车轮滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测

利用有限元软件ABAQUS建立带缺陷孔的车轮二维有限元模型,循环塑性本构关系采用LemaitreChaboche非线性各向同性/随动硬化循环塑性模型,通过在滚动接触表面上施加移动法向分布压力和切向分布力模拟反复滚动过程。采用Jiang-Sehitoglu损伤参量和基于临界平面法的疲劳裂纹萌生寿命模型,分析循环载荷大小、缺陷孔深度和摩擦因数等因素对车轮缺陷孔处损伤参量及滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的影响规律。结果表明:经过反复施加10次循环载荷,车轮材料缺陷孔处应力应变响应逐渐趋于稳定。循环载荷大小、缺陷孔深度和摩擦因数等因素对车轮缺陷孔处损伤参量和滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的影响比较明显。疲劳裂纹萌生寿命随着循环载荷与摩擦因数的增加而增大,随着缺陷孔深度的增加而逐渐减小。     

钢轨焊接接头不平顺演变条件下的轮轨接触分析

钢轨焊接接头处容易出现短波几何不平顺，严重制约着钢轨的服役寿命并影响行车安全。为研究钢轨焊接接头几何不平顺演变对轮轨接触行为的影响，首先，基于有限元方法建立三维轮轨滚动接触模型，分析我国某线路实测钢轨焊接接头几何不平顺处的轮轨动态响应；随后，建立局部钢轨有限元模型，通过引入钢轨材料的循环本构模型，研究循环荷载作用下钢轨接头处的应力-应变响应。研究表明：(1)随着钢轨焊接接头几何不平顺的演变，轮轨接触力和接触应力逐渐增大，其变化率也随之提高；(2)考虑列车牵引工况时，在轮轨切向力的作用下，钢轨焊接接头处的材料响应在其几何不平顺演变过程中均处于棘轮效应状态，尤其是几何不平顺演变中后期，循环积累的应变显著增加，累积应变变化率由之前的22.4%增长到53.2%,即加快了钢轨的劣化；(3)若不考虑列车牵引或制动操作时的作用力，材料响应则为塑性安定。     

表面选区强化对钢轨波磨处轮轨滚动接触行为的影响

层流等离子体表面强化技术可大幅提高钢轨表面的硬度和耐磨性。为了揭示强化处理对轮轨滚动接触行为的影响,建立同时考虑钢轨表面选区强化和短波波磨的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,数值计算了车轮高速滚过一个波磨周期的轮轨力、接触斑黏滑分布和残余应力应变。对比发现:表面选区强化对轮轨力和接触斑黏滑分布的影响较小,不影响钢轨承载性能;对钢轨表面残余应力应变分布的影响明显,残余应力主要集中在屈服强度较高的强化斑内而残余应变主要集中在韧性较好的基体材料上,表面选区强化有效结合了强化斑和基体材料的力学性能,形成了一种强韧的良好匹配。结果可为现场生产服务提供一定的理论指导和应用参考。     

不同牵引工况高速铁路轮轨型面匹配研究

为了系统分析新型钢轨廓形与动车组车轮型面匹配情况,将LMA、S1002CN、XP55车轮型面分别与60D、60N钢轨型面在对中位置进行型面匹配,建立轮对-钢轨三维弹塑性接触有限元模型,分析不同牵引工况下轮轨之间的Mises应力、接触状态和纵向接触切应力。得出结果:当动车组车轮型面与2种钢轨型面在对中位置匹配时,60N钢轨的Mises应力更小且更趋近钢轨轨顶中心;施加牵引力后,车轮中最大Mises应力中心点对于钢轨发生纵向偏移,且偏移量随牵引力的降低而减小,但轮轨间的最大Mises应力值几乎不随牵引力而变化;60N钢轨的接触斑面积较大,粘着区相对较大;当列车启动并开始运行后,60N钢轨的最大纵向接触切应力小于60D钢轨的应力值。综上所述,60N钢轨型面可以改善轮轨接触时的相互作用,延长钢轨的使用寿命。     

横向力对列车车轮踏面表层材料塑性变形的影响

利用JD—1型轮轨模拟试验机开展轮轨滚动接触模拟试验,通过改变模拟车轮和模拟钢轨之间的冲角,研究车轮踏面表层材料在不同横向力作用下产生的塑性变形,并通过微观形貌观察、硬度测量和剪切应变分析等研究车轮踏面表层材料的塑性流动机理。结果表明:横向力随着冲角的增大呈非线性增加,并且随着冲角的增大而逐渐趋于饱和;在横向力作用下,轮轨接触区内的车轮踏面表层材料因受到较大应力而发生明显的塑性变形,并沿着横向力的方向产生了塑性流动,逐渐堆积在接触区的边界处;当应力发生剧烈变化并且应力方向由高压力区指向低压力区时,会使得部分堆积材料越过边界区延伸至非接触区域,从而形成金属延伸物;接触区域内车轮踏面表层材料的硬度随着横向力的增大而增大,随着表层材料深度的增加而逐渐减小,并且呈两边稍高、中间稍低分布;车轮踏面近表层材料的塑性流动和硬化过程可以通过其剪切应变予以表达。     

摩擦因数对地铁小半径曲线轮轨接触特性的影响

建立车辆-轨道系统耦合动力学模型,结合Kalker三维非赫兹弹性体滚动接触理论及其数值程序CONTACT,分析轮轨间摩擦因数对地铁小半径曲线轮轨接触应力及轮轨滚动接触伤损的影响。结果表明:车辆通过圆曲线段时不同摩擦因数下整个接触斑均为滑动区;摩擦因数改变对轮轨接触斑内正应力影响很小,但对切向力和Mises应力影响显著;随着摩擦因数增大,纵向及横向蠕滑力显著增加,磨耗指数及表面疲劳指数明显增大。可通过定期对钢轨打磨并对车轮进行镟修,有效降低轮轨接触应力,以减缓轮轨磨耗和轮轨滚动接触疲劳的发生。     

广州地铁1号线车轮与钢轨滚动接触特性分析

以广州地铁1号线车轮和钢轨为例,运用有限元软件建立三维轮轨滚动接触有限元模型,对不同牵引力和不同横移量的轮轨滚动接触特性进行计算分析.结果表明牵引力改变轮轨接触Mises应力的分布;随着牵引力的增大,接触斑纵向摩擦力分量明显增大,接触斑后部最先出现蠕滑区,牵引力越大接触斑黏着区越小,蠕滑区越大;在横移为-5～5 mm范围内,接触斑分布在车轮踏面倾斜角为1∶46的斜面上,从这个角度看,该踏面与CHN60钢轨匹配并没有完全发挥磨耗型踏面增大接触面积、减小接触应力的作用.     

客运专线道岔尖轨矫直残余应力研究

采用三维弹塑性有限单元法,建立尖轨矫直有限元计算模型,研究客运专线道岔尖轨矫直过程中加载量及加载支距对尖轨纵向残余应力、横向残余应力和Mises残余应力的影响。结果表明,尖轨矫直时中间横截面的纵向残余应力、横向残余应力和Mises残余应力分布规律在不同加载量和不同加载支距下基本相同,且随加载量的增加而增加,随加载支距的增加而减小。尖轨轨底的残余应力较轨头和轨腰残余应力大,纵向残余应力远大于横向残余应力,减小纵向残余应力是减小尖轨矫直残余应力的关键因素。研究结果为改进尖轨矫直工艺,减小尖轨矫直残余应力提供理论依据。     

变摩擦系数条件下的轮轨滚动接触特性分析

采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立轮轨滚动接触有限元模型,在轮轨间使用与滑动速度相关的变摩擦系数定义切向接触属性,改变轮对角速度定义轮轨接触不同工况。在轮轨蠕滑工况下,通过对比取常系数摩擦系数和变摩擦系数的计算结果发现:变摩擦系数对轮轨滚动接触最大接触应力和接触斑面积影响较小;但是对轮轨接触斑内最大Mises应力、最大纵向切应力、最大横向切应力和蠕滑力影响较大,特别是对最大纵向切应力和蠕滑力影响幅度近20%;对轮轨滚动接触蠕滑力矢量分布的影响也应值得注意。不同工况时轮轨蠕滑率不同,变摩擦系数条件下的轮轨蠕滑力和剪切应力随蠕滑率增大而增大,当轮轨间出现完全滑动时,轮轨蠕滑力达到极限。     

不同摩擦系数条件下的轮轨滚动接触特性分析

以直径为860 mm的LMA踏面轮对和60 kg.m-1钢轨为例,采用有限元软件ABAQUS建立三维轮轨滚动接触有限元模型,利用集群逻辑结构的并行计算平台求解该模型,并对不同摩擦系数下轮轨滚动接触特性进行分析。研究表明:摩擦系数对接触斑面积、接触区Mises应力值和法向接触应力影响不大;随着摩擦系数的增大,接触斑黏着区面积增加,接触区内横向和垂向剪应力增大且位置向接触区表面靠近;在相同牵引力矩作用下,随着摩擦系数的增加,轮轨纵向剪应力明显增大;接触斑内摩擦力矢量的纵向分量也随之增大,轮轨摩擦力及其绕原点合力矩的纵向分量也变化明显,最大增幅超过30%,自旋力矩值也随之增大且其中心点在接触斑内沿牵引方向前移。     

40 t轴重列车作用下铁路简支梁桥的梁轨纵向相互作用

结合几内亚Simandou重载铁路项目,建立有砟轨道单线简支梁线桥模型,分析40 t轴重列车作用下线路纵向位移阻力曲线变化对重载铁路无缝线路纵向力的影响。研究结果表明:当墩顶线刚度较小时,钢轨制动附加应力随纵向阻力的增大而增大,随屈服位移的增大而减小;梁轨快速位移差随纵向阻力的增大而减小,随屈服位移的增大而增大;纵向阻力变化对桥上无缝线路纵向力的影响大于屈服位移变化对纵向力的影响。     

重载轮轨黏着特性的数值分析

基于ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian)有限元建立稳态轮轨滚动接触的三维有限元模型.利用该模型计算和分析重载轮轨滚动接触的黏着特性,并研究不同速度等级对重载轮轨黏着蠕滑特性的影响.用该模型对重载大功率机车车轮在轨道上从制动、惰行到牵引过程进行计算,得到了这一过程中轮轨接触状态的变化规律和黏着特性曲线.在重载大功率机车从制动、惰行到牵引的过程中,轮轨纵向摩擦力由反方向饱和状态逐渐转变成牵引方向饱和状态,而轮轨横向摩擦力始终呈反对称性分布,其最大值位置先是逐渐靠近接触斑中心,然后又逐渐远离之;摩擦力矢量呈旋转分布,其方向从与运动方向相反逐渐变为与运动方向相同,其旋转中心从轮缘附近逐渐进入接触斑,随后又逐渐向轮缘一侧移动;当轮轨纵向蠕滑率较小(≤0.003)时,黏着力随纵向蠕滑率的增加而近似线性增加,但运行速度对此影响不大;进入大蠕滑率(＞0.003)区域后,黏着力随蠕滑率的增加而减小,并且速度越高,黏着力降低得越快.     

基于蠕滑理论的钢轨临界平面疲劳参量仿真

为考虑轮轨蠕滑对钢轨疲劳裂纹萌生的影响,通过车辆-轨道多体动力学模型和钢轨有限元模型,分析不同线路条件下的轮轨接触压力和切向力对钢轨轨头(包括轨距角)的应力-应变响应,定量研究钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生疲劳参量FP中的正应力-应变部分与剪应力-应变部分对裂纹萌生的影响,并比较导向轮和非导向轮对FP的影响。仿真结果表明,考虑轮轨蠕滑的情况下,钢轨轨头绝大部分节点处于三向受压状态,疲劳参量FP主要是由剪应力-应变部分作用产生,对裂纹萌生预测应采用剪切型裂纹公式;FPmax所在的临界平面在钢轨横断面的投影线与横向水平轴呈105°~140°夹角,在水平面的投影线与纵向水平轴呈20°~50°夹角;导向轮作用下的FPmax要远远大于非导向轮作用下的FPmax。     

钢轨磨耗演变预测模型研究

建立一种可计算沿钢轨纵向和横向三维分布的钢轨磨耗演化预测模型,利用车辆-轨道耦合动力学计算轮轨动态相互作用;基于Kalker非Hertz滚动接触理论进行轮轨滚动接触分析;选用Braghin磨耗模型计算材料磨耗;使用局部加权回归散点平滑法对计算的钢轨型面进行平滑处理。运用该模型计算分析CRH3型动车组以300km/h速度在Ⅰ型板式无砟轨道直线段运行时钢轨磨耗的演变形态。结果表明:钢轨光带沿轨道纵向几乎是平直的,光带宽度约为20mm;随着通过车辆数目的逐渐增加,钢轨的磨耗速率先减小后增大;钢轨磨耗后,轮轨接触点在钢轨上的分布集中于磨耗区边缘的两个狭窄区域;在线路初始运营阶段,钢轨磨耗对轮轨横向力的影响大于其对轮轨垂向力的影响。     

钢轨打磨热力耦合分析

基于热机耦合方法,运用有限元软件ABAQUS,建立钢轨打磨三维热弹性有限元模型,分析钢轨打磨过程中的温度、应力及应变。分析不同车速、不同砂轮转速及不同数量打磨磨头对钢轨表面温度的影响。结果表明;打磨过程是快速升温、缓慢降温的过程,打磨高温区的深度很浅,且高温区的温度场、等效应力场均呈椭圆状;钢轨表面温度随列车速度的增加而减小,随砂轮转速的增加而增加;钢轨表面温度随打磨磨头数量的增加而显著增加,打磨温度在250℃~500℃之间,符合实际情况。     

基于ALE方法的高速轮轨黏着特性仿真及试验验证

根据全尺寸高速轮轨关系试验台,建立基于ALE方法的轮轨滚动接触三维有限元模型,仿真分析干燥条件下高速轮轨黏着特性曲线,并采用试验台的高速黏着试验结果对其进行验证。在此基础上,分析高速条件下从制动到牵引工况变化过程中的轮轨接触斑状态、摩擦力分布、Mises应力分布等的演变规律。结果表明:有限元模型可用于模拟干燥轮轨接触表面条件下的高速轮轨黏着特性;黏着轮从自由滚动状态(全黏着)到最大牵引力(全滑动)过程中,轮轨接触斑从靠近轮缘的一侧进入滑动状态并逐渐扩大到整个区域,而制动工况时则从远离轮缘的一侧进入滑动状态;摩擦力从黏着轮自由滚动时的自旋分布状态逐渐变化为趋于一致方向,纵向蠕滑力达到饱和;Mises最大应力点由黏着轮自由滚动时的接触表面以下2 mm处逐渐转移到接触表面,应力更加集中。     

CRTSⅢ型无砟轨道宽接缝裂缝及修补材料性能分析

通过建立CRTSⅢ型纵连板式无砟轨道有限元计算模型,研究宽接缝处裂缝以及修补材料力学性能。对轨道结构整体降温50℃作用下,不同的裂缝宽度及不同的修补材料弹性模量情况下,板间树脂砂浆、纵向预应力钢筋以及修补材料力学性能进行分析。结果表明:修补材料弹性模量、裂缝宽度和裂缝是否修补均对未开裂板间树脂砂浆影响较小;开裂板间树脂砂浆纵向拉应力随修补材料的弹性模量增大而增大,随着裂缝宽度的增大先增大后减小;修补材料的纵向拉应力先随着其弹性模量的增大逐渐减小直至出现纵向压应力,之后纵向压应力逐渐增加;开裂树脂砂浆处预应力钢筋受裂缝是否修补影响较大。     

砾类土在循环荷载作用下的变形影响因素试验研究

砾类土是新疆铁路和公路常用的路基填料,为了控制和减小砾类土路基的沉降,首先需要明确各因素对该类路基在循环荷载作用下的变形影响规律。通过动三轴试验研究围压、初始静偏应力、循环荷载作用频率、循环荷载大小和固结比对砾类土累计塑性变形的影响规律,得出其累计塑性应变随着初始静偏应力、循环荷载大小的增加而增大,随着围压、荷载作用频率和固结比增加而减小。同时计算各影响因素对累计塑形应变的极差,得出影响因素对累计塑形应变影响的大小。在路基施工时,可以通过提高路基的围压,同时使路基充分固结来减小路基的营运沉降。提出一种针对砾类土应变较小时的塑性累计变形模型,并验证模型的正确性,可为新疆砾类土路基的设计和施工提供参考。     

曲线磨耗状态下轮轨弹塑性接触有限元分析

基于现场实测的承载铁路小半径曲线段正常磨耗范围内典型轮轨型面.应用有限元分析软件AN-SYS建立轮轨三维接触有限元模型.模型考虑了车轮与钢轨的实际几何形状和边界条件,轮轨材料本构模型采用双线性随动强化弹塑性材料模型,计算分析曲线段不同磨耗程度车轮与钢轨的接触状态.计算结果表明:在相同载倚条件下,随着75 kg·m-1钢轨侧磨量的增加,轮轨接触斑面积呈增大趋势,钢轨最大Mises等效应力逐渐降低,轮轨踏面廓形逐渐相互匹配,接触状态得到改善;在钢轨侧磨量从0 mm增加剑5 mm过程中,轮轨接触状态变化较大,钢轨处于剧烈磨耗阶段,容易出现疲劳裂纹、剥离掉块等接触疲劳伤损,钢轨侧磨量超过5mm后,轮轨接触状态变化趋于平缓,钢轨处于稳定磨耗阶段.     

CRH2010A综合检测车测力车轮与钢轨滚动接触弹塑性分析

运用非线性有限元分析软件ABAQUS,考虑通过直线、曲线线路和道岔3种工况,建立CRH2010A综合检测车的测力车轮与钢轨的三维滚动接触有限元模型,进行不同工况下测力车轮与钢轨的滚动接触特性及车轮辐板和轴毂的受力分析。结果表明:测力车轮的滚动接触特性与动车车轮相似;通过直线线路且轮对横移量为8mm时,产生轮缘效应,车轮磨损加剧;通过曲线线路时,左侧车轮与钢轨出现两点接触中心区;通过道岔时,左侧车轮与长心轨均发生塑性变形,车轮和钢轨的磨耗加剧;轴毂的过盈连接对轮轨接触特性的影响,远小于其对轴毂连接区域和辐板加工区域应力的影响;在这3种工况下测力车轮均满足静强度要求。