鋼軌焊接接頭傷損分析.pdf

1、當(dāng)今世界鐵路，以無縫線路代替魚尾板鋼軌接頭來連接軌道上相鄰兩根鋼軌是一種首選的方法。無縫線路的應(yīng)用在很大程度上降低輪軌沖擊載荷和提高鋼軌的使用壽命，但隨著鐵路運(yùn)行速度的提高和軸重的加大，鋼軌焊接接頭傷損問題變得越來越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致較高的鐵路運(yùn)營成本，直接影響鐵路運(yùn)輸安全。因此，開展鋼軌焊接接頭傷損研究具有很強(qiáng)的理論意義和工程應(yīng)用背景。本文以車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論、輪軌滾動(dòng)接觸理論、彈塑性力學(xué)和有限元方法為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)值仿真方法對不同形

2、式的焊接接頭傷損問題進(jìn)行研究。 (1)為了能全面反映高速鐵路鋼軌焊接接頭處輪軌作用力學(xué)行為，建立了較為完善的車輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型。模型中，采用Timoshenko梁模型模擬鋼軌；考慮了軌枕的離散支撐作用對車輛/軌道耦合動(dòng)態(tài)行為的影響。另外，采用赫茲非線性彈性接觸理論確定輪軌法向力時(shí)用到的輪軌接觸常數(shù)由輪軌表面瞬態(tài)接觸條件決定；采用沈氏理論計(jì)算輪軌蠕滑力，其中基于輪軌接觸面法向速度差為零原則推導(dǎo)輪軌蠕滑率。焊接接頭不平順以余弦

3、函數(shù)形式加入到輪軌接觸幾何算法。利用該模型分析了復(fù)合不平順和單波不平順引起的輪軌沖擊載荷；長短波長焊接接頭所引起的輪軌法向沖擊載荷、鋼軌/軌枕支承反力、車輪和軌道各部件的加速度；行車速度、軸重、波長、波深及焊接接頭所在位置對輪軌法向沖擊載荷的影響。結(jié)果表明，焊接接頭短波波長不平順容易激起輪軌系統(tǒng)的高頻振動(dòng)和導(dǎo)致車輪和軌道系統(tǒng)的沖擊破壞。因此在焊接接頭的現(xiàn)場施工和檢修過程中，應(yīng)盡可能的避免出現(xiàn)短波不平順的現(xiàn)象。此外以焊接接頭不平順的波深與

4、波長之比來控制焊接接頭不平順更為合理，并制定了焊接接頭不平順的控制數(shù)表。 (2)建立了基于車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)和三維彈塑性有限元模型的鋼軌焊接接頭應(yīng)力分析模型。模型中考慮了鋼軌母材和焊接接頭材料及熱影響區(qū)域具有不同的材料屬性。首先由車輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)仿真程序計(jì)算輪軌接觸力、接觸斑大小及位置。然后通過FASTSIM計(jì)算接觸斑內(nèi)切向力分布，最后輸入到三維彈塑性有限元模型。應(yīng)用該模型分析了不同工況下直線、曲線焊接接頭區(qū)域附近的接觸應(yīng)