CRH5型动车组轮轨滚动接触行为及疲劳寿命研究

摘要

本研究采用大型有限元模拟分析软件ABAQUS对轮轨在实际工况下的运行进行仿真模拟，结合滚动接触理论，分析不同轴重梯度、湿滑条件下不同摩擦系数以及不同驱动扭矩下轮轨滚动接触接触区域的应力应变响应，得出轴重、各润湿条件下摩擦系数、扭矩对轮轨滚动接触行为的影响规律；基于滚动接触疲劳强度理论，采用S-N曲线折减法和疲劳分析软件Fe-safe对车轮滚动接触疲劳寿命进行了预测。结果表明，随着轴重载荷的增加，轮轨接触部位等效应力、轮轨横截面剪切应力、轮轨接触区域的真应变和剪应变均增大，车轮所受等效应力随距表深度的增加而减小，最大等效应力出现在距表深度为1-10 mm范围，而钢轨则呈先缓慢增大后持续减小，应力最大值出现在距表深度12 mm左右，最大真应变出现的位置并不随轴重的变化而转移，此位置在轮轨接触区域车轮深度方向15-20 mm范围；随着湿滑条件下摩擦系数的增大，轮轨接触区域最大Mises应力呈非线性变化，轮轨间的垂向力则随摩擦系数的增大缓慢增大，轮轨接触区域的最大横向、垂向、纵向剪切应力均随摩擦系数的增大而增大，不同的是最大垂向、纵向剪切应力值明显大于最大横向剪切应力，同时最大垂向、纵向剪应力产生的位置会随着摩擦系数的增大不断向表面扩展，这也解释了轮轨次表面受力大，但在表面易出现磨损、起裂现象的原因；驱动扭矩的变化对轮轨滚动接触区域的最大Mises应力、最大横向剪切应力及其分布不产生影响，最大纵向剪切应力随扭矩的增大而增大，且呈现出向轮轨接触面移动的态势。通过S-N折减法计算出：不同轴重下的车轮寿命在6×107次至9×107次循环范围，行驶距离均满足三级以上检修周期要求，湿滑条件不同摩擦系数对应的车轮寿命在6×109次至8.9×109次循环内，属于超高周疲劳，行驶距离达到四级107km检修要求，同时解释了润滑对提高轮轨滚动接触疲劳寿命的重要性；用Fe-safe疲劳分析软件计算疲劳寿命，并对计算结果进行修正，得到不同轴重下轮轨疲劳寿命在6.43×107次至8.10×107次循环范围，属于高周疲劳，理论行驶距离满足三级106 km检修要求，数值计算结果与折减法计算的车轮寿命结果相吻合。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内研究状况

1.3 国外研究状况

1.4 CRH5型动车组轮轨材料简述

1.5 本文研究方法和内容

第2章 轮轨滚动接触理论

2.1 Hertz接触理论

2.2 Carter二维滚动接触理论

2.3 Johnson无自旋三维滚动接触理论

2.4 Kalker蠕滑理论

第3章 基于ABAQUS有限元法对轮轨滚动接触行为的研究

3.1 ABAQUS软件介绍

3.2 有限元法简析

3.3 CRH5型动车组轮轨弹塑性有限元模型的建立

3.4 轴重对CRH5型动车组轮轨滚动接触行为的影响

3.5 湿滑条件下摩擦系数对CRH5型动车组轮轨滚动接触行为的影响

3.6 驱动扭矩对CRH5型动车组轮轨滚动接触行为的影响

第4章 轮轨滚动接触疲劳强度理论

4.1疲劳破坏机理及特点

4.2 滚动接触疲劳破坏形式

4.3疲劳寿命影响因素

第5章 轮轨滚动接触疲劳寿命的数值分析

5.1 滚动接触疲劳寿命预测理论及其发展

5.2 基于S-N曲线法轮轨滚动接触疲劳寿命预测

5.3 基于Fe-safe轮轨滚动接触疲劳寿命预测

结论

参考文献

致谢

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