现代运输条件下钢轨滚动接触疲劳伤损研究

摘要

现代铁路运输发展方向是客运高速化和货运重载化。随着客运列车运行速度提高和货运列车轴重增加，钢轨受力状态更加复杂，产生了各种伤损。滚动接触疲劳是其中一种重要的伤损形式。滚动接触疲劳伤损不仅增加铁路的运营成本，而且导致轨面不平顺，影响列车运行品质，同时引起恶性循环使轮轨间冲击力增大，进一步加快钢轨伤损的发展，甚至造成钢轨断裂，直接危及行车安全。因此，钢轨滚动接触疲劳机理及防治措施研究对减缓钢轨伤损，提高列车运行品质，增加铁路运输经济效益和保证行车安全都有重要意义。
　　 滚动接触疲劳伤损主要表现形式是疲劳裂纹。本文以疲劳裂纹为研究对象，以弹塑性力学、损伤力学、概率论、断裂力学为基础，建立了随机荷载作用下疲劳裂纹萌生寿命概率预测模型和疲劳裂纹扩展分析模型；在此基础上，结合疲劳裂纹和磨耗相互关系与寿命周期成本分析原理，提出了钢轨打磨参数确定方法。主要研究内容和创新点为：
　　 (1)建立考虑静水压力影响的疲劳裂纹萌生寿命预测模型。根据弹塑性力学的应变能原理，分析了静水压力对疲劳裂纹萌生的影响，提出了静水压力对疲劳裂纹萌生寿命影响的修正公式。
　　 (2)提出材质参数对疲劳裂纹萌生寿命敏感度分析方法。以疲劳裂纹萌生寿命预测方法为系统数学模型，采用单参数敏感性分析方法，分析了钢轨材质参数(弹性模量、泊松比、屈服强度和抗拉强度)对疲劳裂纹萌生寿命的影响，计算了各参数的敏感度因子。
　　 (3)钢轨材质疲劳性能随机性研究。根据材质敏感性分析结果确定影响疲劳裂纹萌生寿命的主要材质参数，以这些材质参数为变量，利用四点关联法和蒙特卡洛模拟方法，分析了钢轨疲劳参数分散性；根据统计学原理，确定了疲劳参数分布类型。
　　 (4)提出随机轮轨力作用下疲劳裂纹萌生寿命概率预测模型。以重载铁路现场实测数据为样本，利用参数假设检验方法，确定轮轨力幅值和频率特征，进而根据轮轨力分布特征编制荷载谱。根据荷载谱作用下钢轨损伤和疲劳参数分布类型，利用累积损伤理论，建立随机荷载作用下疲劳裂纹萌生寿命概率预测模型。
　　 (5)提出弹塑性状态下疲劳裂纹扩展分析方法。根据试验观察的裂纹尖端特征，建立钝形疲劳裂纹模型；以裂纹尖端滑动位移为断裂参量，依据有限元原理建立节点位移与断裂参量关系，分析弹塑性情况下疲劳裂纹扩展特性。
　　 (6)提出确定钢轨打磨参数方法。根据裂纹长度与深度几何关系、裂纹长度与通过总重关系和裂纹扩展速率与裂纹长度关系图，确定了裂纹深度扩展速率与通过总重关系图。利用裂纹深度扩展速率与通过总重关系图和磨耗速率与通过总重关系图，分析裂纹扩展与磨耗的相互关系。通过对裂纹扩展与磨耗相互关系分析，引入了最佳磨耗速率概念。根据最佳磨耗速率概念，提出了钢轨技术性打磨周期的确定方法。随着打磨技术的发展和应用，钢轨打磨已经成为养护维修的中的日常作业项目。因此，从寿命周期成本角度，提出钢轨经济性打磨周期确定方法。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：常用符号表

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 钢轨滚动接触疲劳伤损行为

1.2.1 滚动接触疲劳定义

1.2.2 滚动接触疲劳伤损主要表现形式

1.3 UIC钢轨伤损分类与我国钢轨伤损分类对比

1.3.1 编码规则对比

1.3.2 两种编码详细对照

1.4 钢轨滚动接触疲劳伤损研究现状

1.4.1 轮轨滚动接触理论研究

1.4.2 钢轨滚动接触疲劳伤损机理研究

1.4.3 疲劳与磨耗机理试验研究

1.4.4 钢轨打磨技术研究

1.5 本文研究思路、目的与意义

1.6 本文研究内容及创新点

第二章 恒定荷载作用下疲劳裂纹萌生寿命预测模型

2.1 疲劳裂纹萌生寿命预测流程图

2.2 钢轨接触斑应力应变数值模拟模型

2.2.1 荷载计算模型

2.2.2 材料模型

2.2.3 几何模型

2.3 疲劳裂纹萌生寿命预测模型

2.3.1 疲劳裂纹萌生寿命定义

2.3.2 恒定荷载作用下疲劳裂纹萌生寿命预测方法

2.3.3 静水压力影响系数

2.4 影响钢轨疲劳裂纹萌生寿命的主要因素分析

2.4.1 静水压力影响

2.4.2 轮轨力影响

2.4.3 摩擦系数影响

2.5 本章小结

第三章 材质疲劳性能随机性分析

3.1 钢轨材质疲劳性能

3.1.1 材质疲劳性能参数选择

3.1.2 影响材料疲劳性能的因素

3.2 钢轨材质参数对疲劳裂纹萌生寿命影响的敏感性分析

3.2.1 参数对系统的敏感性分析方法

3.2.2 钢轨材质参数敏感性分析

3.2.3 钢轨材质参数敏感性分析结果

3.3 疲劳性能参数分布特征

3.3.1 蒙特卡洛模拟

3.3.2 疲劳性能参数分布

3.3.3 疲劳性能参数之间的关系

3.4 本章小结

第四章 随机轮轨力作用下疲劳裂纹萌生寿命概率预测模型

4.1 随机轮轨力作用下疲劳裂纹萌生寿命概率预测流程图

4.1.1 疲劳可靠性分析中随机性来源分类

4.1.2 疲劳可靠性分析方法

4.2 轮轨力分布特征

4.2.1 轮轨力的特性

4.2.2 轮轨力概率分布统计

4.3 钢轨接触斑应力应变数值模拟模型

4.4 随机轮轨力作用下疲劳裂纹萌生寿命概率预测模型

4.4.1 疲劳裂纹萌生寿命概率预测模型

4.4.2 随机轮轨力作用下疲劳裂纹萌生寿命概率预测方法

4.5 随机轮轨力作用下疲劳裂纹萌生寿命概率预测结果分析

4.5.1 编制荷载谱

4.5.2 中值疲劳裂纹萌生寿命结果

4.5.3 不同轮轨摩擦情况下疲劳裂纹萌生寿命结果

4.5.4 疲劳裂纹萌生寿命概率预测结果

4.6 本章小结

第五章 疲劳裂纹扩展分析

5.1 疲劳裂纹扩展特性分析

5.1.1 疲劳裂纹模型

5.1.2 裂纹面接触约束方法

5.1.3 断裂参量

5.1.4 裂纹尖端塑性区分析

5.1.5 断裂参量影响因素分析

5.1.6 裂纹扩展类型分析

5.1.7 疲劳裂纹扩展分析结果

5.2 Ⅰ型裂纹扩展速率计算

5.2.1 Ⅰ型裂纹扩展速率试验

5.2.2 疲劳裂纹扩展速率的分散性分析

5.2.3 不同钢种的疲劳裂纹扩展速率对比

5.3 复合裂纹扩展速率计算

5.3.1 以应力强度因子组合为断裂参量的计算方法

5.3.2 以裂纹尖端位移组合为断裂参量的计算方法

5.4 本章小结

第六章 钢轨滚动接触疲劳试验研究

6.1 双碟疲劳试验

6.1.1 接触模拟方法

6.1.2 试验材料成份组成

6.1.3 试验结果分析

6.2 钢轨滚动接触疲劳现场试验

6.2.1 钢轨滚动接触疲劳试验线路条件

6.2.2 钢轨疲劳裂纹轨面观测结果

6.2.3 钢轨取样金相分析

6.3 热处理钢轨与热轧钢轨的滚动接触疲劳性能现场试验

6.3.1 试验线路条件

6.3.2 试验用热处理钢轨和热轧钢轨材质性能

6.3.3 轨面疲劳裂纹情况对比

6.3.4 金相分析结果对比

6.3.5 不同热处理钢疲劳性能对比

6.4 本章小结

第七章 钢轨打磨技术

7.1 钢轨打磨原理

7.2 钢轨打磨的分类

7.3 打磨策略对比

7.3.1 从打磨目的与效果上对比

7.3.2 从打磨周期与打磨量上对比

7.4 技术性打磨周期确定方法

7.4.1 疲劳裂纹扩展特征

7.4.2 磨耗速率特征

7.4.3 最佳磨耗速率

7.4.4 技术性打磨周期确定方法

7.5 经济性打磨周期分析模型

7.5.1 影响钢轨打磨经济性的因素

7.5.2 经济性打磨周期模型原理

7.5.3 模型分析结果

7.6 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 本文主要结论

8.2 研究展望

致谢

参考文献

附录

个人简历　在读期间发表的学术论文与研究成果