高速列车车轮磨耗寿命及磨耗疲劳分析

摘要

我国铁路已进入高速发展阶段，列车速度和运载量在不断加大，导致车轮磨耗及疲劳问题变得日益突出。车轮严重磨损时，导致踏面凹凸不光滑，会影响列车运行的平稳性和舒适性;当车轮出现疲劳损伤时，会导致车轮断裂，造成重大的安全事故，因此需要及时对车轮进行镟修或更换。但要建立最优的镟修或更换周期，需要深刻地了解列车运行时车轮的磨耗及疲劳损伤规律，这是本文研究的重要目的和意义。
　　本文基于SIMPACK动力学软件建立了动车组模型，通过仿真分析得到轮轨接触斑处蠕滑力、接触斑大小、法向力等参数，结合Archard磨耗模型与安定图、损伤函数建立车轮磨耗及疲劳损伤数值分析方法。分别分析了轨道曲线半径、车辆运行速度、轨道超高、轮轨摩擦系数等因素对车轮磨耗及疲劳的影响规律，提出了一些减轻车轮磨耗及疲劳损伤的建议;最后结合列车实际运行工况，研究了车轮磨耗及疲劳损伤量随运行里程的时变规律，得到了列车的疲劳寿命。得出的主要结论如下:
　　(1)轨道曲线半径越大，车轮磨耗数及疲劳指数越小;车速越大，车轮磨耗量及疲劳损伤值也越大;轨道超高量越大，磨耗数呈先减小后增加的趋势，而疲劳损伤指数一直增加;车轮磨耗量和疲劳损伤指数随着摩擦系数的增加而增加且数值增速也在变大。
　　(2)当轨道曲线半径数值大于7000m时，继续增大曲线半径会显著地减小车轮的磨耗量，但减速趋于稳定;车速在280km/h以下时，车轮磨耗深度分布比较平均，继续增加车速，其幅值会不断增加;当轨道超高量为130mm时，车轮的磨耗损伤值最小;在摩擦系数为0.3时，车轮磨耗深度达到最大值。
　　(3)随着运行里程增加，车轮型面磨耗范围、深度及疲劳总损伤量都有所增加，列车在运行20万公里时，车轮踏面在宽度方向上的磨耗范围为-30mm～25mm，磨耗深度大约为2mm，靠近车轮轮缘部分磨耗更加严重;车轮最先发生滚动接触疲劳的位置位于车轮名义滚动圆15mm处，滚动接触疲劳寿命里程约为20万公里，且计算结果与实际调研基本一致。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 车轮磨耗国外研究现状

1．2．2 车轮磨耗国内研究现状

1．2．3 车轮疲劳国外研究现状

1．2．4 车轮疲劳国内研究现状

1．3 本文的主要内容

第2章 车辆动力学建模及轮轨接触力算法

2．1 车辆模型

2．2 线路模型

2．3 轨道不平顺

2．4 轮轨滚动接触理论

2．4．1 法向接触问题

2．4．2 切向接触问题

2．5 动力学计算

2．6 本章小结

第3章 车轮磨耗及疲劳损伤模型

3．1 车轮磨耗及疲劳损伤概述

3．1．1 车轮磨耗概述

3．1．2 车轮疲劳损伤概述

3．2 车轮磨耗及疲劳损伤分析流程

3．3 车轮磨耗计算模型

3．4 车轮疲劳损伤计算模型

3．4．1 安定图

3．4．2 损伤函数模型

3．5 本章小结

第4章 车轮磨耗及疲劳损伤的影响因素分析

4．1 轨道曲线半径对车轮磨耗及疲劳损伤的影响规律

4．2 运行速度对车轮磨耗及疲劳损伤的影响规律

4．3 轨道超高对车轮磨耗及疲劳损伤的影响规律

4．4 摩擦系数对车轮磨耗及疲劳损伤的影响规律

4．5 本章小结

第5章 车轮磨耗及滚动接触疲劳寿命预测

5．1 疲劳寿命预测方法

5．1．1 名义应力法

5．1．2 局部应力应变法

5．1．3 应力场强法

5．2 车轮滚动接触疲劳寿命预估模型

5．3 仿真结果分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果