輪軌接觸表面微裂紋擴(kuò)展研究.pdf

1、新世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)鐵路旅客列車(chē)速度的提高和貨物列車(chē)軸重的增加，對(duì)鐵道科技研究提出了一系列挑戰(zhàn)，急需解決許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，輪軌滾動(dòng)接觸問(wèn)題就是其中之一。輪軌滾動(dòng)接觸疲勞和磨損一直是鐵路運(yùn)輸業(yè)難以解決的老問(wèn)題，其中又以疲勞裂紋的擴(kuò)展及斷裂危害最大。本文利用ANSYS建立了鋼軌表面微裂紋的二維有限元模型。在裂紋面上引入了接觸單元，模擬裂紋面的張開(kāi)和閉合;在裂紋尖端引入了奇異單元，以研究裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子。計(jì)算中考慮了鋼軌材料的非線性和接觸邊界

2、的非線性。通過(guò)計(jì)算，獲得了鋼軌表面豎直微裂紋的裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子及應(yīng)力。利用斷裂力學(xué)的裂紋起始擴(kuò)展判據(jù)和裂紋斷裂判據(jù)，對(duì)U71Mn鋼軌表面豎直微裂紋的擴(kuò)展情況進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)Paris公式對(duì)鋼軌的疲勞壽命進(jìn)行了估算。具體開(kāi)展的研究工作如下:
　　 1、采用Hertz接觸理論，利用ANSYS有限元模型分別計(jì)算了10噸和20噸軸重下無(wú)摩擦力作用的鋼軌表面微裂紋的裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子及應(yīng)力。結(jié)果表明，軸重對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子有著顯著

3、影響，尤其是對(duì)KI的影響;在車(chē)輪滾動(dòng)過(guò)程中，表面微裂紋位于接觸斑邊緣處時(shí)，其應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到最大值。
　　 2、通過(guò)建立鋼軌表面微裂紋的有限元模型，在真實(shí)輪軌接觸摩擦力作用下，對(duì)于磨耗型車(chē)輪踏面-磨耗型新軌和磨耗型車(chē)輪踏面-已磨耗鋼軌的兩種接觸外形，計(jì)算了鋼軌表面不同長(zhǎng)度的微裂紋在不同軸重下的裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子及其應(yīng)力。結(jié)果表明:磨耗型車(chē)輪踏面-磨耗型新軌下的應(yīng)力強(qiáng)度因子要比磨耗型車(chē)輪踏面-已磨耗鋼軌下的大得多，新鋼軌表面微裂紋更

4、容易擴(kuò)展，因此對(duì)于鐵路新軌應(yīng)避免重車(chē)運(yùn)行;隨著車(chē)輪滾動(dòng)，裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在接觸斑邊緣附近;軸重增加，裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子大幅增大;裂紋尺寸增大，裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子Kl先增大后減小;在車(chē)輪碾壓過(guò)程中，微裂紋只在位于接觸斑邊緣附近時(shí)才會(huì)張開(kāi)，其它位置微裂紋是閉合的。
　　 3、在真實(shí)輪軌接觸摩擦力作用下，對(duì)于錐型車(chē)輪踏面-磨耗型新軌的接觸外形，計(jì)算了鋼軌表面不同長(zhǎng)度的微裂紋在不同軸重下的裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子及其