关键词： 车轴动应力   疲劳强度   高速列车   轨道激扰   车轮踏面缺陷  

摘要： 随着列车运行速度不断提高,轨道不平顺激扰、车轮非圆化磨耗等问题对车辆运行安全的影响日益凸显。车轴作为重要的走行及承载部件,其结构强度对于高速列车持续安全运行至关重要。基于我国某型现役高速列车,分别建立了弹性轮对拖车、动车车辆系统动力学模型,以将拖车结果和动车结果进行对比分析;关注多个车轴截面,系统研究了车辆在多种轮轨激扰作用下的车轴动应力特征及其沿轴向分布规律。论文主要研究内容如下:(1)建立了弹性轮对拖车、动车车辆系统动力学模型,仿真得到空载、重载两种工况下的轮轨载荷、车轴动应力及疲劳等效应力,并与对应工况的线路试验数据对比,仿真模型较为准确地反映了高速列车车轴动应力大小和动力学性能。(2)针对高速线路曲线和站区小半径曲线,分析了不同曲线通过速度和曲线参数下车轴动应力变化规律。车辆通过高速线路曲线时,曲线通过速度及曲线参数的改变对轮对内侧C截面影响最大。车辆通过小半径曲线时,由于导向轮对存在较大的轮对冲角,轮对内侧各截面动应力显著增加,因此对轮对内侧D、E截面动应力也应重点关注。(3)建立了多种类型轨道不平顺的数学模型,分析了车辆运行速度和轨道不平顺参数的改变对车轴动应力的影响。轨道随机不平顺和余弦型不平顺对车轴动应力无明显影响,而三角坑和叠合型不平顺对车轴动应力影响较大。结合相应指标,在400km/h行车速度下,建议将三角坑不平顺幅值限定在5mm。(4)建立了车轮扁疤和车轮多边形数学模型,分析了不同尺寸车轮踏面缺陷下车轴动应力及疲劳强度变化规律。随着车辆速度提高,车轴动应力在低速区存在峰值,靠近扁疤侧的拖车D1截面、动车C1截面的动应力变化幅度最大。低阶车轮多边形中,以6阶车轮多边形对车轴动应力影响最大,次之分别为2阶、3阶、1阶。高阶车轮多边形激励下,由于拖车和动车轮对结构的差异,两者分别在432.7Hz和576.5Hz位置处存在峰值,高阶车轮多边形虽然幅值较小,但其在峰值位置处对动应力的影响远大于低阶车轮多边形。为保障高速列车的持续安全运行,针对拖车和动车车轴进行疲劳强度评估,建议严格限制拖车、动车20阶车轮多边形幅值分别为0.03mm、0.015mm;并结合弹性模态,分析高频激励下车轴各截面可靠性存在显著差异与轮对弯曲模态振型有关。图113幅,表14张,参考文献86篇。

关键词： 高速列车   轮轨关系   型面匹配   车轮磨耗   钢轨廓形设计  

摘要： 我国高速铁路在迅猛发展的同时也带来庞大的铁路运维问题,高速列车运行速度快,线路混跑多、车流密度大,使轮轨之间的振动和冲击加剧,加速轮轨损伤,产生车辆运行安全问题。因此,对高速铁路轮轨磨耗问题展开研究,比较不同廓形钢轨与高铁车轮匹配的接触状态和动力学性能的影响,分析轮轨匹配的综合性能,对于调节高铁车轮镟修周期,延长高铁车轮使用寿命,降低高速列车运营成本意义深远。本文实际跟踪测试高速列车车轮型面数据,总结车轮型面的磨耗情况,研究60、60D、60N三种廓形钢轨与高速车轮型面匹配性能;结合高速列车实际运行情况,基于现有钢轨廓形的过渡区域对钢轨廓形进行设计,以达到优化轮轨匹配性能的目的。主要工作内容及结论如下:（1）运用轮轨型面测量仪,现场跟踪测量CRH3动车组一个镟修周期的车轮型面和60、60D、60N三种钢轨型面数据。分析得出车轮型面磨耗速度随运行里程数增加而增大;60D轨、60N轨是以60为原型进行设计,60N轨将60轨轨头原有的五段圆弧优化为七段圆弧,而60D轨仅对工作边轨头进行了优化。（2）建立不同匹配形式下的轮轨三维有限元弹塑性模型,施加轴重、横移量、轮周牵引力等工况。仿真结果分析,相同匹配条件下,60N轨与车轮匹配呈现椭圆形接触斑,接触斑面积最大,同时接触斑面积随车轮磨耗量增加变化较大;60N轨与标准车轮匹配的最大Mises应力值小于60、60D轨,但随车轮磨耗量的增加,Mises应力值变化幅度较大,数值上超过60、60D轨。（3）建立轮轨系统动力学模型,分析不同钢轨廓形对列车轮轨接触几何关系、列车运行平稳性、列车振动幅值特性、磨耗数等动力学参数指标,分析得出60N轨与不同磨耗阶段车轮匹配的多项动力学参数都较优,具有良好的匹配性能,接触点集中在车轮中部,轮轨接触光带居中,将导致车轮的中部磨耗加重。（4）针对不同钢轨廓形下高铁车轮在实际运行中存在的一些不足,介于60轨和60N轨之间的过渡区域,设计了两种钢轨廓形方案并进行计算分析。（5）对设计方案的轮轨接触状态和动力学性能进行综合评价,认为方案二设计的钢轨廓形在保证车辆动力学性能参数的同时,有效地降低了轮轨Mises应力随车轮磨耗量的增长幅度,增加接触区域面积,更加适合与磨耗阶段车轮型面匹配,调节车轮的镟修周期,为高速列车实际运行条件下的钢轨廓形设计提供参考。

关键词： 地铁   小半径曲线   曲线轮轨噪声   复特征值分析   三维瞬态轮轨滚动模型  

摘要： 在当前的城市发展中城市轨道属于一种最为常见的出行方式,但随着人民的要求不断提高和地铁技术不断革新,伴随的噪声问题日益凸现出来。曲线轮轨噪声包括滚动噪声、冲击噪声和啸叫声,其中啸叫声主要由车轮自激振动和轮缘贴靠摩擦产生。本文主要研究由车轮自激振动引起的啸叫声,通过复特征值分析判断地铁小半径区段啸叫声的产生,通过瞬态模型计算小半径曲线轮轨噪声。本文结果如下:1、小半径曲线地段轮轨噪声测试中,对内轨进行振动加速度测试,发现振动均在80Hz、350Hz、630Hz和3000Hz发生激增。对应噪声主频有630Hz、2500Hz与4500Hz,即在630Hz、2500Hz与4500Hz有大幅度增加。其中630Hz处的主要噪声源为钢轨;2500Hz和4500Hz处的噪声主要噪声源为车轮且等级较高,为啸叫声。2、在该整体式道床支撑350m半径曲线地段,复特征值分析预测得到分别在300.4Hz、626.4Hz、2458.2Hz和4425.3Hz可能发生摩擦自激振动,其中2458.2Hz对应的等效阻尼比为-0.016224最小,发生啸叫声的几率最大。速度越大越容易产生啸叫声,随着摩擦系数的不断增加,等效阻尼比的绝对值也不断增加,说明产生不稳定振动的几率增加,半径越小越容易产生啸叫声,当半径大于550m时,几乎不会出现噪声激增的现象,且没有出现曲线啸叫声。3、通过三维瞬时滚动模型计算得到的轮轨噪声的主要频段内仿真值和试验值相差较小,主频为2000～2500Hz。同时验证前文复特征值分析得到的发生啸叫声的频率段,在300.4Hz、626.4Hz、2458.2Hz、4425.3Hz发生摩擦自激振动,数值仿真预测在630Hz、2500Hz均有噪声激增的现象,说明此处发生了啸叫声,同时2458.2Hz处噪声最大与前文预测此处最有可能发生相对应。速度对于啸叫声的大小影响微乎其微,但对啸叫声的产生影响颇大;随着摩擦系数的减小,曲线轮轨噪声逐渐减小;半径对啸叫声的大小与产生影响很大

关键词： 高速动车组   动力学仿真   轮轨匹配   蛇行运动   集成学习  

摘要： 我国高速列车运营过程中偶有发生的低频晃车与高频抖车等动力学问题,严重降低了乘坐舒适性和运行安全性,多数情况是由于轮轨匹配不良导致了蛇行运动稳定性不足。限于车辆系统的强非线性,高速列车固有的蛇行运动特征及其与轮轨匹配的关系均尚不明朗。为此,本文采用随机模拟法开展某高速列车拖车非线性动力学数值仿真,得到广域轮轨匹配关系下的蛇行运动特征分布规律;以轮轨接触参数为特征,采用机器学习对蛇行运动状态进行辨识,寻找轮轨接触与蛇行运动之间的关系。具体研究内容如下:(1)采用小波分析结合短时能量异常检测方法,对存在畸变区域或异常点的实测轮轨廓形进行分析,可以准确定位和剔除轮轨廓形中的异常点。对比了等间距、等弧长两种廓形离散方法对车辆小半径曲线通过性能、蛇行运动稳定性的影响,为避免廓形二次采样对动力学仿真造成干扰,建议采用0.5 mm的等弧长离散方法。(2)研究了滑移小波降噪算法和样条拟合算法对实测轮轨廓形的平滑效果、轮轨接触几何参数及车辆蛇行运动的影响。小波降噪算法可自适应地去除廓形中的噪声,且处理后的廓形更加贴合原始廓形;样条拟合参数的选取较为困难,选取不当会对原始廓形欠拟合或过拟合。合理的廓形平滑处理算法可修正轮轨接触点位置、平滑廓形曲率、减小等效锥度偏差,提高车辆动力学仿真精度和效率,蛇行运动的计算结果也更符合实际运行情况。(3)研究了高速列车蛇行分岔图和蛇行频率的一种快速近似算法,通过滑移窗口剔除异常值来获得包络线,从而近似计算蛇行运动分岔图和临界速度;通过零点法计算蛇行运动频率。算法对典型工况处理的鲁棒性较好,计算得到的蛇行运动分岔图和频率曲线较为光滑,符合工程应用的要求。(4)采用降速法计算某高速列车在广域随机轮轨匹配下的蛇行运动响应,大量动力学仿真结果表明该车固有的蛇行运动主要包括两类:一类是车辆在较低的速度下就开始发生蛇行运动,轮对横移幅值相对较大,蛇行频率较低;一类是车辆在较高的速度下才开始蛇行运动,轮对横移幅值较小,蛇行频率较高。前者主要是由于等效锥度小于正常运用范围导致,当等效锥度低于或接近0时,轮对平衡位置容易偏离轨道中心线;后者主要是由于车轮磨耗导致等效锥度过大引起的,轮对横移曲线容易出现毛刺、峰值点附近局部凹凸现象,以及在高速下发生拟周期和混沌等复杂蛇行运动。(5)根据临界速度将所分析车辆的蛇行运动划分为“未发生蛇行”、“低频蛇行”、“高频小幅蛇行”三类,以轮轨接触几何参数、车线运营参数为特征,基于机器学习对蛇行运动状态进行辨识,三种蛇行运动类别的F1值分别为0.96、0.78、0.91;通过分析集成学习算法的特征贡献度可知,轮对横移量1 mm处的等效锥度对所分析车辆的蛇行运动影响最大。

关键词： 高速铁路轮轨声振特性   声辐射   短波不平顺   声学诊断  

摘要： 车轮和钢轨的表面短波不平顺是激励高速铁路轮轨动力系统产生中高频响应的主要来源，其激励产生的能量经转向架一、二系悬挂和轨下扣件系统向上和向下传递，使结构部件产生异常振动和噪声，恶化轮轨关系，缩短车辆和轨道的使用寿命，降低车辆运行品质和旅客乘坐舒适度，影响铁路沿线声环境质量，发展严重时还会危及行车安全性。我国高速铁路在运营期出现的轮轨周期性短波不平顺主要表现为车轮多边形和钢轨波磨两种形式，其波长对应的窄带激励特性存在与车辆一轨道系统动力耦合的风险，且激励所产生的单频纯音噪声成分对车内外声环境的主观烦恼度更高。轮轨周期性短波激励产生的中高频轮轨噪声呈现的噪声特性和规律为从声学角度进行特征诊断提供了依据，为了解决轮轨周期性短波不平顺的快速检测问题，对车轮和钢轨的结构振动声辐射特性及其周期性短波不平顺的声学诊断方法开展研究。　　本文从高速铁路轮轨区噪声特性和轮轨滚动声学特性出发，对轮轨滚动噪声的主要结构声源车轮和钢轨在特定边界和荷载条件下的振动和声辐射进行了结构动力学和声学仿真分析，在明确轮轨区噪声源特性和轮轨声振机理和特点的基础上，确定从声学角度进行轮轨周期性短波不平顺诊断的技术思路，结合转向架区域流场特性优选传声器布设位置，获取列车运营时速下的转向架区域声信号并进行全域气动噪声降噪处理后，研究轮轨周期性短波不平顺的特征提取和识别方法。开展的主要研究工作如下:　　(1)轮轨滚动噪声特性研究。为了明晰高速铁路噪声源特性和轮轨滚动噪声特性，从而探索从声学角度进行轮轨周期性短波诊断的思路和方向。首先通过高速铁路噪声源识别结果明确了列车高速运行时轮轨区噪声仍占有较大比例，其中气动噪声干扰集中在400Hz以下的低频区段，能量随车速增大而增大，时速300km/h及以上时气动噪声在160Hz以下频段占据较大比例。然后在分析轮轨噪声的影响因素的基础上，同步测量跟踪获取典型区段和列车的车轮多边形和钢轨波磨的时空特性，利用小波分析研究车轮和钢轨粗糙度与噪声的时频传递关系，表明高速运行时的轮轨周期性短波不平顺等典型粗糙度特征与轮轨区噪声的特定频带时频特征波动具有直接关联。　　(2)轮轨声振特性研究。车轮和钢轨是轮轨滚动噪声的最重要发声部件，其声辐射机理是由于车辆一轨道系统动力相互作用产生的结构自身表面振动通过空气传播至外界，其声振特性同时受到车辆-轨道系统的拓扑构型和结构体自身质量-刚度-阻尼特性影响，故将车轮和钢轨作为柔性体，关注结构体自身的结构动力特征尤为重要，同时车轮和钢轨结构体在车辆-轨道系统中的约束边界、承受荷载的特点也较为复杂，对于这类因素的准确描述尤为重要。在考虑车轮和钢轨的结构自身特征的基础上，考虑实际运行工况下如车轮预应力、移动荷载等边界条件和荷载特点对车轮和钢轨的振动声辐射特点展开研究。　　针对高速列车车轮的实际运行工况，将受轮轴过盈装配、轴重产生的轮轨静态力和车轮高速旋转产生的离心力作为车轮预应力;以复兴号高速动车组拖车车轮为例，先利用有限元软件ANSYS建立基于预应力的车轮非线性接触有限元模型，对其进行静力学分析、模态分析和频响分析，再将有限元分析得到的车轮位移导纳结果作为声振融合分析的边界条件，采用声学软件***建立车轮边界元模型，对比研究有、无预应力下的高速列车车轮的声功率级、声辐射效率和声辐射指向性等声辐射特性。基于车轮实际边界下的车轮非线性预应力模型可相对准确地反映车轮的实际边界状态，由于考虑预应力，高速列车车轮的动力特性和振动响应均有所改变，直接影响车轮的声辐射特性，有、无预应力下的声振特性具有显著差异，考虑预应力因素下进行高速列车车轮声辐射特性分析更准确。　　建立某高速铁路钢轨的离散支撑有限元-边界元瞬态有限元模型，研究了高速铁路钢轨的模态特性、频响特性、声辐射特性，采用APDL命令流方法构建时域快速计算方法对移动单轮激励和移动双轮相干激励下不同移动速度、激励频率下的瞬态响应进行了计算，运用时-频分析方法对钢轨振动的空间-波数域响应特征解析，获得了移动荷载下的钢轨振动响应特性，并对钢轨瞬态声辐射特性进行了研究。　　(3)提出轮轨周期性短波不平顺声学诊断策略。由于列车高速运行时的转向架区域气动噪声具有宽频、高能量特征，基于气动流场特性对转向架区域传声器位置进行声学优化，并利用谱减法对声信号进行全域白适应降噪，提高声信号信噪比，针对轮轨周期性短波不平顺所激励起来的特征频率畸变特征提取这一关键问题，重点对IMF能量比方法和阈值归一化短时功率谱密度方法进行了研究和介绍。IMF能量比方法利用集成经验模态分解(EEMD)对车下声学信号进行解构，同时针对声学信号分解后的本征模态分量(IMF)频率与轮轨系统的固有频率的关联性使得波磨特征易淹没的特点，利用本征模态分量的能量比畸变特征进行分量筛选，实现轮轨周期

关键词： 轮轨型面   改进层次分析法   滚动圆半径差   转辙器   廓形优化  

摘要： 合理的轮轨型面匹配有助于保证行车安全、改善车辆运行品质、降低轮轨磨耗和伤损、提高服役寿命等。当下,我国地铁线路中轮轨型面匹配不一,关于轮轨型面匹配的问题,在普通区间线路上的研究涉足较多,而在道岔区的研究几乎为零。因而有必要对我国现有的几种常见的地铁车轮型面进行对比,从而获得较为良好的轮轨型面匹配组合;另外,考虑到地铁道岔区轮轨关系复杂、侧向过岔亟需提速和曲线尖轨损伤严重、使用寿命短的问题,对我国现有的地铁道岔区钢轨进行廓形优化的研究亟需开展。为比较不同车轮型面在地铁9号道岔区的轮轨型面匹配性能,将轮轨接触几何、轮轨过岔接触力学、过岔动力学及轮轨磨耗与伤损考虑在内,分别采用传统的指标比较法定性判断和在此基础上的改进层次分析法进行定量的对比和验证。比选结果表明:当直向过岔时,S1002车轮与地铁9号道岔匹配时过岔性能良好;当侧向过岔时,LM车轮与地铁9号道岔匹配时过岔性能更优。DIN5573车轮与地铁9号道岔匹配时,无论是直向过岔还是侧向过岔,其性能较差,尤其在轮载过渡区段,其过岔时接触斑面积很小而最大法向接触应力很大。改进层次分析法也对此结论进行更为全面而准确地验证。车辆在实际运行过程中,较大的滚动圆半径差有利于提升侧向过岔能力,但其过岔平稳性不易保持。轮轨型面共形度越高,轮载过渡时,轮轨法向接触间隙越小,有利于降低轮载过渡时的接触应力。通过选用车轮/钢轨型面斜率表征轮轨型面共形度,根据轮轨接触几何特性推导并建立了车轮/钢轨型面斜率与车轮滚动圆半径差的关系,给定调整后的目标滚动圆半径差函数曲线,据此可进行整轨头钢轨廓形的设计,并通过刨切形成优化的道岔转辙器尖轨。优化后的道岔转辙器尖轨型面具有更合理的接触力学特性,过岔平稳性能显著提升,且降低钢轨磨耗。总体认为,这种新设计的道岔钢轨可有效改善地铁车辆道岔性能,延长道岔区钢轨的使用寿命,具有一定的实际工程意义。该方法不止适用于新设计的钢轨,也可用于实际线路中的钢轨廓形打磨。

关键词： 研磨子   有限元仿真   轮轨粘着   车轮磨耗预测   模糊控制  

摘要： 随着车辆速度的大幅提高,列车的制动功率不断增大,早期的闸瓦制动逐渐被盘式制动所取代。失去了闸瓦对踏面的摩擦作用后,轮轨粘着性能下降,踏面擦伤、异常磨耗和多边形问题愈加严重。伴随着1964年世界上第一条高速铁路的通车运营,研磨子应运而生,并在随后的半个多世纪内广泛应用于高速列车和城轨车辆的制动系统中,起到了良好的轮轨增粘和踏面修形效果。然而,我国针对研磨子的理论研究起步较晚,技术水平尚不成熟。为了更清晰地认识研磨作用的影响功能并实现优化控制,本文以高速列车上配备的研磨子为对象,在总结国内外技术经验的基础之上,应用有限元分析软件、动力学分析软件和控制仿真软件开展了以下研究工作:（1）解释并阐述了研磨子、车轮、钢轨三者之间磨耗过程的微观原理和规律。在经典磨耗理论的基础上,针对研磨子与车轮的磨耗,利用ABAQUS软件建立了研磨子与踏面的球形及圆锥形磨粒磨耗有限元模型;针对轮轨磨耗,在SIMPACK软件中基于初始的车轮钢轨型面、线路条件及轨道激励,构建了CR400BF型动车组的车辆系统动力学模型来计算接触几何参数。结合法向接触理论、切向力算法、Archard磨耗计算模型和踏面更新算法建立了完整的车轮磨耗预测模型。（2）为研究研磨子对轮轨粘着的影响,以某试验中实测的函数型摩擦系数替换Polach粘着力近似算法中原有的摩擦系数,解决了Polach模型计算水油介质下的粘着系数时数值偏大的问题。应用修正后的计算模型分析了粘着性能的影响因素以及研磨子对粘着性能的改善原理和效果。由于研磨子的增粘原理与磨耗原理类似,故应用磨粒磨耗模型进行仿真,分析了磨耗过程中材料的应力应变变化,并讨论了关键参数:研磨速度、压入深度、摩擦系数和磨粒半径数量对磨耗过程的影响规律,为研磨子作用参数的优化和控制策略的制定提供依据。（3）为研究研磨子对车轮磨耗的影响,基于磨粒磨耗中磨耗率基本不变的结论,在车轮磨耗预测模型中加入了不同等级的研磨子作用程度进行对比仿真分析,发现研磨子能有效减小凹坑磨耗宽度,并能在一定区间内减缓等效锥度的增长,提升车辆的横向稳定性,但最大磨耗深度略微增加。（4）根据上述得到的研磨子磨耗规律和功能效果,在恒常研磨策略和传统粘着控制方法的基础上设计了研磨子模糊控制系统,并分别建立了牵引和制动工况下的模糊规则,对比模糊控制系统的输出结果和车轮的滑行空转信号后发现控制系统可以在指定的车速范围内检测到增粘需求时迅速响应,通过增大研磨子作用压力来改善轮轨关系,并可以根据增粘需求和修形需求智能调节研磨子的作用频率,最大程度上减少了材料损耗和维修成本,为研磨子的优化控制提供了新的方向和思路。

关键词： 轮轨黏着   行星差速器   机械封闭   比例试验台  

摘要： 轮轨黏着是特殊的轮轨滚动摩擦现象,用台架试验研究轮轨黏着-蠕滑动态特性是一种有效方法。小比例试验台试验结果与线路结果偏差大,全尺寸试验台更接近线路真实状态,但常规全尺寸试验台常用机械开环方式,设备投资多、能耗大;故研究面向轮轨黏着-蠕滑试验的经济型模拟试验台具有重要意义。本文采用机械封闭原理及主动差速器加载方法,围绕基于差速器的轮轨摩擦模拟测试系统展开的相关研究工作如下:首先,从机械封闭、法向力加载、滑差速度稳定性、检测精度等方面分析评价国内外轮轨摩擦模拟试验台,明确轮轨摩擦模拟测试系统的组成。研究机械封闭节能试验技术在齿轮试验、材料试验中的应用,形成轮轨摩擦模拟测试系统的初步概念。其次,分析轮轨黏着与蠕滑现象,研究黏着-蠕滑特性试验的测试方法及成果,通过研究机械封闭原理及其应用,确定以行星差速器加载的轮轨黏着-蠕滑测试系统概念性设计。采用Hertz模拟准则,编写模拟试验台参数计算MATLAB程序,计算校核试验台关键参数,确定本测试系统的设计需求。计算模拟轮径840（1:4）、1050（1:5）和1260 mm（1:6）等情况下实验室加载法向力、扭矩,接触斑尺寸、应力分布等关键数据,为轮轨摩擦模拟测试系统设计提供基础数据。然后,根据轮轨黏着-蠕滑特性试验的测控需求,设计系统的机械结构,完成标准件选型和非标零件的设计,分析主要误差,校核主要承受载荷零件的强度、刚度。根据测试系统进行黏着-蠕滑特性试验的控制需求,完成伺服控制系统硬件选型及设计;根据试验测量需求,采用Lab VIEW和PXI-6123采集卡完成数据采集与处理系统设计。最后,确定轮轨黏着-蠕滑试验的方法和试验步骤。对轮轨摩擦模拟数据采集与处理系统进行调试,进行轮轨黏着-蠕滑特性曲线的模拟数值仿真试验,验证了数据采集与处理系统功能。上述研究工作表明:基于差速器的轮轨摩擦模拟测试系统具有良好的可行性,为建立全尺寸试验台打下基础。

关键词： 轮轨滚动接触疲劳   等效移动载荷法   疲劳裂纹萌生与扩展   弹塑性分析   磨耗  

摘要： 随着我国铁路运输重载化和高速化进程不断推进,轮轨损伤成为轮轨关系研究中亟待解决的主要科学和工程问题。轮轨滚动接触疲劳作为一种主要的轮轨损伤形式,直接影响列车运行安全性与平稳性,但其形成原因和演化机理还不够明确,有关防控措施还不够完善。因此,本文采用有限元模拟方法,研究了轮轨滚动接触疲劳裂纹萌生和扩展特性以及滚动接触疲劳与磨耗的竞争关系,主要内容如下:(1)考虑了轮轨系统的几何非线性、材料非线性和接触非线性,基于ABAQUS软件建立了三维轮轨滚动接触有限元模型,模拟了轮轨稳态滚动接触行为,得到了不同列车速度下轮轨滚动接触弹塑性应力仿真解,并基于等效移动载荷法将稳态接触载荷分别施加在车轮和钢轨有限元模型上,验证了等效方法的可行性。结果表明,不同列车速度下得到的稳态接触力基本一致,但需要长时间的动态松弛来保证轮轨接触力的收敛;等效移动载荷法能较好地模拟轮轨滚动接触,可适用于滚动接触疲劳裂纹萌生及扩展研究。(2)基于等效移动载荷法和Jiang-Sehitioglu多轴疲劳裂纹萌生寿命预测模型,利用轮轨目标面各节点裂纹萌生最大损伤参量FPmax预测了裂纹萌生位置、角度和寿命,阐述了轮轨滚动接触疲劳裂纹萌生的主要原因,讨论了轮轨表面摩擦系数和牵引系数对疲劳裂纹萌生的影响。结果表明,疲劳裂纹萌生主要由剪应力/应变引起;车轮无摩擦自由滚动状态下,疲劳裂纹萌生位置在轮轨表面以下2 mm附近,此处疲劳损伤值最大;纯滑动及滚滑状态下,随着切向力的增大,轮轨疲劳损伤值逐渐增大,疲劳裂纹萌生寿命不断减小,裂纹萌生位置也逐渐趋于轮轨表面。(3)基于弹塑性断裂力学理论和有限元仿真,开展了轮轨三维表面裂纹弹塑性扩展行为研究,分析了裂纹尖端应力/应变、裂纹面间接触力、裂纹扩展速率等典型的疲劳裂纹扩展特性,讨论了裂纹面摩擦系数、裂纹长度、轮轨表面摩擦系数和牵引系数对轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展特性的影响。结果表明,移动载荷经过裂纹时裂纹尖端附近会形成较大的塑性区,轮轨接触表面以下最深裂尖处扩展速率最大;裂纹面摩擦系数的减小及裂纹长度的增加会加速疲劳裂纹的扩展;在法向与切向移动载荷共同作用下轮轨疲劳裂纹扩展类型为Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,疲劳裂纹扩展速率随摩擦系数和牵引系数的增大而增大。(4)基于Archard磨耗模型,推导了车轮和钢轨表面磨耗速率的计算公式,探讨了轮轨滚动接触疲劳与磨耗的竞争关系,分析了不同牵引系数、轴重和裂纹摩擦系数下磨耗对轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明,轮轨表面的磨耗速率与移动载荷的黏滑分布、法向载荷和轮轨材料硬度等因素有关;轴重的减小、牵引系数和裂纹面摩擦系数的增大都会加强轮轨疲劳裂纹扩展与磨耗的竞争关系。本文开展了轮轨滚动接触疲劳裂纹萌生与扩展特性的有限元仿真研究,阐明了关键参数对轮轨滚动接触疲劳裂纹萌生及扩展的影响,揭示了磨耗对疲劳裂纹扩展速率的影响规律,可为高速轮轨系统优化设计及列车安全服役提供一定的技术支持。

关键词： 车轮扁疤   钢轨磨耗   滚动接触疲劳   模型验证  

摘要： 基于车辆轮对模态建立了车辆-轨道刚柔耦合动力学计算模型和扁疤模型,并进行了模型验证。基于赫兹接触理论、 FASTSIM计算方法以及Archard磨耗模型,计算了车轮扁疤对钢轨磨耗以及滚动接触疲劳的影响,以探究其规律。