轮轨滚动接触疲劳损伤机制与预测方法研究

随着列车运行速度和轴重的提高,轮轨接触疲劳问题成为铁路研究的重点和难题,它不仅增加车轮和钢轨维护成本,还直接危及列车行车安全。针对常见的轮轨接触疲劳损伤类型与损伤机制进行了较为全面的总结,分析了目前轮轨接触疲劳损伤的主要预测方法和模型。从轮轨材料、第三体介质和环境温度3个方面综述了轮轨接触疲劳损伤的形成机制,分析了用于预测轮轨接触疲劳损伤的安定图与损伤函数等方法模型,探讨了未来轮轨接触疲劳损伤预测亟需开展的研究内容。

重载铁路轨底坡设置对轮轨接触及轨面受力的影响

为探讨不同轨底坡设置条件下轮轨接触关系及钢轨受力情况,建立C80型重载货车动力学模型,在轨底坡为1/20、1/30、1/40及无轨底坡条件下,对比分析轮轨接触特性、行车安全性、蠕滑特性及轮轨磨耗趋势。分析结果表明,针对目前重载货车普遍使用的LM型车轮踏面,内外轨均设置1/20轨底坡的布置方案将有利于小半径曲线地段货车通过时钢轨受力,缓解小半径曲线地段频发的钢轨波磨、异常磨耗及轮轨接触疲劳现象,有效提升钢轨使用寿命。在曲线内侧,由于垫板失效等原因导致无轨底坡时,轮轨接触区域明显向钢轨轨角区域外移,相较于设置轨底坡工况,接触面最大应力增幅为15.5%、脱轨系数增幅为10.2%、蠕滑作用及磨耗增幅分别为16.5%和12.6%。因此,应在线路工务养护过程中重视钢轨波磨病害整治及轨底坡保持,并对轨下垫板失效地段及时进行检修,线路设计时应根据不同的线路条件设置合理的轨底坡。

考虑塑性的钢轨表面疲劳微裂纹分析

目的研究塑性条件下受重复轮轨荷载的钢轨表面的初始疲劳裂纹行为。方法建立含表面微裂纹的钢轨二维有限元模型,通过耦合裂纹面对应节点达到无裂纹的效果。经过几次循环加载后取消节点耦合设置,达到出现裂纹的效果。分析随着轮轨循环加载钢轨的响应,计算残余应力强度因子,并利用渐进状态(随着循环次数的增加,裂纹尖端区新产生的塑性越来越小,裂尖小范围内塑性不再增加)下的应力强度因子计算初始疲劳裂纹扩展速率。结果有限元模拟中,轮轨荷载循环加载在钢轨上表面,使其产生拉伸残余应力,且随着深度增加,拉伸残余应力越来越小。裂纹萌生后,不同角度的裂纹残余(KI)都随循环次数的增加而减小,但残余(KII)都随循环次数的增加而增大。受残余应力的影响,渐进状态下的钢轨表面初始微裂纹应力强度因子随裂纹角度(θ)的增加而增加。结论钢轨表面的残余应力加快了初始微裂纹的扩展速率,降低了钢轨的使用寿命。

疲劳裂纹扩展引起的钢轨表面剥离研究

钢轨表面疲劳裂纹扩展引起的剥离掉块是一种很常见的损伤形式。利用有限元模拟钢轨表面裂纹扩展,得到裂纹尖端的周向应力和应力强度因子。基于最大周向应力幅值判据,确定裂纹扩展方向,运用paris公式计算裂纹扩展速率,进而确定裂纹扩展路径。研究结果表明:高速列车裂纹扩展速率明显高于低速列车。高速列车钢轨经过6万多次车轮碾压表面剥离,剥离深度约为430μm;而低速列车钢轨经过16万多次车轮碾压表面剥离,剥离深度约为590μm。模拟的钢轨裂纹扩展路径和剥离掉块与现场服役钢轨的损伤形貌比较吻合,说明用最大周向应力幅值判据来确定钢轨疲劳裂纹扩展路径是可行的。钢轨表面剥离与疲劳裂纹扩展密切相关,建议对钢轨进行及时的打磨来预防钢轨的剥离。

中国轨道交通轮轨滚动接触疲劳研究进展

系统阐述了轮轨滚动接触疲劳损伤的分类、萌生机理、影响因素、引发后果及常用萌生预测模型等,总结了其复杂性的根源;梳理了中国轨道交通系统近年来发生的各种轮轨滚动接触疲劳的相关研究成果,分别总结了高速铁路、普速铁路和地铁等系统轮轨滚动接触疲劳的基本特征、萌生机理及治理措施等;展示了在局部和连续型滚动接触疲劳研究中,现场跟踪测试、现场试样失效分析、试验台试验、数值模拟及线路试验等研究方法的系统化应用及重要结果;讨论了不同轨道交通系统滚动接触疲劳差异的根本原因及滚动接触疲劳各影响因素的相对重要性,并从现场治理和机理研究2个方面提出了展望。研究结果表明:高速动车组轮轨局部型滚动接触疲劳(月牙形裂纹)对运营安全的威胁可控,其重要源头之一是硌伤;过大的接触应力和蠕滑率是引发轮轨连续型滚动接触疲劳的关键,其根本原因包括小半径曲线、轮轨失形、轮轨廓形与轨道曲线设计不合理、大坡度与起伏坡度、低黏着与增黏、频繁启停及轨道安装误差等,近10年来开始大量使用的大功率电力机车在复杂条件线路运行时,呈现的严重车轮滚动接触疲劳是上述影响因素综合作用的集中体现;可行的滚动接触疲劳防治措施包括避免或及时修复严重硌伤、优化曲线段轮轨廓形匹配、优化轮轨镟修/打磨策略、加装或优化车轮研磨子、机车车辆定期调头运行、优化机车电气补偿与牵引制动控制、使用优质增黏砂、优化踏面制动和及时维护轨道与列车关键部件等,不同轮轨系统可根据其特点酌情选用;从现场防治角度,应建立轮轨滚动接触疲劳的精确预测模型,并依此实现不同服役条件下的滚动接触疲劳无限和有限寿命设计及最佳轮轨维修策略制定;从疲劳机理角度,应重点研究疲劳裂纹萌生的微观裂纹扩展机制和磨耗影响机制。