形成和控制、车轮磨耗与车辆动力学性能的演变关系、低动力转向架降低轮轨磨耗的效果、制动工况对轮轨磨耗的影响等一系列问题。具体的研究内容有以下几个方面:1.论文首先依据我国重载铁路货车的实际结构、参数和运用线路建立了货车动力学模型:斜楔等主要摩擦件采用粘着-滑动干摩擦模型;径向转向架导向臂等变形较大的主要部件则采用刚柔耦合动力学模型。研究结果表明:斜楔干摩擦接触模型得到的相对摩擦系数等结果与试验结果有很好的一致性,能反映垂向加载频率等外部条件对转向架减振能力的影响,并能模拟出斜楔横向减振力和转向架抗菱刚度的滞环特性;径向转向架U形副构架结构刚度对车辆动力学性能有一定影响,采用刚柔耦合动力学模型不但能得到更高的计算精度,还能得到动力学性能更优和更轻量化的设计。2.在上述车辆动力学模型基础上,本文将车辆动力学模型、轮轨接触模型、轮轨磨耗模型、轮轨外形更新及运行工况统一组织在动力学软件中,采用SIMPACK软件内嵌的子程序进行动力学计算和磨耗过程的工况和数据组织,实现了轮轨磨耗的自动迭代计算。基于轮轨蠕滑理论的轮轨接触和磨耗模型,对FASTSIM算法和CONTACT算法的计算效率和精度进行了对比,并将其运用到磨耗计算的不同阶段;采用切比雪夫多项式曲线拟合方法,进行磨耗轮轨外形的平滑计算,可有效的提高原始数据的光滑性,降低因局部毛刺形成的不真实多点接触,提高磨耗计算的鲁棒性。3.采用以上程序对我国大轴重货车轮轨界面管理的轮轨外形配合、材质选择及摩擦控制3个方面进行了研究。结果表明:标准LM踏面与R75轨配合时接触斑面积和接触应力变化剧烈,轮轨磨耗比R60轨明显增大,采用提高强度R60轨更符合我国重载铁路的实际情况;采用硬度更高的新型材质CL70钢车轮后,钢轨磨耗增加量远小于车轮磨耗的减少量。在所计算的工况下,钢轨磨耗面积最大仅增加约2.48%,而车轮磨耗面积却可降低约31.87%,具有较高的经济价值:轮轨摩擦控制可以显著降低轮轨磨耗,曲线轨侧摩擦控制主要减小外轨车轮轮缘和外轨轨角磨耗。轨侧+轨顶摩擦控制时不论直线还是曲线,均可同时减小两侧车轮和钢轨磨耗。4.调查显示车轮凹槽磨耗和车轮局部磨耗形成的扁疤是我国重载货车车轮磨耗的典型形式之一。本文以凹槽磨耗和车轮扁疤磨耗对车辆动力学性能和轮轨相互作用的影响为出发点,研究了其成因和发展,并建议我国重载货车车轮凹槽磨耗深度维修限度为2.0mm、车轮擦伤或剥离形成的扁疤深度维修限度为1.0mm。5.车轮磨耗与车辆动力学是相互耦合的。车轮磨耗与车辆运行里程、轴重和运行速度呈近似线性关系,据此并按车轮等量磨耗的计算方法,可以选择确定不同轴重下车辆的经济运营速度。此外,轮轨相互作用和磨耗的相关研究还表明,径向转向架是实现重载货车低动力、低运行阻力、低能耗和低磨耗的有效技术手段。6.假设闸瓦磨耗与轮瓦摩擦功成线性关系。将轮轨磨耗模型进行推广,建立了我国大轴重货车空气制动系统和转向架基础制动的动力学模型和车轮-闸瓦磨耗模型,并计算了制动工况下的闸瓦和轮轨磨耗。大秦线制动工况下,现有高摩合成闸瓦的磨耗率约为3.63mm/万km,考虑制动后车轮平均磨耗深度和磨耗面积将分别增加约6.21%和3.73%。

关键词： 车桥耦合   轮轨蠕滑作用   面接触   蠕滑率   LS-DYNA   轨道不平顺  

摘要： 桥梁是高速铁路线路上的重要一部分,其在高速铁路线路上大量使用。列车过桥时轮轨接触作用是车桥耦合产生的本质原因,有别于传统车桥耦合的点接触滑动,面接触和滚动蠕滑作用能更加真实地模拟实际列车运行时的轮轨接触状态,因此研究基于轮轨面接触的滚动蠕滑作用对车桥耦合振动效应的影响有非常重要的意义。本文首先将诸多传统车桥耦合方法进行对比,并运用ANSYS软件在平顺条件下以及不平顺条件分别下对几种传统方法进行验证,分析车桥耦合的基本特性。再通过LS-DYNA有限元软件建立三维面接触车桥耦合模型运用显式积分算法进行运算,与传统的点接触模型进行比较发现平顺条件下两者结果一致,这就证明了面接触算法的合理性,适用性,而不平顺条件下点接触算法有局限性,其结果会相对偏大。然后,介绍轮轨滚动接触蠕滑理论,将蠕滑作用引入车桥耦合振动分析中,在LS-DYNA面接触的模型基础上建立三维车桥耦合模型并在计算分析中加入轮轨蠕滑接触作用,分别讨论平顺条件下不同蠕滑率,不同接触面摩擦系数对车桥耦合振动效应的影响,以及轨道不平顺情况下蠕滑作用对车桥耦合振动效应的影响。得出结论:平顺条件下蠕滑作用影响桥梁的水平受力并会使跨中挠度增大;随着摩擦系数增大蠕滑作用会增大,其不利影响也会增大;不平顺条件下,蠕滑作用不仅影响桥梁的水平受力也会影响其垂向受力,对车桥耦合造成更大的不利影响。

关键词： 轮轨   动摩擦系数   瞬时滑动   不同温度体   试验研究  

摘要： 进入21世纪后我国处于经济高速增长的时期,经济的发展带动了我国的铁路建设。车轮与钢轨的摩擦是一个复杂的问题,它涉及到力学、化学、传热学等学科。我国的铁路正向高速重载的方向发展,这无疑对车轮与钢轨的摩擦性能提出了更高的要求。我们都知道列车的启动、制动以及正常行驶都是依靠车轮与钢轨的相互作用来实现的,作为影响轮轨摩擦性能的重要因素,轮轨摩擦系数的大小直接会影响机车制动力及牵引力的大小。列车在实际运行过程中,轮对的运动是十分复杂的,除了沿钢轨的蠕滑运动,还会存在横移和摇头运动,即沿钢轨横向、纵向滑动。需要注意的是,无论是轮对的纵向、横向滑动,还是列车启动时的蠕滑运动,车轮沿钢轨发生纯滑动的时间都是十分短暂的,即出现了瞬时滑动的现象。尤其在列车启动发生蠕滑的瞬间,滑动摩擦系数的大小直接影响车轮与钢轨间摩擦力的大小,对列车的牵引力和加速造成很大影响。列车制动时,随着车轮在钢轨上纯滑动,车轮接触点不变并且接触区域因热量叠加一直处于较高的温度,而钢轨的接触点在不断变化的,钢轨新的接触点温度要低于车轮接触点的温度,此时,轮轨接触区存在着温差。因此展开瞬时滑动状态下和温差状态下的轮轨摩擦系数试验研究具有很重要的意义。本文分别测定了轮轨摩擦副在常温和高温状态下的摩擦系数,得出的主要结论如下:(1)瞬时滑动状态下,滑动速度对动摩擦系数的影响较大,摩擦系数随速度的增加而缓慢降低;列车启动车轮发生蠕滑时,降低车轮的自旋速度,可以获得较大的摩擦系数,从而获得较大的牵引力,这对行车安全是有利的。(2)瞬时滑动状态下,载荷对摩擦系数影响较小;列车启动发生蠕滑时,增大列车的轴重,可以增大钢轨对车轮的摩擦力,从而使列车获得较大的牵引力,这对行车安全是有利的。(3)车轮试件温度、载荷、速度不变时,摩擦系数随钢轨温度呈现出阶段性变化,在钢轨温度分别为500℃、1000℃时出现了两个极点。(4)25℃至500℃阶段,钢轨温度对摩擦系数的影响较小,摩擦系数随钢轨温度的增加缓慢增大,其中轨温500℃时的摩擦系数最大为0.388。(5)500℃至1000℃阶段,钢轨温度对摩擦系数的影响相比第一阶段较大,摩擦系数随钢轨温度的增加而降低,其中钢轨温度为1000℃时的摩擦系数为0.256。(6)1000℃至1200℃阶段,钢轨温度对摩擦系数的影响较大,摩擦系数随钢轨温度的增加而急剧减小,其中钢轨温度为1200℃时的摩擦系数最小,为0.13。(7)温度对摩擦副摩擦系数的影响,主要体现在两方面:一、温度改变材料的机械性能和力学性能,从而对摩擦副的摩擦系数造成影响;二、温度的增加,改变了材料分子的活跃程度,加剧材料表面的氧化反应,进而影响氧化膜的生成速度,从而影响摩擦副的摩擦系数。

关键词： 轮轨   滚动接触   接触应力   疲劳寿命  

摘要： 为了研究CRH5型动车组轮轨在实际滚动接触过程中的受力情况以及由于循环应力作用而产生的疲劳问题,采用大型有限元模拟分析软件ABAQUS对轮轨在实际工况下的运行进行仿真模拟,结合滚动接触理论,分析不同轴重梯度、湿滑条件下不同摩擦系数以及不同驱动扭矩下轮轨滚动接触接触区域的应力应变响应,得出轴重、各润湿条件下摩擦系数、扭矩对轮轨滚动接触行为的影响规律;基于滚动接触疲劳强度理论,采用S-N曲线折减法和疲劳分析软件Fe-safe对车轮滚动接触疲劳寿命进行了预测。研究结果表明,随着轴重载荷的增加,轮轨接触部位等效应力、轮轨横截面剪切应力、轮轨接触区域的真应变和剪应变均增大,车轮所受等效应力随距表深度的增加而减小,最大等效应力出现在距表深度为1-10 mm范围,而钢轨则呈先缓慢增大后持续减小,应力最大值出现在距表深度12 mm左右,最大真应变出现的位置并不随轴重的变化而转移,此位置在轮轨接触区域车轮深度方向15-20 mm范围;随着湿滑条件下摩擦系数的增大,轮轨接触区域最大Mises应力呈非线性变化,轮轨间的垂向力则随摩擦系数的增大缓慢增大,轮轨接触区域的最大横向、垂向、纵向剪切应力均随摩擦系数的增大而增大,不同的是最大垂向、纵向剪切应力值明显大于最大横向剪切应力,同时最大垂向、纵向剪应力产生的位置会随着摩擦系数的增大不断向表面扩展,这也解释了轮轨次表面受力大,但在表面易出现磨损、起裂现象的原因;驱动扭矩的变化对轮轨滚动接触区域的最大Mises应力、最大横向剪切应力及其分布不产生影响,最大纵向剪切应力随扭矩的增大而增大,且呈现出向轮轨接触面移动的态势。通过S-N折减法计算出:不同轴重下的车轮寿命在6×107次至9×107次循环范围,行驶距离均满足三级以上检修周期要求,湿滑条件不同摩擦系数对应的车轮寿命在6×109次至8.9×109次循环内,属于超高周疲劳,行驶距离达到四级107km检修要求,同时解释了润滑对提高轮轨滚动接触疲劳寿命的重要性;用Fe-safe疲劳分析软件计算疲劳寿命,并对计算结果进行修正,得到不同轴重下轮轨疲劳寿命在6.43×107次至8.10×107次循环范围,属于高周疲劳,理论行驶距离满足三级106 km检修要求,数值计算结果与折减法计算的车轮寿命结果相吻合。

关键词： 钢轨焊接接头   显式有限元法   瞬态轮轨滚动接触   轮轨动力响应   安全限值  

摘要： 如今的高速铁路和地铁,鱼尾板钢轨接头逐渐被时代所淘汰,无缝线路已经成为了线路铺设的首选方法。无缝钢轨不仅可以大大的降低轮轨振动冲击载荷,还可以延长钢轨线路的使用寿命,其中钢轨焊接接头无疑是无缝线路关键技术中最为重要的一项。随着铁路运行速度的提高和货运客运运量的增大,钢轨焊接接头的损伤情况变得越来越严重,这不仅会增高铁路的运营维护成本,还会直接降低铁路运输的安全性。因此,开展与钢轨焊接接头有关的研究工作具有很强的现实意义和工程应用背景。通过建立的三维有限元模型模拟钢轨焊接接头,本文详细分析了钢轨焊接接头区域的轮轨动力响应。首先,回顾了钢轨焊接接头相关的研究现状与进展,指出了利用瞬态滚动模型研究焊接接头的必要性。接着,对地铁焊接接头现场调查结果进行了统计和总结,发现叠合形焊接接头在现场中出现的最频繁。第3章参考地铁线路实际参数,采用ANSYS/LS-DYNA建立了三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型。并对轮对滚过光滑钢轨时的瞬态接触解进行了简单的分析。第4章详细解释了对钢轨焊接接头的模拟,同时考虑了材料的不均匀性。利用建立的有限元模型,对比分析了长波和短波焊接接头不平顺激扰下的轮轨动力响应差异,同时对现场实测焊接接头不平顺其激扰下的轮轨动力响应进行了分析。结果发现在钢轨焊接接头不平顺的激扰下,轮轨接触力、钢轨支点反力和轮轨接触应力在焊接区域的波动明显,叠加不平顺激扰下的动力响应特性拥有短波冲击的特性。且实测马鞍形钢轨焊接接头不平顺对于轮轨动力响应影响严重。第5章中对诸如行车速度、焊接接头几何不平顺类型、焊接接头不平顺波深、焊接接头位置、扣件刚度和牵引系数等相关参数对轮轨系统动力响应的影响进行了讨论研究。结果发现地铁行车速度的提高会引起接头不平顺区域轮轨动力响应的剧烈波动。上凸与下凹单谐波不平顺激扰下的轮轨垂向力波动关于静轮载对称。焊接接头不平顺波深的增大会造成轮轨动力响应的恶化。当钢轨焊接接头不平顺中心位于轨枕中间时,会明显的降低轮轨接触力和钢轨支点反力。当减小钢轨焊接接头不平顺中心处的扣件系统刚度时,可以显著的改善轮轨系统动力响应。第6章结合轮轨力和最大轮重减载率安全限值标准,提出了钢轨焊接接头的安全限值。最后,给出了本文研究结论和后续的研究展望。

关键词： 高速列车   转向架   蛇行运动模态   悬挂模态   轮轨型面对齐  

摘要： 由于实测的车轮和钢轨型面（轮轨型面）基准坐标系会受到多种因素的干扰而与理论坐标系产生偏差,因此需要将实测的轮轨型面进行坐标变换,才能与标准坐标系对齐并对比分析。提出了将ICP算法应用于轮轨型面对齐的数据处理方法,并与传统的5种轮轨型面对齐方法进行了对比。分析表明,采用线对齐的ICP算法比传统方法效果更好,能更加准确的计算轮轨磨耗量。当测量基准坐标发生偏移和旋转时,传统方法将不再适用,而ICP算法仍然有效,可将此方法应用于轮轨型面的在线监测。我国高速动车组在线路运营中,发生过1.0～2.5Hz范围内的车体晃动现象,这是因为在某些边界条件下,车体的悬挂模态与蛇行模态耦合发生一次蛇行,会对车辆性能产生很大的影响。通过建立经典的转向架和车辆横向动力学模型,研究了悬挂模态和蛇行模态的频率、阻尼比和振型,并对车辆悬挂模态和蛇行模态交叉耦合转换现象进行了分析。通过变参分析,研究了参数对车辆模态的影响规律。本文的主要工作有:（1）提出了适用于轮轨型面对齐的ICP算法,通过对比分析表明,采用线对齐方法优于传统的点对齐方法。（2）建立了 6自由度转向架横向模型,分析了特征值和特征向量与模态参数的关系,分别用振型速度追踪法和特征值速度追踪法研究了振型的连续性。（3）从悬挂参数动态灵敏度分析和单变量分析法,对转向架的模态频率做了分析,发现一系定位刚度是最重要的影响因子。通过多元参数对转向架的模态分析发现,只有小定位刚度和小阻尼时,构架存在恢复性失稳振型,否则,只有轮对的两个永久失稳振型。（4）建立了 17自由度的车辆横向模型,分析了转向架蛇行振型和车体振型交叉耦合现象,发现在特定条件下车辆的悬挂模态与蛇行模态频率交叉时,两种振型会相互转换,而这种状态往往对应车辆的一次蛇行。通过变参分析,得到了参数对车体三个振型的影响规律。