关键词： 高速铁路   轨道病害   轮轨关系   接触姿态   安全评估  

摘要： 我国高速铁路建造技术已达到世界一流水平,但在运营安全和长期服役性能等方面仍面临巨大挑战。因轮轨高速、高频、反复的冲击和振动,涌现出了众多无砟轨道异常病害问题。轨道病害与高速铁路运营条件下轮轨接触状态密切相关,为掌握列车高速运动状态下轮轨接触状态与轨道结构服役病害的相互关系,进而对高速铁路服役能力准确评估。本文依托国家自然基金“基于高精度结构光的高速铁路轮轨动态接触姿态检测系统”项目,基于车辆-轨道耦合动力学、多体动力学、有限元等相关理论,根据不同轨道病害类型分别建立相应的车辆-无砟轨道动力学分析模型。仿真计算了四种典型轨道服役病害下轮轨接触姿态参数的变化规律,进一步结合高速车辆安全运行分析,得到了不同接触姿态参数的安全限值,最后给出了基于轮轨接触姿态信息的轨道服役病害识别方法。主要内容如下:(1)建立了考虑轨道短波病害和中长波病害的车辆-轨道耦合动力学精细化模型对于轨道短波服役病害,基于有限元理论建立三维高速轮轨瞬态滚动接触细观有限元模型,用于精确求解钢轨焊缝和波磨病害下的轮轨接触姿态信息。对于轨道中长波服役病害,基于多体动力学理论建立车辆-无砟轨道宏观动力学分析模型,用于仿真计算轨道板离缝和上拱病害下轮轨接触姿态信息。(2)研究了高速铁路短波服役病害对轮轨接触姿态的影响规律高速铁路钢轨焊缝病害对轮轨接触姿态影响规律:焊缝波长一定时,轮轨垂向力、接触斑面积、接触斑纵轴长、轮对沉浮量、轮对侧滚角等参数随着焊缝波深的增大而近似呈线性增大;轮轨接触斑面积与轮轨垂向力的变化规律具有良好的一致性,一侧焊缝病害对另一侧轮轨接触状态影响较小。焊缝波深一定时,接触斑面积、接触斑纵轴长随着焊缝波长的增大而减小;轮对沉浮量、轮对侧滚角等参数随着焊缝波长的增大而近似呈线性增大。高速铁路钢轨波磨病害对轮轨接触姿态影响规律:波磨侧接触斑面积及纵轴长随着波磨几何呈现出周期性波动,一侧波磨病害对另一侧接触状态影响较小。波磨波深一定时,轮轨力、接触斑面积在波磨波长为80mm达到最大。波磨波长一定时,轮轨力、接触斑面积、接触斑纵轴长均随着波深的增大而近似呈线性增大。(3)研究了高速铁路轨道中长波服役病害对轮轨接触姿态的影响规律高速铁路轨道板离缝病害对轮轨接触姿态的影响规律:离缝长度一定时,轮轨垂向力、轮对沉浮量、钢轨垂向动位移、接触斑面积、接触斑纵轴长均随着离缝量的增大而增大;接触斑面积、接触斑纵轴长变化规律与轮轨力的变化规律一致;轮对沉浮量、钢轨动位移随着离缝量的增大呈现出较强的线性变化规律。轨道板离缝深度一定时,轮轨垂向力、轮对沉浮量、钢轨垂向动位移、接触斑面积、接触斑纵轴长均在离缝长度为两块板时达到最大;轮对沉浮量、钢轨动位移沿轨道纵向的变化范围与离缝波长基本一致。高速铁路轨道板上拱病害对轮轨接触姿态的影响规律:当上拱范围一定时,轮轨垂向力、接触斑面积、接触斑纵轴长均随着上拱量的增大而增大;钢轨垂向动位移的峰值随着上拱量的增大而近似呈线性增大。当上拱量一定时,轮轨垂向力、接触斑面积、接触斑纵轴长均随着上拱范围的增大而增大;由于板底离缝闭合的影响,上拱范围较大时,轮对沉浮量变化不明显;钢轨垂向位移峰值随着上拱范围的增大而增大,垂向位移沿轨道纵向的分布能够反映上拱范围大小。(4)研究了基于轮轨接触姿态信息的轨道安全评估及病害识别方法基于不同轨道病害下列车安全性指标的变化规律和轮轨接触姿态分析结果,轨道板最大离缝量和上拱量不宜超过8mm;钢轨焊缝波深最大值不能超过0.2mm;应及时整治80mm波长波磨病害,波磨波深应控制在0.1mm以内。根据不同姿态参数与轮重减载率的对应关系,接触斑面积变化率不能超过0.5;接触斑纵轴长变化率不能超过0.3;轮对沉浮量的安全限值为9.6mm;钢轨垂向位移的安全限值为10mm。基于接触姿态的轨道病害识别方法:对于离缝病害,可根据轮对沉浮量和钢轨动位移的变化规律分析病害特征参数;对于上拱病害,应用钢轨动位移的变化规律能够较为直观的评估;对于焊缝病害,根据接触斑面积频率带宽分析其波长大小,进而根据接触斑面积与焊缝波深的对应关系识别其波深大小;对于波磨病害,根据接触斑面积主频分析其波长大小,进而通过接触斑面积与波磨波深的对应关系判断其波深大小。

关键词： 轮轨滚动接触行为   弹塑性模型   蠕滑力/率   动态响应   有限元模拟  

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,因此,轮轨关系一直是高速铁路领域最重要的研究课题之一。随着列车高速化、重载化发展,轮轨间动态相互作用越显突出,直接影响高速列车服役过程中的运行安全性、平稳性和舒适性,导致轮轨滚动接触行为十分复杂而又亟待解决。本文采用理论分析和数值模拟相结合的研究方法,开展了轮轨接触静、动力学行为的弹塑性分析,本文的主要研究内容和成果如下:（1）基于Hertz接触理论和双线性强化模型,开展了轮轨接触弹塑性静力学分析,得到了轮轨接触斑特性、接触压力分布和接触变形等典型力学响应特征,讨论了轴重对接触压力和接触变形的影响规律,并引入理论误差系数分析了弹性和双线性强化模型对轮轨接触力学响应预测结果的差异性。结果表明,轮轨接触压力和接触变形均随轴重的增加而增大;Hertz接触理论会过高地估计轮轨接触刚度,而弹塑性接触理论过低地估计轮轨接触刚度;双线性强化模型的理论误差系数较小,采用双线性强化模型能较准确地预测轮轨接触弹塑性力学行为。（2）基于Carter和Vermeulen-Johnson（V-J）经典滚动接触理论及双线性强化模型,开展了二维和三维轮轨滚动接触行为弹塑性分析,阐明了轮轨弹塑性接触区黏/滑分布规律,给出了弹塑性蠕滑力/率数值表达式,构建了轮轨滚动接触弹塑性蠕滑力/率映射关系,分析了弹性与弹塑性蠕滑力/率曲线的差异性,讨论了轮轨材料应变率效应对轮轨接触弹塑性蠕滑力/率曲线的影响规律。结果表明,在相同工况下,弹塑性蠕滑力/率曲线初始斜率小于弹性蠕滑力/率曲线,且弹塑性饱和蠕滑率大于弹性饱和蠕滑率;随着应变率的增加（轮轨接触载荷保持不变）,弹塑性蠕滑力/率曲线初始斜率逐渐增大,并向弹性蠕滑力/率曲线靠近。（3）基于考虑轨下基础结构和一系悬挂系统的三维轮轨滚动接触有限元模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件模拟了轮轨瞬态滚动接触行为,讨论了不同牵引系数及轮轨材料应变率效应对接触斑黏/滑特性、接触压力、切向应力、von-Mises应力和等效塑性应变的影响规律。结果表明,随着牵引系数的增大,轮轨接触蠕滑率增大,接触斑内黏着区显著减小,滑动区增大,直至变为全滑动状态,且最大von-Mises应力位置从轮轨接触次表面位置向轮轨接触表面位置移动,这表明高蠕滑轮轨接触状态更容易造成轮轨接触表面损伤;轮轨材料应变率效应使轮轨接触区域von-Mises应力增大,塑性应变减小,但对轮轨接触黏滑状态影响不大。本文系统地开展了弹塑性轮轨接触响应理论分析和仿真研究,构建了弹塑性蠕滑力/率映射关系,揭示了轮轨滚动接触弹塑性黏/滑机理,可为高速轮轨系统安全服役和损伤评估提供一定的理论基础和技术支持。

关键词： 第三体介质   轮轨黏着   轮轨试验   模型仿真   滚动接触  

摘要： 轮轨黏着行为对列车的牵引和制动具有决定性影响,是轮轨关系中极为重要的关键基础性科学问题。然而,轮轨黏着是一个十分复杂的摩擦学过程,列车在线路上运行时不可避免地会遇到雨水、落叶和机油等"第三体介质"的污染,从而使轮轨黏着大大降低,给列车的行驶带来严重的安全隐患。因此,对轮轨黏着机理的相关研究可为铁路预防和处理轮轨低黏着现象提供理论支撑,有助于发展轮轨增黏防滑的新方法和新对策。近年来,第三体介质对轮轨黏着的影响机理及其作用规律引起了国内外学者的广泛关注。许多研究人员利用轮轨滚动接触试验台通过比例试样模拟不同服役工况的轮轨黏着;随着研究的不断深入,部分研究者通过建立数值模型对介质下的轮轨滚动接触行为进行仿真模拟,并与试验结果进行对比验证。相关研究结果在一定程度上揭示了第三体介质对轮轨黏着的影响规律,为深入理解轮轨低黏着现象提供了理论依据,具有重要的理论参考价值;同时,对于保证高速列车的运行安全、保障我国高速铁路网的全天候正常运营具有深远的工程意义。文中分别从水、树叶、油以及不同类型铁的氧化产物等第三介质对轮轨黏着的影响展开讨论,重点综述了模拟试验、模型仿真以及如何有效应对低黏着行为等方面的国内外研究进展及现状。最后,指出轮轨低黏着问题现有研究的不足以及对未来的展望。

关键词： 层流等离子体   点状淬火   轮轨材料   滚动接触磨损   表面损伤  

摘要： 随着当今社会科学技术的发展,铁路运输行业也在人们日渐增长的各种需求下朝着高速化与重载化方向发展。而高速动车组轮轨运行工况复杂、恶劣,导致车轮与钢轨之间的磨损与接触疲劳问题成为了影响列车运行稳定性、安全性以及车轮服役寿命的关键因素。论文采用一种新的高速轮轨材料表面处理方法以提高耐磨性:层流等离子体点状淬火技术。利用等离子体对ER8车轮钢和钢轨U71Mn G进行点状淬火处理,在材料表面形成一系列规则排列的硬化区域,该区域以极快的速度加热到奥氏体化温度并迅速冷却,发生相变强化,从而提高硬度以期强化轮轨材料表面。利用MJP-30滚动接触磨损试验机研究验证了层流等离子体淬火参数如距离、处理面积比率等对轮轨试样表面摩擦磨损性能的影响。通过试样材料表面微观形貌观察、损伤剖面观察、硬度检测、扫描电子显微镜（SEM）等技术手段探究了轮轨材料的磨损机理。在上述研究的基础上,最终形成了优化后的淬火工艺参数,为有效提高高速列车轮轨材料耐磨性提供了新的工程解决思路与选择。本论文主要研究结论如下:层流等离子体点状淬火处理可显著提高高速轮轨材料耐磨性。经淬火处理后,材料表面形成致密的马氏体组织,显微硬度提高2倍以上,在5%滑差率条件下总磨损率可降低80%以上。并且层流等离子体表面点状淬火可改善轮轨材料的损伤形式,淬火后形成的月牙状硬化区与基体之间存在良好的协调性和结合力,可抵抗材料的塑性变形和裂纹扩展。不同的淬火距离和不同的表面淬火面积比对轮轨材料磨损性能影响存在显著差异,在避免试样出现过烧现象的情况下,轮轨材料耐磨性随着淬火距离增大而降低;同时,较低的淬火处理面积比不足以使其耐磨性能达到最佳,但是淬火面积比过大又会出现过多硬化区被压碎的现象,反而增大了产生表面损伤和剥离的可能性。为获得最佳的综合抗磨损性能,在淬火功率6.5 k W,淬火时间0.7s,气流量5.5 L/min条件下,淬火距离为10 mm、淬火处理面积比为30%的点状淬火工艺为最佳的工艺参数。

关键词： 地铁车辆   道岔转辙器区   轮轨接触概率分布   滚动接触疲劳损伤   车辆-轨道耦合动力学  

摘要： 滚动接触疲劳伤损是影响轮轨自身服役寿命的重要因素之一,而在道岔转辙器部件内,钢轨的滚动接触疲劳伤损是主要的伤损形式之一。本文基于地铁轮轨接触概率分布对地铁道岔转辙器区的钢轨滚动接触疲劳伤损及其影响因素进行了研究,主要工作和结论如下:(1)通过查阅国内外轮轨滚动接触疲劳理论研究的相关文献,明确了研究滚动接触疲劳的目的,选取了本文所需的研究滚动接触疲劳伤损的方法,即通过材料安定图和基于磨耗数的损伤函数去研究钢轨的滚动接触疲劳伤损。(2)建立了地铁车辆-道岔转辙器区刚柔耦合动力学模型,从车辆动力学模型、道岔转辙器区动力学模型与轮轨接触关系三个部分阐述了模型的建立过程。(3)介绍了两种分析钢轨滚动接触疲劳损伤的方法。第一种是基于材料安定图计算钢轨表面疲劳指数的方法,该方法可以分析钢轨表面发生滚动接触疲劳损伤的可能性大小。第二种是基于轮轨接触概率分布,以基于磨耗数的损伤函数为辅助分析钢轨表面滚动接触疲劳损伤发生位置的方法。(4)根据地铁车辆-道岔转辙器区刚柔耦合动力学模型的计算结果,对转辙器区钢轨的蠕滑力合力及其角度分布进行了分析。通过三维弹性体非赫兹接触理论计算了曲尖轨的法向接触应力,并基于材料安定图对曲基本轨、曲尖轨表面疲劳指数分布进行了系统分析。(5)基于磨耗数的损伤函数和轮轨接触概率分布情况,分析了道岔转辙器区滚动接触疲劳损伤大小的分布情况,并比较了速度、轴重、内摩擦因数对滚动接触疲劳损伤的影响。当基于磨耗数的损伤函数位于II区时,轮轨接触概率高的区域与滚动接触疲劳最大值区域重合。曲尖轨在钢轨表面横向累积损伤主要集中在轨距角处,当轨距角处滚动接触疲劳损伤不断积累,会有裂纹和剥离掉块的现象发生。在线路纵向上,曲尖轨滚动接触疲劳损伤在尖轨顶宽36mm-42mm区段较为严重,在养护维修上,要时常对这一区段的钢轨进行打磨。车辆速度对于曲尖轨滚动接触疲劳损伤影响更加显著,车辆轴重对于曲基本轨滚动接触疲劳损伤影响更加显著。而随着轮轨摩擦因数的提高,曲基本轨和曲尖轨的轮轨垂向力、横向力、蠕滑力合力、表面疲劳指数及滚动接触疲劳损伤都有显著提升。相比较而言,轮轨内摩擦因数是影响道岔转辙器区滚动接触疲劳损伤更为显著的因素。

摘要： 近日,资源科技公司收到中铁物贸集团有限公司轨道集成分公司发来的中标通知书,成功中标护轮轨框架协议竞争性谈判项目,中标数量5万t。自2020年10月与中铁物贸轨道公司签署《再用轨战略合作协议》以来,资源科技公司多次对接中铁物贸轨道公司,提前筹划、积极跟踪,深入了解对方需求,凭借优质的服务、良好的信誉和合理的报价,最终成功赢得谈判。

关键词： 轮轨滑动摩擦   接触介质   摩擦热   损伤机理  

摘要： 随着铁路高速化和重载化的发展,铁路轮轨损伤问题日益突出。轮轨滑动接触是重载铁路启动和制动过程中最常见的接触方式之一,也是造成轮轨损伤的主要方式。轮轨滑动接触时,轮轨间存在不同形态的接触介质,如树叶、砂子、道砟粉末、水、雪和油污等。这些接触物质的存在会在一定程度上加速或者减缓轮轨间接触损伤的发展情况,同时轮轨滑动接触时,轮轨间的机械作用会导致轮轨材料温度升高,接触介质共同作用时,可进一步引发复杂物理化学反应。研究不同接触介质对轮轨滑动接触损伤的发生和热力损伤的关系,是对轮轨接触相关研究的补充,对铁路养护周期的确定具有重要指导意义。本文采用轮轨滑动摩擦试验机,通过试验的方法,研究了不同试验介质和模拟不同轴重的工况下轮轨的温升情况和接触面损伤情况;同时,对不同介质工况和轴重工况下的动力系数、滑动摩擦系数进行了分析计算。文章还针对轮轨滑动摩擦试验结果,对各个温度变化阶段展开分析,对比不同介质工况和轴重工况下的节点温度以及温度发展趋势。最后文章在图像分析的基础上,对不同接触介质下的轮轨损伤进行了微观机理分析。本文的研究由国家自然基金“高速列车关键热物理基础问题研究（51236003）”的资助开展,文章展开的主要研究如下:（1）在基于滚动接触理论和润滑力学在轮轨摩擦中的应用理论基础上,通过文献调查和理论计算的方式设计试验,开展以轮轨滑动摩擦试验机为试验平台的轮轨滑动摩擦试验。（2）基于试验机采集的应变数据,对轮轨滑动摩擦时,试验机在不同轴重和接触介质下的动力系数和滑动摩擦系数进行了研究,得出对应数值的变化区间。（3）试验采用FLEX-4015热电阻温度模块对轮轨滑动摩擦过程中的温度进行了采集,研究讨论了轮轨滑动摩擦过程中的温度变化趋势和明显的变化阶段。同时在上述研究成果的基础上,对轮轨滑动摩擦快速升温阶段做了进一步的细化和研究,分析研究了不同接触介质下介质对轮轨滑动摩擦温升情况的影响。试验还采集了轮轨试件不同接触深度的温度变化情况,对不同介质下轮轨滑动摩擦时沿接触斑法向方向的温度衰减趋势做了对比分析。（4）在试验基础上,对不同介质和轴重工况下的轮轨滑动接触表面损伤图像进行了对比分析,得出不同轴重和不同试验介质下的热疲劳损伤情况,并对各种热疲劳损伤行为进行了进一步的分析和阐述,结论表明液体介质引起轮轨损伤较固体介质和无介质工况更为严重,且其损伤机理明显不同。最后文章在热力损伤图像的基础上,对轮轨滑动热疲劳损伤的微观机理进行了分析和补充,同时提出不同试验介质引起的疲劳损伤、热效应和机械摩擦所占比重受到接触介质种类和数量的双重影响,并在微观角度阐明不同介质工况下的裂纹萌生和发展机理。本文通过试验手段,分析了轮轨滑动摩擦时轮轨表面温度变化情况和界面损伤情况,详细研究了轮轨滑动摩擦过程中轮轨的温升变化和不同介质在其温升过程中的影响。最后,在微观的视角下剖析了不同介质工况引起损伤的微观作用机理。本文试验设计、方法合理,试验结果真实可靠,可为不同接触介质下轮轨滑动摩擦的理论分析和数值分析提供参考。

关键词： 铁道车辆   车轮廓形   数据平滑方法   轮轨接触   动力学仿真   动力学性能  

摘要： 随着我国轨道交通的快速发展，解决工程问题时车辆动力学的应用越来越广泛，实测轮轨廓形被大量用于动力学仿真。实测廓形数据都具有测量误差，甚至局部错误畸变点，对这些廓形进行前处理以满足Hertz接触条件，尽可能提高车辆动力学仿真精度和效率，是车辆动力学仿真的重要问题。研究轮轨型面实测数据处理方法的大部分文献只以提高廓形表面光滑度为目标，很少考虑算法对轮轨接触，尤其是对车辆动力学性能的影响。本文采用几种数据平滑方法和曲率计算方法对车轮廓形实测原始数据进行处理，结合准弹性修正轮轨接触点位置和曲率，建立车辆非线性动力学模型并开展了数值仿真，对比分析了轮轨廓形数据处理方法对轮轨接触几何参数、接触斑形状、蠕滑力和车辆动力学性能的影响。本文的具体工作和结论如下：　　（1）对比分析了几种数据平滑方法对轮轨廓形实测数据处理的效果，包括廓形的平滑程度、等效锥度等接触几何参数、接触点曲率和接触斑长短轴半径等。　　（2）在轮轨接触点位置一定区域内取三个点构成三角形，假设三角形外接圆曲率等于中间点的曲率，通过滑移窗和端部延拓得到整个廓形上的曲率。该方法计算的曲率变化平缓，能反映实际廓形的曲率分布情况，显著减少不满足Hertz接触条件的轮轨接触点对，比曲率公式的计算效果有明显改善。　　（3）准弹性接触点修正只能使接触点位置分布更加均匀，从而使接触几何参数曲线也更加平滑，不能对轮轨廓形及曲率进行修正;准弹性曲率平滑方法能够滤除曲率较大的峰谷值点，对曲率波动不大的情况平滑效果理想。两种准弹性修正对表面具有较大凹凸不平顺的原始实测踏面曲率修正效果均不佳。　　（4）动力学仿真结果表明，车轮廓形光滑度对轮重减载率影响较大，最大能达到50%以上，而不同平滑方法对其余动力学指标的影响一般在10%以内;轮轨廓形平滑方法对高速列车蛇行运动稳定性影响也比较显著，相差约40%~60%。　　（5）采用标准踏面傅里叶低通滤波法对实测车轮廓形平滑处理，采用三角形外接圆曲率算法计算廓形曲率，对FASTSIM和CONTACT计算的轮轨接触斑形状和蠕滑力，结果表明：踏面曲率算法对FASTSIM计算结果影响很大，廓形平滑对CONTACT计算结果影响较大;以CONTACT计算结果为基准，FASTSIM对蠕滑力的计算误差一般在20%以内，这还包括车轮廓形处理带来的误差。

关键词： 轮轨摩擦   应力   应变   摩擦热   直接耦合  

摘要： 近年来,伴随我国经济的不断发展,铁路系统也发展迅速。各种促进铁路系统加速发展的政策也相继出台,铁路系统不断向高速化、重载化发展。此前,Hertz接触理论在轮轨接触研究领域被广泛应用,但因其本身的局限性,在揭示轮轨接触真实状态方面表现较差。大型模拟仿真软件的开发利用,很好解决了这一问题。通过利用模拟仿真软件可以较为真实的反映轮轨接触状态的变化,为高速铁路的科学研究提供重要参考。鉴于高速铁路无横移时轮轨的接触特点,利用ABAQUS模拟仿真软件建立热-结构直接耦合的三维轮轨接触模型。轮轨接触模拟主要依据动态-结构—温度直接耦合动力学理论,利用ABAQUS的Explicit求解模块模拟仿真轮轨接触,对轮轨接触斑温度、应力和应变数值进行求解,并对其相关关系进行分析研究,得出如下结论:（1）列车正常运行不同时刻时,在相同的轴重、摩擦系数和对流换热系数下,在轮轨摩擦热和轮对机械载荷的热-结构耦合作用下,轮轨应力和应变都随轮轨接触斑摩擦温度上升先下降后上升。综上可得列车正常工作条件下,轮轨在热-结构耦合作用下,应力和应变与轮轨接触斑摩擦热先呈负相关关系,后呈正相关关系。（2）轮轨间摩擦系数不同时,在相同的轴重和对流换热系数下,列车正常运行时,在轮轨摩擦热和轮对机械载荷的热-结构耦合作用下,钢轨应力随轮轨接触斑摩擦温度上升而上升,应变先下降后上升;车轮应力、应变都随轮轨接触斑摩擦温度上升而上升,上升幅度基本一致。综上可得列车正常工作条件下,在热-结构耦合作用下,钢轨应力与轮轨接触斑摩擦热为正相关关系,应变与轮轨接触斑摩擦热先呈负相关关系后呈正相关关系;车轮应力、应变与轮轨接触斑摩擦热为正相关关系。（3）轮轨与空气间对流换热系数不同时,在相同的轴重和摩擦系数下,列车正常运行时,在轮轨摩擦热和轮对机械载荷的热-结构耦合作用下,钢轨应力随轮轨接触斑摩擦温度上升而上升,应变随轮轨接触斑摩擦温度上升而下降;车轮应力和应变都随轮轨接触斑摩擦温度上升而上升。综上可得列车正常工作条件下,在热-结构耦合作用下,钢轨应力与轮轨接触斑摩擦热为正相关关系,应变与轮轨接触斑摩擦热为负相关关系;车轮应力和应变与轮轨接触斑摩擦热为正相关关系。

关键词： 高速铁路   显示有限元方法   焊接接头   平直度   钢轨断缝   台阶值   断缝限值  

摘要： 随着中国高速铁路的不断发展,目前中国高速铁路最高速度已提升至350km/h,同时随着新时代的到来,国家需要和社会的需求对高速铁路的速度要求不断提高,目前已把时速400公里级高速铁路关键技术的研究纳入下一步规划当中。但在如此复杂、高频的铁路运营中,由于轮轨接触产生的问题层出不穷,例如由轮轨冲击造成的轨面损伤和轨道系统的零部件损坏、高速铁路带来的噪声问题以及高速铁路的高标准和高要求带来的高养护维修成本。并且伴随着高速铁路速度的不断提升,轮轨动态的作用关系加剧,一定程度的增加了轮轨间的伤损。通过日渐成熟的焊接技术将标准轨连接起来的无缝线路在一定程度上解决了高速线路在运营速度和周中上的限制。但一些劣质焊接接头对车辆运营带来了新的问题,车辆通过劣质焊接接头时伴随着高额的轮轨冲击力,会造成钢轨伤损、甚至断裂。其次钢轨内部在冬春季节会产生较大的温度拉应力,在钢轨焊接接头处难以保持较好的强度和稳定性,劣质焊接接头在高温度应力的情况下甚至可能会发生钢轨断裂,直接影响无缝线路的行车安全。因此,研究分析更高速度的运营线路的钢轨焊接接头与断缝问题对行车安全和无缝线路养护维修具有重大意义。本文基于显示有限元方法并采用标准LMA车轮踏面与CHN60钢轨型面建立了三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型。在第2章详细阐述了瞬态模型的建模方法与轮轨滚动模拟过程,同时模拟准稳态滚动接触状态并与CONTACT算法进行了有效验证,并展示了准稳态滚动接触状态的轮轨接触求解结果。第3章在第2章建立的三维瞬态滚动有限元模型基础上,在钢轨上引入了理想焊缝不平顺激励以模拟钢轨焊接接头处瞬态冲击行为。计算了时速400km工况下,不同波长、波深下凸型焊缝与凹形焊缝所激起的轮轨动态响应。并提出了时速400km高速运营线路的凸型焊缝、凹型焊缝平直度限值,为铁路工务部门的养护维修工作提供参考。同时建立了时速400km工况下凸型焊缝与凹形焊缝在不同波深下轮轨最大动态力与几何梯度拟合曲线,通过实测焊缝的验证,该曲线能有效预测钢轨焊接接头处轮轨动态力,便于工程应用。为模拟钢轨断缝处轮轨瞬态冲击行为,第4章基于显示有限元法建立了考虑钢轨断缝的三维轮轨瞬态滚动有限元模型,详细分析了车轮的跨缝形式,并选择断缝宽度10mm与断缝宽度70mm作为典型工况分析展示了车轮跨缝时的动态响应。同时参数化计算了通过速度、断缝宽度、断缝位置、扣件刚度对车轮跨缝时动态力与台阶值的影响,分析不同条件对车轮跨缝所激起的动态响应的影响程度。并基于断缝位置处于最不利工况进行了限值研究,从车轮跨缝形式与车轮跨缝垂向冲击力的两个角度分别提出了相应的限值,对无缝线路设计的断缝允许值与钢轨断裂后的紧急降速措施提供参考。