车轮踏面剥离对轮轨动态接触行为和疲劳寿命的影响

摘要

随着我国列车高速化、重载化的发展以及铁路运营里程的不断增加，列车服役环境和轮轨相互作用关系日益复杂，车轮踏面剥离现象频繁发生和越发严重。车轮踏面剥离会增大轮轨动态相互作用，诱发轮轨冲击，影响列车运行安全性和乘坐舒适性。本文采用理论分析与有限元仿真相结合的研究方法，对车轮踏面剥离引起的轮轨冲击力学响应及其对车轮疲劳寿命的影响开展了较深入的研究。主要研究内容与成果包括以下几个方面：　　(1)基于刚性假设和轮轨接触几何关系，建立了轮轨接触理论分析模型，推导了踏面剥离引起的轮轨冲击临界速度，分析了列车运行速度低于和高于轮轨冲击临界速度时的轮轨作用机理，给出了轮心运动轨迹、轮心垂向速度、轮心垂向加速度和轮轨冲击力计算公式，讨论了列车速度对轮轨冲击速度的影响规律。结果表明，当列车速度低于轮轨冲击临界速度时，轮轨冲击速度随列车速度增大而呈线性增加；当列车速度高于轮轨冲击临界速度时，轮轨冲击速度随着列车运行速度的增大而减小并最终收敛于某个定值。　　(2 )建立了含规则踏面剥离的半轮对-钢轨三维滚动接触有限元模型，利用LS-DYNA971/显式算法模拟了车轮踏面剥离引起的轮轨动态响应，探讨了列车速度、剥离深度和剥离长度等关键参数对轮轨动态响应的影响规律，发现并讨论了车轮踏面剥离引起的轮轨冲击第二临界速度，阐述了轮心垂向位移偏差与轮轨塑性变形对踏面剥离引起轮轨接触损失的耦合影响机制。　　(3)考虑车轮踏面剥离的形状不规则特性，将踏面剥离引起的车轮几何不圆顺转换为轮轨接触位移不平顺，以初始位移激励的形式施加到三维轮轨滚动接触有限元模型中，研究了形状不规则踏面剥离引起的轮轨动态响应，并在时域和频域内讨论了踏面剥离随机不规则度和列车速度等参数对轮轨动态响应的影响规律。　　(4)根据轮轨动态有限元仿真结果，编制了轮辋和轮辐危险部位的应力谱，基于名义应力法、Miner线性累积损伤准则以及车轮材料概率S-N曲线，研究了给定置信度和不同可靠度下踏面剥离对车轮轮辋和轮辐疲劳寿命的影响。结果表明，踏面剥离会导致轮辋和轮辐疲劳寿命显著降低，且踏面剥离对轮辐疲劳寿命的影响比对轮辋疲劳寿命的影响大。　　论文在车轮踏面剥离引起的轮轨动态接触行为、轮轨冲击作用机理、不规则踏面剥离车轮-轨道动态响应以及基于轮轨动态响应的疲劳寿命预测等方面取得的理论与仿真结果，可为高速列车轮轨系统的优化设计、安全性评估以及运营维护策略制定提供有益的理论和技术支持。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 车轮非圆化对轮轨接触行为的影响

1.2.2 车轮踏面剥离的成因及机理

1.2.3 车轮踏面剥离引起的轮轨动态响应

1.3 本文主要研究内容

第2 章车轮踏面剥离引起的轮轨冲击力学响应理论分析

2.1.1 模型简化

2.1.2 轮径差

2.1.3 轮心运动轨迹

2.2 轮轨冲击临界速度

2.3 车轮踏面剥离引起的轮轨冲击力

2.3.1 列车速度低于轮轨冲击临界速度情形

2.3.2 列车速度高于轮轨冲击临界速度情形

2.4 本章小结

第3 章规则踏面剥离引起的轮轨动态响应有限元分析

3.1 有限元模型

3.1.1 剥离尺寸确定

3.1.2 有限元建模

3.1.3 材料模型与边界条件

3.1.4 显式时间积分

3.1.5 网格尺寸敏感性分析

3.2 结果分析与讨论

3.2.1 典型轮轨动态力学响应

3.2.2 列车速度的影响

3.2.3 剥离深度的影响

3.2.4 剥离长度的影响

3.3.1 轮轨接触损失

3.3.2 塑性变形的影响

3.3.3 第二临界速度

3.4 本章小结

第4 章不规则踏面剥离引起的轮轨动态响应时频分析

4.1 有限元仿真方法

4.1.1 有限元模型

4.1.2 模型验证

4.2.1 对轮轨力时频特性的影响

4.2.2 对轴端垂向加速度时频特性的影响

4.3列车速度的影响

4.3.1列车速度对轮轨力时频特性的影响

4.3.2 列车速度对轴端垂向加速度时频特性的影响

4.4 本章小结

第5 章基于轮轨动态响应踏面剥离车轮的疲劳寿命预测

5.1.1疲劳寿命预测方法

5.1.2 疲劳累积损伤理论

5.1.3 材料的疲劳性能

5.2.1 载荷谱的分类

5.2.2 载荷谱确定

5.2.3 应力谱确定

5.3.1 轮辋疲劳寿命预测

5.3.2 轮辐疲劳寿命预测

5.4 本章小结

总结与展望

1. 全文总结

2. 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间学术成果及参加的科研项目

学位论文数据集