关键词： 轮轨滑动   摩擦磨损   滑动仿真   轮轨应力  

摘要： 轮轨系统作为列车行驶的关键系统,对列车的可靠性、稳定性以及舒适性有着十分重要的作用,轮轨摩擦磨损问题也一直被国内外研究人员所关注。列车行驶在大段坡道或者启动时会出现车轮打滑的现象,车轮打滑时对轮轨造成严重的擦伤甚至变形。进一步探究轮轨滑动时的磨耗问题,对提高轮轨材料耐磨性、了解打滑时轮轨间的应力状态有着重要的意义。本文对轮轨试样进行滑动摩擦磨损试验,分析试验参数对摩擦磨损的影响,在ABAQUS软件中建立三维轮轨接触有限元模型,分析仿真参数对轮轨滑动时轮轨间的应力状态与磨损的变化规律,主要研究工作如下:(1)对列车在行驶过程中车轮出现滑动的情况,基于MRH-5高速摩擦试验机,对ER8与CL60两种车轮材料与U71Mn钢轨开展滑动摩擦磨损试验,对干摩擦、水以及水沙混合物三种摩擦介质、不同压力、转速下轮轨试样开展滑动摩擦磨损试验,为分析摩擦系数、温度、磨痕轮廓、磨损以及磨损形貌的变化规律做准备。(2)根据环-块滑动摩擦磨损试验结果,对摩擦系数、温度、磨痕轮廓、磨损以及磨损形貌的变化进行分析,得到不同摩擦介质(干摩擦、水及水沙混合物)、压力和转速对滑动摩擦磨损试验的影响规律;根据试验得到的磨损,改进Archard磨损模型,得到适用于试验条件下的磨损模型。通过分析发现试验参数对摩擦磨损性能影响显著,改进后的磨损模型与试验结果误差约5.74%。(3)以1/8车轮与钢轨为分析对象,对接触区网格细化,基于ABAQUS建立轮轨滑动接触三维有限元模型,通过Hertz接触理论对模型静态接触进行验证,以此模型对轮轨在摩擦系数、轴重以及滑动速度等参数下轮轨间的Mises应力、剪切应力、接触压力以及接触斑等结果进行分析,得到了不同摩擦系数、轴重及滑动速度下的轮轨间应力变化规律;以改进后的Archard磨损模型为原型,得到不同轴重和滑动速度下的钢轨磨损变化规律。由结果可知仿真参数对轮轨间的应力状态有着明显影响,轴重与滑动速度的增大会加重钢轨磨损。基于以上工作得到的轮轨滑动时摩擦磨损的变化规律,可为提高轮轨材料耐磨性提供理论指导,为进一步探究滑动时轮轨擦伤与裂纹出现的原因,延长轮轨服役寿命提供借鉴。

关键词： P2力   P1力   轨道低接头   浮置板道床   地铁车辆  

摘要： 城市轨道交通的发展有效助力了我国城市化的进程,深刻影响了社会变革和人们的生活方式,然而随之而来的环境振动问题也日渐凸显。众多学者针对我国不同地铁线路进行了大量实测试验,归纳其结果可发现地铁引起的地面垂向振动主要集中于40～80Hz频带。本文针对该垂向振动频带,基于轮轨P2力理论从振源上研究其振动机理和传递特性,进而提出有效减振措施。主要研究内容和结论如下:(1)以Jenkins经验公式、Winkler地基模型和双层叠合梁模型为理论依据,建立了三种不同轨道型式的车辆轨道耦合动力学模型,对比分析车辆轨道系统主要参数对轮轨冲击P1力和P2力的影响。仿真结果与理论分析结果均良好吻合,具有较高可信度。结果表明P1力主要受冲击作用影响,与轨道低接头倾角线性相关,随扣件刚度和运行速度增大而渐近增长,且变化幅度较大。此外还研究了扣件阻尼、簧下质量和一系垂向刚度等Jenkins经验公式未作考虑的参数影响,发现三者均存在一“优化区间”。P2力的影响参数较多,与接头倾角呈线性相关,随运行速度、簧下质量和扣件刚度增大均渐近增长。此外,增大扣件阻尼和一系垂向刚度均能对P2力产生一定抑制作用。就P2力频率而言,支承刚度和簧下质量对其起决定性作用,一系垂向刚度因与扣件刚度存在数量级差异对P2力频率几乎无影响。(2)利用短时傅里叶变换和时域对比方法分析了实测的四条地铁线路试验数据,并以落轮冲击台架试验结果为参考依据,明确了地铁线路普遍存在的40～80Hz垂向振动优势频带是由轮轨P2力引起。且振动向下传递至轨道系统时集中在30～100Hz内,加速度传递比显示轨道板对该频段的振动衰减效果不够明显,甚至出现部分频段的振动放大效应。向上传递至构架时往往会引起构架的模态共振,而一旦形成这种分布于全区间的共振势必会严重影响构架的疲劳强度。此外当车轮存在多边形磨耗时可能会在P2力频率区域产生共振,导致振动能量成倍放大。(3)建立了整体道床和浮置板道床模型,分别在跨端位置和跨中位置研究轨道低接头冲击激励引起的振动传递特性,结果表明振动纵向传递范围大致在前后5根轨枕距离内,在第5根轨枕处传递率为10%以下,在前后2个枕跨的范围内振动超出车辆正常通过水平。振动的横向传递路径主要为轨下系统,表现为冲击振动先垂向传递至扣件系统,再通过轨枕或浮置板横向传递至另一侧。振动在垂向具有较强传递性,主要成分为P2力,幅值能够达到正常值的2～3倍,且不易衰减。当P1力幅值较大时,也能传递至扣件力,但不会继续向下传递。(4)结合轮轨冲击P1力和P2力的参数影响分析结果,利用短波激励模拟线路运行情况验证减振措施,结果表明安装刚度较小的剪切型减振扣件能够有效减小P2力幅值,降低P2力频率,但同时会削弱扣件系统对钢轨的约束效应,容易引发钢轨的高频弹性振动,进而导致钢轨波磨,因此需要合理选取参数范围,本文模型中取值为10～20MN/m时,可以较好兼顾两者需求。应用低簧下质量的减振措施可以有效降低P2力幅值,而且不会对其他区间的振动产生不利影响,因此在满足其他条件下应尽量降低簧下质量。浮置板道床虽然对P2力有一定的减振优势,但可能激发浮置板的垂弯模态,造成P2力共振区间的扩大,严重影响其混凝土结构的服役性能和疲劳寿命。因此在进行轨道参数匹配设计时尤其需要合理参考浮置板的模态特征,尽量使得P2力频率避开浮置板的垂弯模态。

关键词： 高速列车   轮轨型面匹配   蛇行运动稳定性   车轮磨耗   型面优化   线路试验  

摘要： 我国高速铁路在过去十年迅速发展,数千列高速动车组投入运营,总体运行状态良好,但在运行过程中也出现了不同程度的异常振动问题,一定程度上影响了运营秩序和旅客乘坐舒适性。高速动车组的蛇行运动稳定性是引起异常振动问题的主要因素,本文主要针对某型动车组在长期服役过程中出现的转向架失稳报警、车体抖动和车辆晃动等异常振动问题开展研究,从改善轮轨接触几何匹配关系角度出发,提出车轮踏面设计方法,并对既有动车组车轮踏面外形进行了改进,在通过开展仿真计算、台架试验、线路试验、批量运用考核等进行验证,有效提高了轮轨维护周期内的车辆运动稳定性。具体的研究工作如下:（1）从仿真模拟、线路试验、机理研究方面系统分析了某型高速动车组在服役过程中出现的转向架失稳报警、车体抖动和车辆晃动等异常振动问题,发现了轮轨接触几何关系的不良匹配是根本原因,指出了悬挂系统参数优化等解决措施及其不足。（2）轮轨匹配不良是导致高速动车组出现蛇行稳定性相关的异常振动问题的主要原因,基于我国实测不同状态下的钢轨廓形,分析了既有车轮踏面与实际钢轨接触关系匹配存在的问题。提出了等效锥度分区控制的踏面设计理念,将车轮踏面分为常工作区、高锥度区、低锥度区,进而实现对不同区域的匹配关系需求而进行整体廓形设计。（3）新设计了一种高速列车踏面,根据上述实际问题和踏面廓形设计理念,对踏面不同分区的等效锥度、接触点对分布、接触角等参数进行设计,再将各分区进行衔接以得到整体踏面廓形。针对新设计踏面和原型踏面,开展了多种工况条件下的轮轨接触几何关系和接触应力对比分析,验证了新设计踏面的可行性。（4）建立高速动车组车辆系统三维非线性动力学模型,考虑多个实测钢轨廓形,采用新设计踏面进行车辆动力学性能仿真,通过与原型踏面条件下的车辆动力学性能对比。考察了车辆运动稳定性、运行安全性和平稳性等相关指标,发现新设计踏面在各种工况下均具有良好的动力学性能,新设计踏面的动力学性能优于原型踏面。（5）研究新踏面对线路状态（主要包括轨距、钢轨廓形）和转向架悬挂参数变化的适应能力,提出了等效锥度离散度指标,用于描述对不同线路状态下的等效锥度的变化分布;利用实际出现车辆异常振动路段的钢轨廓形与改进踏面进行匹配分析,并通过动力学仿真方法分析改进踏面方案对轨距和转向架悬挂参数的敏感性。（6）振动新设计踏面开展滚动振动台架试验,验证新踏面对车辆动力学性能提升的效果;进一步,选择4列动车组进行了一个镟修周期的新设计踏面线路服役性能跟踪试验,考察车轮踏面廓形、转向架稳定性、车辆平稳性、转向架关键位置振动特性随车辆运营里程的演变规律;基于线路跟踪试验结果,选取33列动车组开展批量运用考核跟踪试验,并在最新自主研发的高速动车组上批量装车运用,对批量运用新踏面的动车组进行了车轮踏面外形跟踪测试,分析了不同线路、不同季节、不同速度等服役环境下改进踏面的磨耗性能。台架试验、线路跟踪试验、批量运用考核试验均表明新设计踏面能够有效保障高速动车组的动力学性能,解决了原型踏面存在的车辆蛇行和抖动等异常振动问题,并显著提高了车轮踏面的镟修里程,延长了车轮使用寿命。（7）根据用户检修需求及动车组其它车轮踏面运用经验,基于改进踏面设计了改进踏面薄轮缘经济性镟修方案（包括原型共计13个踏面外形）,对不同踏面外形方案进行了车辆动力学性能、车轮强度、轮轨接触几何、道岔通过校核等计算,并结合动车组批量运用考核进行了薄轮缘方案的试验验证。车轮踏面的薄轮缘方案能够显著减少踏面的单次镟修量,有效提高车轮使用寿命,降低了高速动车运营维护成本。（8）本文根据高速动车组实际运用中发生的异常振动问题,提出了等效锥度分区控制的车轮踏面设计理念,设计了一种新型车轮踏面廓形,并提供了踏面实际运用中所需的薄轮缘经济性镟修方案,经过了台架试验、线路跟踪试验等验证,并在时速300公里及以上中国标准动车组上批量装车运用,解决了原型踏面存在的车辆蛇行和抖动等异常振动问题,并显著提高了车轮踏面的镟修里程,延长了车轮使用寿命,降低了高速动车运营维护成本。本文研究具有重要的理论研究意义和工程应用价值。

关键词： 轮轨磨耗   多刚体动力学   多变量计算   临界速度   动力学指标  

摘要： 近年来随着我国铁路行业的迅速发展,涉及铁路运营过程中的安全性、经济性问题日益突出。尤其是轮轨磨耗问题受到广泛的关注研究,该问题作为轮轨关系中的一个普遍问题,不仅影响着轮轨关系的可靠稳定性,还对铁路运输的安全以及运营成本有着很大的影响。研究掌握轮轨磨耗的特征规律对于我国铁路事业的发展和运营具有重大的理论和实际意义。本文首先对国内外关于车轮磨耗研究的发展历程和目前的现状进行了论述,明确了车轮磨耗预测研究的目的和意义。基于车辆系统动力学理论、三维轮轨接触理论以及材料磨损强度理论在Universal Mechanism动力学软件中建立铁道货车车辆轮轨磨耗预测模型。模型中包括采用K6转向架和C64型货车的66个自由度多刚体系统货车车辆模型;模拟实际线路中曲率半径的分布情况建立的线路模型以及轨道不平顺激励;基于***提出的材料损失量理论和***和***提出的接触力模型建立了一种具有相同迭代结构和不同外部配置条件的多变量计算(MVC)轮轨磨耗预测模型。对建立的轮轨磨耗预测仿真模型进行10万公里里程范围内的磨耗仿真。其中包含不同速度等级、不同曲率半径多变量组合,得到了不同运营里程数下的轮轨磨耗轮廓。车轮型面磨耗情况:磨耗范围主要分布在轮缘曲线区域和踏面圆周区域。磨耗分布范围随着里程数增加变化并不明显,并且踏面磨耗形状成相似规律。钢轨磨耗情况:左轨(外轨)磨耗主要发生轨面和侧面过渡曲面部分,磨耗范围在-15mm-35mm之间;磨耗深度范围在0-1.45mm之间。右轨(内轨)磨耗主要发生在轨面,磨耗范围在-35mm-35mm;磨耗深度范围在0-0.75mm之间。其中轮轨接触参数变化情况:接触角随着轮轨磨耗程度不断增大;等效锥度随着运营里程的增加等效锥度呈现增大的趋势且出现波动变化;计算分析了轮轨磨耗前后不同速度等级下的各项动力学指标。结果表明:车辆临界速度随磨耗程度的增加而减小,且在高于临界速度运行情况下,轮对横向振动特性出现蛇行振动;分析了车辆在直线、R600m、R1000m曲线线路上的各项动力学性能指标受轮轨磨耗影响规律。

关键词： 直线电机轮轨交通   制动控制   储能装置   能量回收  

摘要： 随着地铁成为人们的主要出行方式，城市里地铁车辆的运输需求日益增长。直线电机轮轨交通有爬坡能力强和转弯半径小的特点，适合在情况复杂的城区应用。直线电机轮轨交通主要采用制动电阻消耗回馈制动能量。与消耗制动能量相比，对制动能量进行回收的储能装置吸收方式更加节能环保。不同于旋转式电机，直线电机的滑差率高，并且边端效应对列车再生制动影响显著。因此精确计算制动功率和能量，合理设定制动方式，是直线轮轨交通广泛应用储能技术的前提。　　本文在现今的直线电机(Linear Induction Motor,LIM)的模型研究基础上，推导dq坐标系通用电机状态方程。针对磁链观测器计算分歧的问题，推导考虑边端效应的电流型磁链观测模型。对LIM状态方程模型在额定工况下仿真验证。对比现有实验结果显示，本文所提LIM状态方程模型和磁链观测模型准确度高。　　本文设计含前馈解耦的LIM双闭环矢量控制模型。采用广州地铁4号线电机的数据和额定工况，对调速模型仿真。结果显示，电机模型速度动态响应迅速，调节符合地铁运行要求，模型能精确模拟广州地铁4号线区间运行和调速。　　为解决直线电机滑差率大，再生制动过程短的问题，本文采用再生制动衔接直流能耗制动，并设计保持磁链转角不变的切换方式。采用仿真验证该制动切换方式，电机的电压、电流和磁链均未发生突变，列车按要求平稳制动。进而根据线路参数，采用本文LIM模型，仿真计算上下行制动功率和能量。对比牵引计算的再生制动功率和能量，本文仿真计算反映制动过程的实时特征。　　基于直线电机轮轨交通的制动功率能量计算，为尽可能提高制动能量吸收率，本文分析储能式制动能量回收装置的工作原理，设计匹配区间制动能量的地面式超级电容储能装置，以及采用PID双闭环控制方式的双向DC/DC变换器。本文推导证明单一提高储能装置充电阈值对提高能量吸收率的效果有限。故以进一步提高能量吸收率和稳定直流网压为研究目标，提出采用列车实时功率、牵引网压限值计算的动态充电阈值控制再生制动储能系统的能量回收，并采用储能装置和制动电阻联合工作的能量管理策略。采用在广州地铁4号线区间计算所得的制动功率和能量，对常规单车制动和高峰时多车制动两种情况，计算储能装置和制动电阻最优吸收能量阈值。本文能量管理策略的仿真结果表明，单一提高储能装置充电阈值的方法对吸收率提高作用有限，而基于动态阈值的能量管理策略，能有效提高储能装置的制动能量吸收率，并稳定列车受电弓电压，确保不超限定值。

关键词： 调车机车   轮轨润滑   轮缘磨耗   轮喷器脂润滑   干式减磨装置  

摘要： 机车原有轮轨润滑装置为轮喷器,采用油脂润滑方式。在实际使用中,轮喷器脂润滑效果不太理想,还存在诸多问题。因此,对机车轮轨润滑方式进行改进是十分必要的。通过对机车轮轨润滑方式进行改进,安装干式减磨装置,可有效降低机车轮缘磨损,既确保了机车设备长周期运行,又实现了清洁化生产目标。

关键词： 多体动力学   蠕滑力   大蠕滑   轮轨接触   瞬态滚动  

摘要： 近年来,我国高速铁路事业的快速发展,使得动车组的运行速度不断提升,其中对动车组在运行时所涉及的轮轨接触方面的研究是提升运行性能的关键因素,而在轮轨接触研究中轮轨蠕滑理论往往是研究的重点。目前,随着轮轨蠕滑理论的逐渐完善,许多的学者的的研究重点放在了高速动车组稳态滚动工况下所产生的问题,较少地分析了在不同工况下的轮轨瞬态滚动问题以及动车组高速运行时所产生的蠕滑现象,主要包括轮轨蠕滑力以及接触区的蠕滑特性方面的分析研究。精确的模拟实际接触条件并分析轮轨滚动蠕滑特性在实际的工程应用中亟待解决。本文运用多体动力学仿真软件UM建立了车辆-轨道多体动力学模型,并基于轮轨滚动蠕滑理论对比分析了FASTSIM算法与CONTACT算法两者在直线工况、曲线工况以及考虑风阻后的直线、曲线工况下轮轨动态作用力之间的差异,计算结果表明:车辆在直线轨道上运行得到的蠕滑力基本无差异,在曲线轨道运行时通过FASTSIM算法计算得出的横、纵向轮轨蠕滑力与CONTACT算法计算得出值存在的差异较小,达到了10%到15%,而在大蠕滑以及考虑风阻等比较恶劣的工况下行驶时计算得出的横、纵向蠕滑力与CONTACT算法的计算值存在较大的误差,尤其是在考虑风阻后的曲线路段上,蠕滑力的最大差值达到了25%。可以认为CONTACT算法在瞬态滚动工况下进行蠕滑力计算上相比于FASTSIM算法更加精准,更适用于作出对列车运行时的安全性方面的评价。

关键词： 有限元法   车桥耦合   轮轨接触应力   闪温   纵向蠕滑率  

摘要： 随着我国高速铁路的快速发展,桥梁在线路中所占比重越来越大,车桥耦合问题显的尤为重要。铁路桥梁中车桥之间力的传递是通过轮轨接触关系。不同的轮轨接触力和轮轨间闪温形成的热应力均能影响车桥耦合振动。本文以某铁路刚构桥为工程背景,在ANSYS中研究了不同摩擦系数和滑动速度下的二维轮轨热机耦合模型,修正了考虑温度影响下的Mueller轮轨接触关系,通过ANSYS和UM联合仿真比较该轮轨接触关系和Mueller轮轨接触关系、Non-elliptical轮轨接触关系对车桥耦合振动的差异,验证了该接触关系的合理性。同时也研究不同速度、车重、轨道不平顺波长对车桥耦合振动的影响,主要结论如下:(1)在不同的摩擦系数和滑动速度作用下轮轨间温度在540℃00℃之间,轮轨间闪温产形成的热应力能使轮轨接触应力增大的20.4%左右;热结构耦合场中的等效应力和剪应力均大于结构场中的。轮轨间等效应力和温度均随摩擦系数和滑动速度的增大而增大。根据Carter二维接触理论和力的等效原则,推导出温度能使纵向蠕滑率增大0.45倍并修正了Mueller轮轨接触关系中的纵向蠕滑率。在不同轴重、摩擦因数及滑动速度下,轮轨剪应力均呈“四叶草”状分布且剪应力最大值不在轮轨接触表面。(2)三种不同轮轨接触关系对桥梁的竖向振动影响结果基本一致,但对桥梁横向振动的影响结果相差很大;三种不同的轮轨接触关系对列车的竖向加速度和横竖向平稳性影响相对很小,对轮重减载率影响有一定影响,但是对列车的脱轨系数、横向加速度及轮轨横向力影响比较大。对比Mueller修正接触关系和Mueller接触关系对车桥耦合横向振动差异是因轮轨接触斑内的闪温形成热应力的引起轮轨接触面局部变形并产生剥蚀现象,改变轮轨型面的接触状态,进而导致轮轨接触力发生改变。(3)桥梁的动力响应随速度的增大而增大;列车的脱轨系数、轮轨横向力及轮重减载率随速度增大而增大,平稳性指标、垂向力及加速度随速度增大变化不明显。桥梁和列车的车桥耦合评价指标均随车重的增大而增大。轨道不平顺波长对桥梁的横向振动影响相对较大,桥梁横向振动的敏感不平顺波长在170m左右;轨道不平顺波长对列车的动力学指标影响均比较大且呈非线性变化。

关键词： 高速轮轨材料   滑动磨损   表面超声滚压处理   白层  

摘要： 随着高速铁路的快速发展,车轮和钢轨的服役环境也在逐渐发生着变化,轮轨之间的摩擦磨损问题愈加严重,其中轮轨间的滑动磨损也是重要问题之一。表面超声滚压处理（SURP）是一种新型表面强化技术,可以改善材料表面状态及性能。本文为提高车轮钢耐磨损性能,对D2车轮钢进行表面超声滚压处理,研究表面超声滚压处理对车轮钢纯滑动磨损过程中磨损性能的影响。本文首先根据选择影响SURP结果的主轴转数、进给量和滚压力三个参数进行正交实验研究,对车轮钢表面进行9种不同工艺的超声滚压处理,通过正交优化试验方法确定出提高车轮钢表面性能的最佳工艺参数,并采用此优化参数对D2车轮钢试环进行SURP处理。然后分别进行未处理试样和SURP处理试样的滑动摩擦磨损试验。最后利用显微硬度测试和扫描电镜等分析手段研究轮轨材料在摩擦磨损过程中性能变化以及微观组织演变规律,对比分析SURP处理对D2车轮钢在滑动磨损条件下磨损性能的影响,探讨耐磨机理。研究结果表明,经过SURP处理后,试环表面塑性变形层深度约为260μm。原始材料的磨损试验中,U71Mn钢轨钢比D2车轮钢更耐磨,U71Mn试块和D2试环磨损机制相似,均为磨粒磨损和氧化磨损,并且随着转数不断增加,磨粒磨损逐渐加剧,磨损表面脊缘处出现疲劳裂纹。随着运行转数增加,试环表面的摩擦学白层会持续不断的经历生成、生长与剥落的过程,白层硬度可达890HV,在白层与塑性变形层的连接处易形成裂纹源,并沿着白层的内层不断扩展剥落。在相同磨损条件下,SURP处理后的试环在滑动磨损初期,磨损量比未处理试样降低约57%。对比SURP处理前后试环表面磨损机制发现,原始试环以严重的粘着磨损和磨粒磨损为主,在磨损表面脊缘向犁沟方向容易出现疲劳裂纹,SURP处理后的试环在前期粘着磨损和磨粒磨损比较轻微,磨损表面不易产生疲劳裂纹,几乎无剥落。对比SURP处理前后试环在相同条件滑动磨损过程中的表层微观组织变化得出,SURP处理试环表面不易生成白层,且白层生长趋势缓慢。对比两试环在600r时的显微硬度可得出,SURP处理后的试环最表层硬度较低,硬化层深度较深且表层组织晶粒细化更均匀。表面超声滚压处理使表层组织变形、强化,硬度提高、表面粗超度降低有效减轻了初期磨损和延缓了组织在磨损过程中的演变,具有更好的耐磨性。

关键词： 重载铁路   棘轮行为   轮轨塑性匹配   稳定棘轮应变率  

摘要： 随着货车轴重的提高,在提升运载能力的同时,也使得重载铁路的损伤进一步加剧。良好的轮轨材料性能匹配对于延长钢轨和车轮的服役寿命至关重要。已有轮轨材料匹配研究主要从硬度的角度来优化钢轨的磨损性能,而对于轮轨塑性匹配的相关研究却少见报道。由于新一代高强钢轨的研发及应用,重载铁路钢轨的接触磨损得到有效抑制,但由于滚动接触疲劳诱发的伤损问题却日益突出。因此,本文对现役的四种钢轨材料的棘轮行为进行了实验对比研究,进而建立能够合理描述四种钢轨材料的循环塑性本构模型,编写ABAQUS用户材料子程序,通过重载轮轨滚动接触三维有限元分析,提出轮轨塑性匹配的最佳方案,研究结果对重载钢轨延寿具有重要意义。本文的主要工作总结如下:(1)为了对比研究四种现役钢轨材料热轧U71Mn、热处理U71Mn、热轧U75V和热处理U78Cr V的循环塑性行为,进行了初始循环周次棘轮应变相近及相同峰值应力下的非对称应力控制循环实验,结果表明:当初始棘轮应变相近时,棘轮应变的后续演化并不完全依赖于材料基本的屈服强度和抗拉强度,热处理钢轨材料棘轮应变率无论是初始值还是稳定值都高于热轧钢轨材料;从棘轮演化趋势上来看,四种钢轨的棘轮演化规律相似,即棘轮应变率开始较高,随后迅速下降至准安定状态;(2)在Abdel-Karim-Ohno随动硬化律中引入与累积塑性应变有关的棘轮参数,建立了改进的循环塑性模型,编写了用户材料子程序,给出合理的材料参数确定步骤,对四种钢轨材料的单轴拉伸和非对称应力循环实验进行了合理预测;(3)建立轮轨滚动接触三维有限元模型,开展钢轨滚动有限元分析。结果显示,接触应力峰值、等效应力随着轴重和材料屈服强度、抗拉强度的增加而增加,摩擦系数主要对切应变影响较为明显,车轮的塑性应变远大于钢轨塑性应变,且随着钢轨强度增加,车轮塑性应变增大而钢轨塑性应变减小,在相应的轴重下热轧U71Mn、热轧U75V和热处理U71Mn钢轨材料和ER7车轮材料都出现了渐进增加的棘轮应变,强度较高的热处理U78CrV在30 t轴重下发生塑性变形后,不再发生演化即达到塑性安定。(4)通过棘轮应变率与极限应变的内在关系,建立了疲劳裂纹萌生寿命预测方程,分析不同工况下轮轨材料的裂纹萌生寿命。结果显示,在25 t和30 t轴重下,与ER7车轮最佳匹配的钢轨顺序依次是热处理U78CrV、热轧U75V、热处理U71Mn和热轧U71Mn,27t轴重下依次是热处理U78CrV、热处理U71Mn、热轧U75V和热轧U71Mn。