基于熱力耦合的鋼軌接觸疲勞傷損研究.pdf

1、隨著列車速度、運(yùn)量和軸重大幅度提高，輪軌滾動接觸疲勞破壞變得越來越嚴(yán)重。而熱損傷是高速重載車輪和鋼軌的主要失效形式之一，其引起的輪軌表面剝離破壞導(dǎo)致車輛軌道結(jié)構(gòu)激烈的振動并產(chǎn)生噪音，不僅影響了乘坐舒適度，而且縮短軌道與機(jī)車車輛零部件的使用壽命，威脅鐵路的運(yùn)營安全。因此，開展輪軌摩擦熱損傷分析的研究具有重要的工程應(yīng)用價值和理論指導(dǎo)意義。本論文根據(jù)輪軌間相互作用的特點，以貨車車輪、機(jī)車車輪和60kg/m鋼軌為研究對象，基于輪軌接觸理論、傳熱

2、學(xué)和斷裂力學(xué)理論，利用熱力耦合有限元方法計算分析了輪軌滾滑接觸時鋼軌的溫度場和應(yīng)力場分布情況和鋼軌表面疲勞裂紋的擴(kuò)展特性。
　　 首先，利用有限元分析軟件ABAQUS建立了輪軌摩擦接觸時鋼軌的熱彈塑性平面應(yīng)變有限元模型。模型中考慮輪軌自由表面與環(huán)境的熱對流的影響，考慮溫度對材料參數(shù)的影響，通過在鋼軌表面上移動法向壓力分布、切向力分布和摩擦熱源來模擬輪軌接觸區(qū)的移動。計算了輪軌滾滑接觸時熱力耦合作用和只有機(jī)械載荷作用下的鋼軌表層材

3、料的溫度場和應(yīng)力場分布特點，以及殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變情況；并調(diào)查了不同摩擦系數(shù)、軸重和輪軌蠕滑率對鋼軌表層溫升、殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變的影響情況。分析結(jié)果表明：1)輪軌完全滑動接觸時鋼軌表層最大Von Mises等效應(yīng)力發(fā)生在離鋼軌表面大約0.2 mm的次表面；殘余應(yīng)力應(yīng)變的影響主要在鋼軌表面大約10 mm范圍內(nèi)，考慮熱影響時鋼軌表面殘余應(yīng)力比不考慮熱影響的大；2)考慮熱影響時鋼軌表層的溫度隨摩擦系數(shù)和軸重的增大而增大，鋼軌表層殘余應(yīng)力也隨著

4、摩擦系數(shù)的增大而增大；3)分析輪軌滾滑接觸熱響應(yīng)時有必要考慮輪軌問彈性蠕滑率的影響，輪軌滾滑接觸時熱載荷在鋼軌表層產(chǎn)生的周向和軸向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，其在蠕滑率小時有減小機(jī)械載荷產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力作用；4)在蠕滑率較大時熱響應(yīng)對殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變影響明顯，且當(dāng)蠕滑率增大到一定值時，考慮熱影響時熱力耦合作用下的周向殘余應(yīng)力和軸向殘余應(yīng)力都表現(xiàn)為拉應(yīng)力，而不考慮熱影響時二者表現(xiàn)為壓應(yīng)力。
　　 其次，建立了輪軌完全滑動接觸時基于熱力

5、耦合作用下的帶有表面裂紋鋼軌的平面應(yīng)變有限元模型。計算了輪軌接觸面的摩擦系數(shù)、裂紋面間的摩擦系數(shù)和裂紋角度對鋼軌疲勞裂紋擴(kuò)展特性的影響。結(jié)果表明，機(jī)械載荷作用和熱力耦合作用下的鋼軌斜裂紋的剪切擴(kuò)展模式都占主導(dǎo)；對比于只有機(jī)械載荷的情況，考慮熱力耦合作用時鋼軌表面裂紋更易擴(kuò)展；減小輪軌接觸面摩擦系數(shù)和增加裂紋表面間摩擦系數(shù)和裂紋角度有助于阻止鋼軌表面斜裂紋的擴(kuò)展。
　　 最后，計算分析了輪軌完全滑動接觸時鋼軌多裂紋間相互作用對裂紋