高速動(dòng)車組車輪踏面滾動(dòng)接觸疲勞的萌生機(jī)理研究.pdf

1、近年來(lái)，我國(guó)部分客運(yùn)專線高速動(dòng)車組的車輪踏面出現(xiàn)滾動(dòng)接觸疲勞裂紋的現(xiàn)象。為避免滾動(dòng)接觸疲勞裂紋對(duì)鐵路運(yùn)輸安全性與經(jīng)濟(jì)性的潛在威脅，需及時(shí)對(duì)車輪采取必要的維修措施，而一個(gè)最優(yōu)的維修策略須建立在對(duì)車輪踏面滾動(dòng)接觸疲勞萌生原因深刻認(rèn)知的基礎(chǔ)上，這是本論文工作的重要意義所在。本文的主要工作如下:
　　首先，針對(duì)車輪踏面滾動(dòng)接觸疲勞開(kāi)展了仔細(xì)的文獻(xiàn)調(diào)研工作，簡(jiǎn)述了目前對(duì)車輪踏面滾動(dòng)接觸疲勞裂紋分類及產(chǎn)生原因的認(rèn)知，總結(jié)了影響車輪踏面滾動(dòng)接觸

2、疲勞裂紋的主要因素。
　　其次，詳細(xì)介紹了三個(gè)動(dòng)車運(yùn)用所高速動(dòng)車組車輪滾動(dòng)接觸疲勞的現(xiàn)場(chǎng)普查結(jié)果。統(tǒng)計(jì)了高速動(dòng)車組車輪踏面滾動(dòng)接觸疲勞裂紋的發(fā)生位置、裂紋方向及其發(fā)生概率等特征，并就車輪踏面滾動(dòng)接觸疲勞與輪位、車輛運(yùn)行里程等參數(shù)的相關(guān)性做了分析;同時(shí)，也就普查中發(fā)現(xiàn)的車輪踏面其它損傷形式的主要特征和發(fā)生概率做了介紹。結(jié)果表明，高速動(dòng)車組車輪滾動(dòng)接觸疲勞裂紋的形成與列車曲線通過(guò)行為具有很大的關(guān)系，且只發(fā)生在低軌側(cè)車輪名義滾動(dòng)圓外側(cè)1

3、5-30 mm的范圍內(nèi)。另外，為了給數(shù)值建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，普查中對(duì)車輪廓形和硬度進(jìn)行了大量的測(cè)試，并在服役線路典型區(qū)段上對(duì)鋼軌廓形和硬度等進(jìn)行了測(cè)試。
　　為了從數(shù)值模型研究車輪滾動(dòng)接觸疲勞的成因，首先建立了高速動(dòng)車組車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。然后，介紹了分別基于安定圖和損傷函數(shù)的車輪滾動(dòng)接觸疲勞預(yù)測(cè)方法。并對(duì)如何把動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果引入到安定圖和損傷函數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)車輪滾動(dòng)接觸疲勞現(xiàn)象作了說(shuō)明。
　　將車輛和線路結(jié)構(gòu)參數(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

4、得到的輪軌型面數(shù)據(jù)作為上述建立的車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和車輪滾動(dòng)接觸疲勞損傷預(yù)測(cè)模型的輸入條件，研究高速動(dòng)車組車輪滾動(dòng)接觸疲勞裂紋的萌生機(jī)理。重點(diǎn)分析了不同運(yùn)行里程下的車輪廓形及不同半徑曲線對(duì)車輪踏面受力、踏面凹磨、輪對(duì)輪徑差、車輪踏面等效錐度和輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布等特征的影響。結(jié)果表明:調(diào)查的高速動(dòng)車組車輪所出現(xiàn)的滾動(dòng)接觸疲勞由曲線通過(guò)時(shí)的低軌側(cè)輪軌相互作用引發(fā);低軌內(nèi)側(cè)軌距角因預(yù)打磨或磨耗變得過(guò)低、小半徑曲線（3500米）通過(guò)行為、車輪踏面

5、凹磨導(dǎo)致的輪徑差和負(fù)等效錐度是影響車輪疲勞的主要因素。
　　基于建立的模型，研究了軸重、一系縱向剛度、牽引扭矩、制動(dòng)扭矩等車輛參數(shù)、軌底坡和輪軌摩擦系數(shù)等參數(shù)對(duì)高速動(dòng)車組車輪踏面滾動(dòng)接觸疲勞裂紋的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):軸重小于14 t時(shí)，滾動(dòng)接觸疲勞損傷率隨著軸重的增加而緩慢增加，更高的軸重會(huì)迅速增加滾動(dòng)接觸疲勞損傷率;曲線通過(guò)條件下，動(dòng)車組車輪滾動(dòng)接觸疲勞損傷會(huì)隨著一系縱向剛度的增加而增加，考慮到過(guò)低的一系縱向剛度會(huì)導(dǎo)致低的列車臨界速

6、度，故一系縱向剛度應(yīng)存在一個(gè)平衡兩方面要求的最優(yōu)值;適當(dāng)?shù)臓恳?huì)抵消車輛曲線通過(guò)時(shí)低軌側(cè)車輪因輪對(duì)橫移而產(chǎn)生的向后的縱向蠕滑力，這有利于減輕動(dòng)車組車輪踏面的滾動(dòng)接觸疲勞損傷，然而過(guò)大的牽引力也同樣會(huì)造成輪軌的傷損，仿真結(jié)果表明，最優(yōu)牽引系數(shù)在0.05左右;制動(dòng)力的作用與牽引力相反;動(dòng)車組踏面滾動(dòng)接觸疲勞損傷率會(huì)隨著摩擦系數(shù)的升高而顯著增加;從動(dòng)車組車輪踏面滾動(dòng)接觸疲勞角度來(lái)講，我國(guó)選用的1∶40軌底坡是一個(gè)合理的選擇，進(jìn)一步增加軌底坡