轴重和钢轨波磨对轮轨滚动接触参数及疲劳寿命的影响
发布时间：2021-11-04 11:12
近年来,随着我国铁路高速化及重载化的迅猛发展,列车轮对与钢轨之间的接触疲劳现象愈演愈烈。如果列车通过钢轨疲劳严重部位时,车体会因为钢轨疲劳发生高速抖动现象。如果不能及时发现并进行处理,会影响乘客的乘车舒适性,甚至影响列车的运行安全性。因此,研究列车的轮轨接触关系以及接触疲劳问题对列车安全运行意义重大。通过现场调研发现,车辆轴重和钢轨波磨对钢轨疲劳的影响比较大。为此,通过搭乘高速综合检测车,采用钢轨型面测量仪实际检测我国国内某条高速铁路存在波浪形磨耗的钢轨区段,采集相关波磨区段几何参数的数据,并以此实测数据建立存在钢轨波磨的钢轨有限元模型,计算了不同的轴重下的钢轨应力应变情况,然后计算了不同参数对钢轨疲劳寿命的影响。本文具体的研究工作体现在以下几个方面:（1）.首先,依据实际几何参数建立轮对、钢轨以及轨道板三维模型。其中踏面类型为LMA磨耗型踏面,钢轨为60kg/m,轨道板型号为CRTS-Ⅲ,轨底坡比例为1:40。轮轨滚动接触疲劳的关键区域主要位于接触部位,需将轮对和钢轨之间接触区域进行网格细化。在不影响计算结果准确性的前提下,采用划分过渡网格方式,从车轮-钢轨接触部位的细化网格过渡到轮...
【文章来源】：北京建筑大学北京市
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
德国列车脱轨事故
第2章轮轨滚动接触理论7第2章轮轨滚动接触理论轮轨接触理论是不仅仅研究轮轨关系的基础，更是解决问题的关键技术，是一个极为关键而又十分复杂的问题，接触理论由两大核心问题构成：第一个核心问题是法向接触问题，第二个核心问题是切向接触问题。随着轮轨滚动接触理论不断完善与深入发展，为发展轮轨动力学供了十分重要的理论依据，本章将介绍几种主要轮轨滚动接触理论。2.1Hertz接触理论德国物理学家Hertz于1882年，在研究两个弹性物体之间的接触问题时，发现研究并提出了一种新的接触理论—Hertz理论。该理论认为两个弹性物体之间的接触斑形状是椭圆形的，如图2-1所示，并做出了四点假设，这四点假设分别是：第一点假设是两个弹性物体之间的接触区域发生的变形很小；第二点假设是两弹性物体之间的接触区域是一个椭圆形的区域；第三点假设是两个弹性物体之间没有摩擦，即两个弹性物体之间只存在法向应力不存在切向力，并且将弹性物体视为弹性半空间；第四点假设是接触区域和接触表面相对曲率相对于物体来说很小[27]。图2-1Hertz理论接触斑形状通过上述四点假设，Hertz理论将轮轨之间的接触法向应力值用椭圆长短半轴表示出来，数值表达式如下：11122122111112A+B=+++RRRR(2-1)11122122111112BA=+RRRR(2-2)式中：A和B——常数；11R——轮对滚动圆半径；12R——踏面横截面外形半径；21R——钢轨纵向曲率半径；22R——钢轨横截面外形半径。
第3章三维轮轨滚动接触有限元模型14sσ——材料的屈服极限；σ——应变；ε——弹性应变；pε——塑性应变。屈服准则为Von-Mises准则，数值表达式如下所示：22221223312sσσ+σσ+σσ=σ(3-3)图3-1钢轨材料双线性随动硬化模型3.2几何模型以及相关参数的确定本文整体几何模型主要由钢轨、列车轮对以及轨道板三大部分组成，钢轨实物如图3-2a所示。精准的有限元模型是后续研究钢轨所受接触应力应变的前提与基础，更是接下来研究钢轨疲劳裂纹萌生寿命的保障。因此依据现场实际运营中轮对、钢轨以及轨道板的实际尺寸建立三维轮轨实体模型如图3-2b所示。几何模型中车轮踏面类型是LMA磨耗型踏面，外形尺寸如图3-3所示，轮对材料为SSW-Q3R，钢轨材料为U71Mn-钢，材料属性如下表3-1[43]。轮对滚动圆半径为460mm；钢轨为60kg/m钢轨，轮廓尺寸如图3-4所示，轨距1435mm，两个车轮内侧间距是1360mm，钢轨轨头处宽为73mm，轨底坡为1：40；轨道板选用CRTS-Ⅲ型轨道板。根据前期调研情况，列车轴重和钢轨波磨对轮轨滚动参数的影响比较大。因此，本文主要研究两种参数下的轮轨接触状况：轴重以及单边钢轨波磨，轴重分别为14t、16t、18t、200以及22t；钢轨波磨通过搭乘综合检测列，使用钢轨型面测量仪车在我国某段铁路实际检测得出，本文有限元模型之中仅仅是右侧钢轨存在钢轨波磨，左侧钢轨仍是正常钢轨用于对比研究。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于磨耗的高速铁路轮轨接触关系研究[J]. 刘丰收. 中国铁道科学. 2019(03)
[2]轮轨滚动接触疲劳寿命的计算方法[J]. 黄龙文,李正美,安琦. 华东理工大学学报(自然科学版). 2018(06)
[3]基于ALE方法的高速轮轨黏着特性仿真及试验验证[J]. 蔡园武,常崇义,陈波,李兰. 中国铁道科学. 2018(05)
[4]高速铁路磨耗车轮与60N钢轨静态接触分析[J]. 马晓川,王平,王健,徐井芒. 西南交通大学学报. 2018(04)
[5]12号合金钢组合辙叉单开道岔疲劳裂纹萌生寿命预测[J]. 刘启宾. 北京交通大学学报. 2017(06)
[6]U75V重轨钢的疲劳寿命分析[J]. 宿皓,陈林,郭飞翔,李琳. 内蒙古科技大学学报. 2017(04)
[7]CRH5型动车组轮轨滚动接触应力及疲劳寿命的有限元仿真分析[J]. 李俊琛,杨大巍,董雪娇,冯瑞. 兰州理工大学学报. 2017(06)
[8]轮轨振动行为下高速轮轨滚动接触瞬态特性分析[J]. 肖乾,昌超,王立乾,王磊. 中国铁道科学. 2017(03)
[9]综合检测技术在铁路工务安全生产中的运用[J]. 张涛,李周强. 铁路技术创新. 2017(02)
[10]基于不同车轮直径的轮轨接触关系问题[J]. 张茂松,李芾,杨阳. 机车电传动. 2016(06)
博士论文
[1]基于系统动力学的大轴重货车轮轨磨耗研究[D]. 李亨利.西南交通大学 2017
[2]车轮材料滚动磨损与接触疲劳损伤行为的试验研究[D]. 周桂源.西南交通大学 2015
[3]轮轨滚动接触弹塑性分析及疲劳损伤研究[D]. 肖乾.中国铁道科学研究院 2012
[4]有限元轮轨滚动接触理论及其应用研究[D]. 常崇义.中国铁道科学研究院 2010
[5]轮轨滚动接触疲劳损伤机理研究[D]. 郭俊.西南交通大学 2006
硕士论文
[1]列车车轮滚动接触疲劳裂纹萌生及扩展研究[D]. 范新光.北京交通大学 2019
[2]高速道岔直尖轨非工作边疲劳裂纹萌生与扩展研究[D]. 张献恒.北京交通大学 2019
[3]基于车辆动态响应的高速铁路钢轨波磨仿真与分析[D]. 孙锐.北京建筑大学 2018
[4]WK-75型挖掘机动臂裂纹萌生寿命分析[D]. 尚钟平.太原理工大学 2018
[5]残余应力对钢轨疲劳裂纹萌生与扩展的影响机理研究[D]. 李杨.石家庄铁道大学 2017
[6]U71Mn钢轨伤损机理研究[D]. 钦凤.湖南大学 2016
[7]15CrMoR钢焦炭塔疲劳裂纹萌生与扩展的预测分析[D]. 李伟.暨南大学 2016
[8]基于疲劳和磨耗竞争关系的钢轨选用方法[D]. 张翼.石家庄铁道大学 2016
[9]高速铁路轮轨滚动接触疲劳裂纹萌生及扩展的有限元分析[D]. 赵运磊.天津科技大学 2013
本文编号：3475609
【文章来源】：北京建筑大学北京市
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
德国列车脱轨事故
第2章轮轨滚动接触理论7第2章轮轨滚动接触理论轮轨接触理论是不仅仅研究轮轨关系的基础，更是解决问题的关键技术，是一个极为关键而又十分复杂的问题，接触理论由两大核心问题构成：第一个核心问题是法向接触问题，第二个核心问题是切向接触问题。随着轮轨滚动接触理论不断完善与深入发展，为发展轮轨动力学供了十分重要的理论依据，本章将介绍几种主要轮轨滚动接触理论。2.1Hertz接触理论德国物理学家Hertz于1882年，在研究两个弹性物体之间的接触问题时，发现研究并提出了一种新的接触理论—Hertz理论。该理论认为两个弹性物体之间的接触斑形状是椭圆形的，如图2-1所示，并做出了四点假设，这四点假设分别是：第一点假设是两个弹性物体之间的接触区域发生的变形很小；第二点假设是两弹性物体之间的接触区域是一个椭圆形的区域；第三点假设是两个弹性物体之间没有摩擦，即两个弹性物体之间只存在法向应力不存在切向力，并且将弹性物体视为弹性半空间；第四点假设是接触区域和接触表面相对曲率相对于物体来说很小[27]。图2-1Hertz理论接触斑形状通过上述四点假设，Hertz理论将轮轨之间的接触法向应力值用椭圆长短半轴表示出来，数值表达式如下：11122122111112A+B=+++RRRR(2-1)11122122111112BA=+RRRR(2-2)式中：A和B——常数；11R——轮对滚动圆半径；12R——踏面横截面外形半径；21R——钢轨纵向曲率半径；22R——钢轨横截面外形半径。
第3章三维轮轨滚动接触有限元模型14sσ——材料的屈服极限；σ——应变；ε——弹性应变；pε——塑性应变。屈服准则为Von-Mises准则，数值表达式如下所示：22221223312sσσ+σσ+σσ=σ(3-3)图3-1钢轨材料双线性随动硬化模型3.2几何模型以及相关参数的确定本文整体几何模型主要由钢轨、列车轮对以及轨道板三大部分组成，钢轨实物如图3-2a所示。精准的有限元模型是后续研究钢轨所受接触应力应变的前提与基础，更是接下来研究钢轨疲劳裂纹萌生寿命的保障。因此依据现场实际运营中轮对、钢轨以及轨道板的实际尺寸建立三维轮轨实体模型如图3-2b所示。几何模型中车轮踏面类型是LMA磨耗型踏面，外形尺寸如图3-3所示，轮对材料为SSW-Q3R，钢轨材料为U71Mn-钢，材料属性如下表3-1[43]。轮对滚动圆半径为460mm；钢轨为60kg/m钢轨，轮廓尺寸如图3-4所示，轨距1435mm，两个车轮内侧间距是1360mm，钢轨轨头处宽为73mm，轨底坡为1：40；轨道板选用CRTS-Ⅲ型轨道板。根据前期调研情况，列车轴重和钢轨波磨对轮轨滚动参数的影响比较大。因此，本文主要研究两种参数下的轮轨接触状况：轴重以及单边钢轨波磨，轴重分别为14t、16t、18t、200以及22t；钢轨波磨通过搭乘综合检测列，使用钢轨型面测量仪车在我国某段铁路实际检测得出，本文有限元模型之中仅仅是右侧钢轨存在钢轨波磨，左侧钢轨仍是正常钢轨用于对比研究。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于磨耗的高速铁路轮轨接触关系研究[J]. 刘丰收. 中国铁道科学. 2019(03)
[2]轮轨滚动接触疲劳寿命的计算方法[J]. 黄龙文,李正美,安琦. 华东理工大学学报(自然科学版). 2018(06)
[3]基于ALE方法的高速轮轨黏着特性仿真及试验验证[J]. 蔡园武,常崇义,陈波,李兰. 中国铁道科学. 2018(05)
[4]高速铁路磨耗车轮与60N钢轨静态接触分析[J]. 马晓川,王平,王健,徐井芒. 西南交通大学学报. 2018(04)
[5]12号合金钢组合辙叉单开道岔疲劳裂纹萌生寿命预测[J]. 刘启宾. 北京交通大学学报. 2017(06)
[6]U75V重轨钢的疲劳寿命分析[J]. 宿皓,陈林,郭飞翔,李琳. 内蒙古科技大学学报. 2017(04)
[7]CRH5型动车组轮轨滚动接触应力及疲劳寿命的有限元仿真分析[J]. 李俊琛,杨大巍,董雪娇,冯瑞. 兰州理工大学学报. 2017(06)
[8]轮轨振动行为下高速轮轨滚动接触瞬态特性分析[J]. 肖乾,昌超,王立乾,王磊. 中国铁道科学. 2017(03)
[9]综合检测技术在铁路工务安全生产中的运用[J]. 张涛,李周强. 铁路技术创新. 2017(02)
[10]基于不同车轮直径的轮轨接触关系问题[J]. 张茂松,李芾,杨阳. 机车电传动. 2016(06)
博士论文
[1]基于系统动力学的大轴重货车轮轨磨耗研究[D]. 李亨利.西南交通大学 2017
[2]车轮材料滚动磨损与接触疲劳损伤行为的试验研究[D]. 周桂源.西南交通大学 2015
[3]轮轨滚动接触弹塑性分析及疲劳损伤研究[D]. 肖乾.中国铁道科学研究院 2012
[4]有限元轮轨滚动接触理论及其应用研究[D]. 常崇义.中国铁道科学研究院 2010
[5]轮轨滚动接触疲劳损伤机理研究[D]. 郭俊.西南交通大学 2006
硕士论文
[1]列车车轮滚动接触疲劳裂纹萌生及扩展研究[D]. 范新光.北京交通大学 2019
[2]高速道岔直尖轨非工作边疲劳裂纹萌生与扩展研究[D]. 张献恒.北京交通大学 2019
[3]基于车辆动态响应的高速铁路钢轨波磨仿真与分析[D]. 孙锐.北京建筑大学 2018
[4]WK-75型挖掘机动臂裂纹萌生寿命分析[D]. 尚钟平.太原理工大学 2018
[5]残余应力对钢轨疲劳裂纹萌生与扩展的影响机理研究[D]. 李杨.石家庄铁道大学 2017
[6]U71Mn钢轨伤损机理研究[D]. 钦凤.湖南大学 2016
[7]15CrMoR钢焦炭塔疲劳裂纹萌生与扩展的预测分析[D]. 李伟.暨南大学 2016
[8]基于疲劳和磨耗竞争关系的钢轨选用方法[D]. 张翼.石家庄铁道大学 2016
[9]高速铁路轮轨滚动接触疲劳裂纹萌生及扩展的有限元分析[D]. 赵运磊.天津科技大学 2013
本文编号：3475609
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