关键词： 车轮磨耗   高速列车   滚动接触   法向接触刚度   法向接触阻尼   摩擦系数  

摘要： 高速列车在时空上的飞跃,其轮轨间的服役状态与安全性态始终处于动态变化的过程,轮轨间的滚动接触由于摩擦存在必然导致轮轨磨耗的发生,而车轮磨耗将导致车轮踏面的横向及周向发生几何形变,同时接触界面上表面粗糙度和表面硬度等材料属性也会发生变化。基于此,建立考虑磨耗诱发的车轮表面状态变化的轮轨滚动接触模型并开展相关研究,对高速列车轮轨系统维护提供理论支持与技术指导有实际的应用价值。本文通过对CRH380全寿命运营里程下动车同一轮对的左、右侧两个车轮踏面的状态进行跟踪实测,基于现场跟踪测试、数学统计分析等手段采用表面粗糙仪、硬度仪与LB车轮外形尺寸检测系统完成高速列车服役车轮踏面的横向几何廓形、横向粗糙度与硬度的跟踪测试,同时测试车轮周向不圆度及其对应的周向硬度与粗糙度,建立车轮表面粗糙度及表面硬度数据库,并经数据处理研究分析车轮踏面的几何廓形、车轮不圆度、表面粗糙度及表面硬度等微观属性随高速列车服役里程的演变规律。接着,基于实测服役状态下的车轮表面特性,采用3D光学轮廓仪获取车轮表面的轮廓数据。结合分形理论和有限元法,建立考虑车轮磨耗状态下表面粗糙度和表面硬度变化的轮轨滚动接触模型。采用非线性弹簧-阻尼函数型接触模型定义轮轨滚动接触关系,结合弹塑性力学、接触力学与能量阻尼耗散相关理论,研究服役状态下轮轨间的动态法向接触特性,并进一步分析高速列车轴重、硬度、横移作用以及运行转速等因素对轮轨间的法向接触刚度-阻尼的影响。最后,采用GPM-30滚动接触试验机,通过开展轮轨试样在不同工况下的滚动摩擦实验,获取试样表面特性并研究切向摩擦特性。一方面,采用控制变量法,将试验因素分为试验载荷、蠕滑率与试验转速等三个因素,分别进行分组实验,研究不同工况对轮轨试样切向摩擦特性的影响;另一方面,通过开展典型工况下的实验,得到不同工况下摩擦系数与表面粗糙度和表面硬度变化的离散试验数据,建立起表面状态相关的函数型摩擦模型,对比分析不同典型工况下的轮轨试样表面状态与摩擦系数。

关键词： 车轮多边形   刚柔耦合动力学   柔性轮轨   旋转频率   安全限值  

摘要： 车轮多边形化会严重影响车辆系统的动力学性能,尤其是高速列车车轮常见的高阶多边形,会引发车辆和轨道系统的中高频振动,对车辆和轨道造成破坏,危害行车安全。本文基于刚柔耦合系统动力学理论,联合ANSYS和SIMPACK软件建立了车辆-轨道刚柔耦合系统动力学分析模型,并与实测结果对比验证了所建立模型的有效性。在此基础上,研究了车轮多边形对高速铁路轮轨系统的影响,主要研究结论如下:(1)考虑轮对柔性的高速轮轨系统振动特性分析基于建立的车辆-轨道刚柔耦合动力学模型,分析了车轴挠曲变形,对比了柔性轮对和刚性轮对对轮轨系统振动的区别。研究结果表明:(1)考虑轮对的柔性后,车轴挠曲变形量随列车运行速度的增加而增大;(2)柔性轮对在旋转频率处垂向加速度会产生较高峰值,且当轮对旋转频率与轮对固有模态频率接近时,将会激发轮对共振;(3)轮对柔性变形会在一定程度上缓和轮对的垂向振动,但会加剧轮对的横向振动;(4)钢轨垂向加速度随车速的增大而增大,当速度较高时,钢轨中高频振动响应激烈。(2)车轮多边形对高速轮轨系统振动的影响研究利用谐波函数模拟多边形激励,并将其施加在车辆-轨道刚柔耦合模型上,分析了高速列车车轮较常见的19～22阶多边形激励对轮轨系统振动的影响,研究结果表明:(1)对于轮对及钢轨垂向加速度来说,多边形阶次变化主要影响其频率分布,而多边形幅值则主要影响对应频率的加速度幅值大小,对频率分布情况基本无影响;(2)对轮轨垂向力而言,多边形阶次增大其RMS值会有所减小,但多边形幅值增大其RMS值也会随之增大。(3)基于安全限值的高速列车车轮多边形参数研究结合建立的模型,分析了车轮多边形对高速列车运行安全的影响,根据轮轨垂向力限值,得到了高阶多边形化车轮在不同速度下的安全限值,研究结果表明:(1)当行车速度和多边形幅值保持不变时,对于高速列车常见的19～22阶车轮多边形来说,阶次的变化对列车脱轨系数和轮重减载率的影响不显著;(2)当多边形幅值从0.06mm增大到0.12mm时,脱轨系数及轮重减载率也随之增大,但都显著低于《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》规定的限值;(3)轮轨垂向力受多边形幅值影响最为显著,以轮轨垂向力限制值170k N为限可得:当行车速度分别为250、300、350、400、450km/h时,对应的21阶多边形幅值限值为0.053、0.050、0.030、0.025、0.020mm。

关键词： 点云分割   Transformer   轮轨姿态参数   测量  

摘要： 视觉测量是计算机视觉领域的研究热点,具有无接触、高精度等优势。相对于2D图像测量,3D点云可以提供更丰富的被测目标空间姿态信息,从而获取更高的测量精度,越来越受到研究人员的青睐。通过点云对目标整体进行直接测量时,测量结果易受非关键区域的干扰导致测量精度降低,庞大的点云规模也会产生大量的资源消耗,并降低处理效率。点云分割作为一种常用的预处理方法,可以提取出感兴趣区域再进行下一步计算,从而有效的降低测量的时间、空间复杂度。对此,本文研究了通过点云分割提取关键区域点云数据后进行轮轨接触姿态参数测量的方法,主要内容如下:(1)提出了一种基于Transformer的点云分割算法。基于点云邻域密度和邻域法向量相似度,提出了三种位置编码,并将位置编码嵌入到Transformer模块中作为注意力的计算方式;提取了不同尺度下的预测困难点并对其进行注意力的计算,通过特征融合的方法得到更精确的边缘分割结果。定性和定量实验结果表明,所提算法在Shape Net公开数据集和轮轨数据集上的边缘分割效果优于基模型,在轮轨数据集中m Io U指标较基模型提升了3个百分点。(2)构建了轮轨接触姿态标注数据集,并提出了基于轮轨部件先验的关键结构的提取算法。针对有监督深度学习方法进行轮轨点云分割时缺乏标注数据集的问题,本文基于标准轮轨CAD模型构建了初始点云数据,并利用轮轨刚体结构的特性基于切割算法生成了对应的轮轨部件,构建了轮轨接触姿态标注数据集;提出了一种面向轴部件的关键直线结构提取算法,以及面向轨、轮缘结构的关键平面结构提取算法。定性实验结果表明,文中所提的轮轨部件关键结构提取算法能够准确提取轴向直线、轮缘内侧面以及轨底平面等关键结构。(3)提出了一种基于关键结构的轮轨接触姿态参数测量方法。通过点云分割算法提取出细粒度的轮轨部件,利用轮缘内侧面和轨底面对轮对侧滚角进行计算,使用轴有向包围盒的中心点及轨道中心点计算得到轮对横移量、沉浮量,基于提取轴投影点云的关键直线以及轨向对摇头角进行计算。在不同稀疏度的轮轨接触姿态数据集上进行的实验结果表明,轮对侧滚角和摇头角的测量误差分别在10度和10度,轮对横移量和沉浮量误差分别在10毫米和10毫米,均满足测量的精度要求。

关键词： 非线性超声   非线性系数   U71Mn钢轨   轮轨黏着损伤   微裂纹  

摘要： 钢轨作为支撑铁路运输的重要部分,其安全性及稳定性对整个铁路运输有着极大的影响。随着我国铁路运输不断向高速化、重载化发展,钢轨不可避免的会在使用中产生各种损伤;同时长期的负载作用,会让损伤加剧恶化,最终造成钢轨断裂失效进而影响行车安全。因此为确保铁路运输的稳定性及安全性,对服役中的钢轨进行损伤检测是十分必要的。目前对钢轨损伤的检测多应用于传统的线性超声技术,但该技术只能检测宏观缺陷,对微小缺陷并不灵敏。而非线性超声检测技术能够突破传统的线性超声技术的限制,对材料的性能退化以及早期损伤的辨识具有独特的优势。因此,本文基于非线性超声检测技术开展对钢轨损伤行为的研究,具体内容如下:本文依据非线性超声理论推出一维条件下固体介质中的非线性波动方程,从理论上对单一频率激励下二阶非线性系数与基波幅值、二次谐波幅值的函数关系进行了分析。建立二维有限元仿真模型,研究超声波的传播过程及与微缺陷作用产生非线性效应的机理。为进一步研究不同程度损伤与非线性系数之间的关系,设计并建立非线性超声检测系统,对不同缺陷深度的钢轨材料开展非线性超声检测研究,分析不同缺陷深度下非线性系数的变化规律。最后建立高速轮轨黏着损伤实验,应用非线性系数表征U71Mn钢轨材料的疲劳损伤形成过程并研究其作用机理。经分析表明:黏着状态下的钢轨会长期受到压力载荷的影响,这会促使应力集中区域出现损伤情况形成微裂纹,并逐渐扩展最终导致材料断裂失效。非线性系数可以有效表征钢轨损伤形成的三个阶段,超声波在每个阶段作用产生的非线性响应效果不同,且在微裂纹稳定扩展阶段,相对非线性系数上升最为明显,非线性响应强烈,实验结果验证了非线性超声检测技术对钢轨早期损伤进行检测辨识的有效性。

关键词： 接触点集中度   轮轨匹配性能评估   逻辑回归   车辆动力学   有限元   轮缘厚度镟修模板  

摘要： 随着高速列车运行速度的提高,加剧了轮轨间的振动,磨耗车轮与钢轨间的接触状态对行车安全有极大影响,因此,正确的轮轨接触及匹配分析方法引起了行业专家的极大关注。目前,对服役列车的不同磨耗状态车轮和钢轨的匹配评估中,主要采用了接触点分布、等效锥度等单一参数指标进行评估分析,而多磨耗状态的匹配性能分类也缺乏综合性的分析方法;磨耗严重的车轮采用的轮缘厚度0.5mm镟修模板进行镟修,也会使得车轮的轮径值造成一定的过量损失,有待进一步细化并完善镟修策略。本研究基于轮轨接触理论构建接触几何分析模型,针对CRH2型动车组用LMA车轮,对不同服役里程的实测磨耗车轮的轮轨接触特性进行统计,设计主要接触分区,并结合接触集中度、等效锥度参数计算,采用逻辑回归理论,构建轮轨匹配评估的综合分析模型,实现磨耗车轮和钢轨的匹配评估与分类;设计0.1mm轮缘厚度间隔的车轮型面镟修策略,结合车辆轨道耦合动力学分析模型,进行轮轨安全计算,及轮轨接触应力的有限元验证。为改善轮轨接触性能,保障车辆运行平稳性和乘客乘坐的舒适性提供技术支持。主要工作内容及创新点如下:(1)基于轮轨接触理论和逻辑回归理论、轮轨接触几何参数计算方法以及车辆系统动力学的求解方法,建立有限元轮轨静态接触模型、车轮磨耗模型、车辆-轨道系统动力学模型,并对动力学模型进行验证,为轮轨匹配评估方法的建立提供理论支撑。(2)使用Miniprof车轮廓形测量仪对国内某线服役的CRH2动车组进行跟踪测试,获得实测车轮型面数据。对LMA车轮型面构成元素进行描述,通过数理统计分析方法对车轮型面接触曲率“突变点”和轮轨匹配接触点分布的“间断点”进行分析,将LMA车轮型面划分为L(682.5,712.5)、L(712.5,742.5)、L(742.5,801.5)三个接触区域。对轮轨匹配接触点的分布均匀度、集中度进行计算,接触点集中度复合指数、3mm等效锥度进行计算。通过数理统计分析方法对轮轨匹配接触点在L、L、L三个接触区域的分布百分比P、P、P;接触点的复合指数RI和3mm的等效锥度λ值进行分析,建立基于逻辑回归方法的轮轨匹配性能评估模型;得出当逻辑回归指数在(-∞～-0.17)区间时,其轮轨匹配性能为“优”;逻辑回归指数在(-0.17～0)区间时,其轮轨匹配性能为“良”;逻辑回归指数在(0～+∞)区间时,其轮轨匹配性能为“差”。(3)提出0.1mm轮缘厚度镟修模板的车轮镟修,并对磨耗车轮型面使用0.5mm轮缘厚度镟修模板和0.1mm轮缘厚度镟修模板进行车轮镟修后的剩余寿命对比。使用0.5mm轮缘厚度镟修模板时,车轮在第4次镟修前达到车轮限值;使用0.1mm轮缘厚度镟修模板进行镟修时,车轮可以运用至第4次运用修;对于新车轮的磨损过程中,相比使用0.5mm轮缘厚度的镟修模板,采用0.1mm轮缘厚度模板;车辆运行100万公里后,其车轮直径可以减少0.35%磨损,轮缘厚度可以减少3.6%。最后对使用0.1mm轮缘厚度模板镟修后的车轮型面进行了动力学性能验证。

关键词： 车轮扁疤   踏面剥离   应变率效应   等效疲劳损伤   轮轨冲击响应  

摘要： 轮轨系统是高速铁路最为核心的组成部分,严重的轮轨失效将会造成灾难性后果以及巨大的经济损失。车轮扁疤和车轮踏面剥离是列车车轮非正常磨耗的两种主要损伤形式,会引起轮轨间接触不平顺,导致轮轨间产生较大冲击和高频振动,加剧车辆关键部件和轨道基础设施的损伤、疲劳和断裂破坏,严重影响列车的运行安全性、平稳性和舒适性。并且随着列车客运高速化和货运重载化的发展,轮轨疲劳损伤现象日益突出,轮轨间动态作用愈发剧烈。本文采用有限元模拟方法研究了不同等效疲劳损伤下车轮踏面缺陷引起的轮轨冲击力学行为。主要内容与成果包括以下几个方面:(1)建立了考虑轨下基础结构和一系悬挂的三维轮轨滚动接触有限元模型,采用隐式-显式序列求解方法模拟了完好车轮、车轮扁疤、踏面剥离三种情形下的轮轨滚动接触行为,对比了轮轨接触力、接触压力、应力/应变状态等响应特征,揭示了完好车轮、车轮扁疤、踏面剥离作用时钢轨节点速度分布特征及演化规律,评估了不同速度等级下轮轨动态接触/冲击的应变率水平。结果表明,踏面缺陷长度相同时,车轮扁疤诱发的最大轮轨接触力大于踏面剥离诱发的最大轮轨接触力;不同踏面缺陷情形下,最大钢轨节点速度和轮轨应变率峰值均随着列车速度的提高呈单调递增趋势。(2)基于等效模拟不同服役周期的轮轨材料力学性能,研究了轮轨材料等效疲劳损伤对车轮扁疤致轮轨冲击力学响应的影响,分析了轮轨接触过程中轮轨垂向接触力、接触压力、应力/应变等响应特征,讨论了不同等效疲劳损伤下列车速度、扁疤长度、轴重等关键参数对轮轨冲击响应的耦合影响规律。结果表明,最大轮轨垂向接触力随列车速度的提高先增大后减小,在列车速度150 km/h时出现最大值,约为准静态轮轨垂向接触力的4.3倍;最大轮轨垂向接触力、von Mises应力、应力分量等轮轨冲击响应均随着扁疤长度和轴重的增大而增大;轮轨材料等效疲劳损伤和应变率效应对轮轨垂向接触力、接触斑、接触压力无明显影响,但对von Mises应力、纵向应力、垂向应力、横向应力和等效塑性应变影响显著。(3)基于等效模拟不同服役周期的轮轨材料力学性能,研究了轮轨材料等效疲劳损伤对车轮踏面剥离致轮轨冲击力学响应的影响,分析了踏面剥离冲击钢轨整个过程中轮轨接触力/压力、接触斑及粘滑特性、应力/应变等动态响应特征,探讨了不同等效疲劳损伤下列车速度、剥离长度和剥离深度等关键参数对轮轨冲击响应的耦合影响规律。结果表明,最大轮轨垂向接触力随列车速度的提高先增大后减小,在列车速度300 km/h具有最大值,约为准静态轮轨垂向接触力的1.35倍;随着剥离长度的增大,轮轨冲击响应均显著增大,而随着剥离深度的增大,仅车轮von Mises应力和等效塑性应变显著增大;轮轨材料应变率效应和等效疲劳损伤对最大轮轨接触压力、von Mises应力、纵向应力、垂向应力和等效塑性应变影响显著,而对轮轨接触力、接触状态、最大横向应力无明显影响。本文研究了不同等效疲劳损伤对车轮扁疤和踏面剥离致轮轨冲击力学响应的影响,评估了不同速度等级下轮轨动态接触/冲击的应变率水平,阐明了应变率效应和等效疲劳损伤对轮轨滚动接触行为的耦合影响机制,揭示了关键参数对轮轨冲击力学响应的影响规律,可为轮轨系统的安全服役与损伤评估提供技术支持。

关键词： 有限元法   重载铁路   疲劳裂纹萌生寿命   应力强度因子  

摘要： 随着我国经济的飞速发展,既有线路的使用频次逐年提高,钢轨承受的载荷水平也显著增大,钢轨伤损问题日益凸显,威胁行车安全的同时也带来了一定的经济损失。因此,对钢轨疲劳伤损问题进行深入研究,对于延长钢轨的服役期限,维护列车运营安全,降低铁路运营成本具有重要意义。本文基于三维弹塑性轮轨滚动接触有限元模型,结合Jiang-Sehitoglu损伤参量理论,对影响钢轨疲劳裂纹萌生寿命的因素展开分析。根据虚拟裂纹闭合法建立预设裂纹的钢轨模型,分析钢轨表面疲劳裂纹的类型以及影响裂纹应力强度因子的因素。本文具体开展的研究内容如下:(1)根据实际尺寸建立三维弹塑性轮轨滚动接触有限元模型,整个模型由轮对、扣件、轨枕、钢轨共4部分组成,车轮踏面类型为LM型,钢轨为75kg/m型轨。并对轮轨间可能发生接触的位置进行网格细化处理,在保证精度的前提下提升计算效率,并对模型的准确性进行了验证。(2)分析轨底坡参数对钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响。轨底坡参数分别设置为1:10、1:20、1:30、1:40、1:50、0,当采用1:20这一轨底坡参数时,轮轨间发生共形接触,钢轨表面接触应力值最小,钢轨的疲劳裂纹萌生寿命最大。采用这一轨底坡参数,可以有效降低钢轨表面接触应力,延长钢轨的使用寿命。(3)分析轴重和轮轨间摩擦系数对钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响。随着轴重的提高,钢轨表面接触应力不断增加,钢轨的疲劳裂纹萌生寿命持续降低。随着轮轨间摩擦系数的提高,钢轨的纵向剪切应力值随之增加,钢轨的疲劳裂纹萌生寿命随之降低。(4)分析车轮踏面类型对钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响,对比LM和LMa两种类型的车轮踏面,在均选用较为适配的轨底坡参数时,LM型踏面与钢轨的匹配程度更好,重载列车采用LM型车轮踏面可以有效提高钢轨的疲劳裂纹萌生寿命。(5)分析轮对偏移量对钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响。与不发生偏移时相比,当偏移量为5mm时,左轨表面最大接触应力有所降低,钢轨的疲劳裂纹萌生寿命略有增加,右轨表面最大接触应力明显增加,钢轨的疲劳裂纹萌生寿命明显下降;当轮对偏移量为10mm时,左轨表面最大接触应力显著增加,钢轨的疲劳裂纹萌生寿命急剧降低,右轨表面的最大接触应力明显减小,钢轨的疲劳裂纹萌生寿命明显提升。(6)建立预设疲劳裂纹的钢轨模型,对钢轨表面疲劳裂纹的应力强度因子进行计算。钢轨表面疲劳裂纹属于以Ⅱ型为主的Ⅱ、Ⅲ型复合裂纹,且当接触斑中心位于裂纹正上方时应力强度因子值最大。裂尖应力强度因子K、K随着列车轴重的提高而增加。随着裂纹深度的增加K值显著提升,K值随着裂纹深度的增加略有提升但增量较低。对钢轨表面同时预设3条平行裂纹,组合裂纹裂尖的应力强度因子值明显大于单裂纹情况的数值,但随着裂纹间距的增加,组合裂纹的应力强度因子呈下降趋势。本文的研究内容可为预防钢轨疲劳裂纹的萌生和扩展,延长钢轨的使用寿命提供一定的建议。

关键词： 低温环境   轮轨材料   滚动磨损   接触疲劳损伤   磨屑层   钢轨硬度  

摘要： 随着我国铁路修建进程的持续推进,在低温环境下服役的铁路线路日益增多,如哈大高铁、青藏铁路等。环境温度下降将导致轮轨材料磨损及失效机理发生显著变化,使得低温环境轮轨材料服役行为表现出与室温环境较大差异。当前轮轨材料磨损与损伤行为研究主要以室温环境为研究背景,低温环境下轮轨材料服役行为研究尚不充分。因此,开展低温环境下轮轨材料磨损与损伤行为研究显得十分必要,研究成果可为保障低温环境下轮轨材料的可靠服役与材料研发提供重要理论和技术支撑。本研究通过轮轨滚动磨损试验研究了不同温度环境及交变温度工况对车轮和钢轨材料滚动磨损与接触疲劳性能的影响,通过轮轨界面摩擦化学行为分析阐明了低温环境轮轨材料滚动磨损转变机制,研究了低温环境下滑差率、接触应力和钢轨硬度对车轮和钢轨材料磨损与损伤的影响规律,构建了低温环境下车轮和钢轨材料磨损图与损伤机制图;通过有限元方法建立了考虑低温环境轮轨界面磨屑层作用的轮轨三体滚动接触磨损有限元模型,研究了轮轨界面有无磨屑层时轮轨材料滚动磨损与接触疲劳损伤演变行为,分析了低温环境下钢轨材料力学性能变化对钢轨材料滚动接触疲劳损伤影响;结合试验结果,对低温环境下车轮和钢轨材料服役及材料研发提出了建议。论文研究的主要结论如下:(1)随着环境温度由室温(20℃)下降至-40℃,轮轨界面氧化作用被削弱并导致磨屑在轮轨界面塞积程度显著增大;当环境温度低于-20℃后,钢轨表面形成大面积的磨屑层。低温环境磨屑层的形成使轮轨材料磨损机制由室温环境下的疲劳磨损和轻微黏着磨损向-40℃环境下的严重黏着磨损转变并降低了车轮和钢轨材料磨损与损伤。由于磨损下降,低温环境下车轮表层材料将持续累积塑性应变且组织细化严重,局部材料相变形成白层组织。细化铁素体和白层是-40℃环境下车轮材料主要的裂纹萌生源。在温度交变工况中,降温下车轮材料磨损下降而钢轨材料磨损增加;在升温工况下,-40℃环境下钢轨表面黏附的磨屑层迅速去除从而增大了车轮和钢轨材料的磨损与损伤。(2)-40℃环境温度下,车轮材料磨损率随Tγ/A值先线性增加后保持稳定;钢轨材料磨损率与Tγ/A值关系并不密切而与接触应力的关系更为紧密。-40℃环境温度下,ER7车轮材料和U71Mn钢轨材料磨损图可以划分为“轻微磨损”和“严重磨损”两个区域。-40℃环境下,轮轨材料磨损机制将发生两次转变:随着接触应力增加,轮轨界面磨屑层破碎导致轮轨材料磨损机制由黏着磨损向疲劳磨损发生转变;随着滑差增加,轮轨界面摩擦热上升导致轮轨材料磨损机制由疲劳磨损向氧化磨损转变。-40℃环境温度下,当滑差率小于3.0%时,随接触应力的增加,车轮材料损伤机制由点蚀坑逐渐转变为起皮;在大滑差率下(12.0%),随接触应力的增加,车轮材料主要损伤机制由轻微剥落转变为严重剥落。(3)无论在室温还是-40℃环境温度下,随着钢轨材料初始硬度增加,钢轨磨损率下降,即具有高硬度的过共析钢轨材料在低温环境下其耐磨性仍然更强。在-40℃环境温度、1500 MPa下,过共析钢轨材料在滚动接触过程中裂纹扩展深度更深、角度更大,这表明高硬度的过共析钢轨材料在低温环境服役时,抗疲劳性能较U75VH钢轨和U78CrVH钢轨差。(4)考虑磨屑层作用的轮轨三体滚动接触有限元模型相对于两体滚动接触有限元模型能更真实的反映出实际轮轨界面的相互作用,在黏着系数、磨损及损伤行为预测上与试验结果吻合程度更高。作为可变形体的磨屑层通过塑性变形缓和了轮轨接触表面的相对滑动,从而降低了车轮和钢轨材料磨损与损伤。低温环境下钢轨材料力学性能变化会使钢轨材料滚动接触疲劳裂纹萌生寿命上升,试验中钢轨材料在低温环境下严重的疲劳损伤应归因于磨屑层破碎引发的疲劳磨损。

关键词： 高速道岔   曲尖轨   磨耗预测   动力学性能   轮轨接触  

摘要： 曲尖轨是高速道岔的重要组成部分,主要起引导列车变道的作用,其工作形式的特点导致的磨耗一直是铁路线路维护中难以解决的问题。此外,曲尖轨因磨耗而发生的廓形改变会对列车行驶时的轮轨接触状态及动力学性能造成极大影响。因此,研究高速道岔曲尖轨的磨耗因素与轮轨磨耗对轮轨匹配性能的影响问题,对于减少曲尖轨的磨损,延长曲尖轨使用寿命,降低磨耗对车辆平稳性与安全性的影响具有重要意义。针对曲尖轨磨耗预测及轮轨匹配问题,对国内外有关钢轨及道岔曲尖轨磨耗因素分析及轮轨匹配性能研究现状进行了分类阐述与总结。在已有研究方法的基础上,开展本文的工作,主要研究内容如下:（1）运用轮轨型面测量仪对现场不同磨耗程度的xp55车轮型面进行测量,根据轮缘厚度大小进行筛选。将选取的四组磨耗型面测量数据进行平滑处理并生成相应型面,对比分析其磨耗特点。同时根据顶宽大小建立高速道岔曲尖轨关键截面,拟合成整段曲尖轨。（2）建立18号高速道岔曲尖轨不同顶宽截面磨耗预测模型,计算不同通过总重、通过速度、轮轨摩擦系数及车轮磨耗程度对曲尖轨磨耗特性的影响,分析其规律。结果表明:随着通过总重的增加,高速道岔曲尖轨磨耗程度均在增加,在相同通过总重的情况下,顶宽20mm曲尖轨磨耗最严重;对于顶宽20mm曲尖轨截面,通过速度的增加会加速曲尖轨磨耗速率;轮轨摩擦系数的增加也会使曲尖轨磨耗程度加剧;车轮磨耗程度对该截面的磨耗特性有不同程度的影响,磨耗III型车轮对曲尖轨磨耗影响最大。（3）以曲尖轨磨耗预测计算结果及实测不同磨耗程度的车轮型面为基础,计算轮轨磨耗对车辆通过高速道岔曲尖轨的动力学性能的影响。结果表明:轮轨磨耗对轮轨垂向力、轮轨横向力与脱轨系数影响较大;车轮与曲尖轨的磨耗程度对车辆垂向加速度与横向加速度影响不大。（4）建立不同磨耗阶段xp55车轮与有无磨耗顶宽20mm曲尖轨三维有限元弹塑性接触模型,计算轮轨磨耗对两者接触性能的影响。结果表明:磨耗I型与磨耗IV型与标准曲尖轨匹配性能较差,其他三种与曲尖轨匹配性能较好。而标准xp55车轮与磨耗曲尖轨匹配性能较差,但车轮磨耗的发生使轮轨匹配状态有一定的改善。本文计算分析结果为铁路运维部门对曲尖轨的维护检测周期提供了理论依据,同时为轮轨型面设计提供一定的参考。