钢轨打磨过程中温度场及残余应力仿真研究

摘要

钢轨打磨作为常用的钢轨养护措施，其打磨过程中砂轮和钢轨相互作用产生大量磨削热，不合理的打磨参数会使钢轨温升过高，导致钢轨烧伤和较大的残余应力，在后续服役过程中加剧钢轨疲劳损伤。因此研究打磨参数和打磨模式对钢轨温度场、钢轨热机耦合应力及残余应力的影响具有重要的理论意义和工程指导价值。　　论文基于虚拟砂轮模型，建立单个砂轮钢轨打磨三维模型，利用DEFORM有限元软件对钢轨打磨过程进行了模拟，仿真分析了不同轨头半径(R13、R80、R300)和打磨参数(进给速度、打磨深度、砂轮转速)对打磨温度和热机耦合应力的影响，探究了打磨后钢轨上的残余应力及硬度分布。同时，引入移动热源法，将砂轮转化为移动的矩形热源，利用ABAQUS有限元软件仿真分析了PGM96型钢轨打磨列车修复性打磨模式以及GMC96型钢轨打磨列车现场轨顶打磨模式与飞边打磨模式的打磨温度场。　　论文研究的主要结论如下：　　(1)单个砂轮打磨钢轨时最高打磨温度随轨头半径、进给速度增加而降低，随打磨深度、砂轮转速增加而升高。　　(2)PGM96型打磨列车修复性打磨模式的打磨温度场中，钢轨不同轨头半径处达到的最高温度不同：R13>R80>R300，为防止打磨温度过高，列车运行速度应该高于16km/h。相比于PGM96型打磨列车，GMC96型打磨列车轨顶打磨模式和飞边打磨模式的打磨温度场分布更稀疏。整列车打磨时，钢轨某区域温度受到当前打磨角度和周围打磨角度上砂轮打磨的影响，周围打磨角度与当前角度相距越远，对该区域温度影响越小。当同一打磨角度排布多个砂轮时，打磨温度会逐步升高。　　(3)单个砂轮打磨过程中热机耦合应力大于钢轨材料的抗拉强度，随轨头半径和打磨深度增加而增加，随进给速度和砂轮转速增加而降低。　　(4)单个砂轮打磨后钢轨残余应力场与打磨温度场的分布和形态非常相近，残余应力随轨头半径、进给速度增加而降低，随打磨深度、砂轮转速增加而增加。　　(5)单个砂轮打磨后磨削区域钢轨硬度明显升高，打磨带上中心区域硬度较高，向四周逐渐降低。钢轨截面硬度随钢轨材料深度增加而降低。

目录

声明

第1章绪 论

1.1 国内外铁路运输发展

1.2 钢轨损伤

1.3 钢轨打磨介绍

1.3.1 钢轨打磨目的及分类

1.3.2 国内外钢轨打磨研究现状

1.3.3 钢轨打磨过程中温度场研究现状

1.4 研究意义与内容

1.4.1 研究意义

1.4.2 研究内容

第2章钢轨打磨仿真模型

2.1 单个砂轮钢轨打磨三维模型

2.1.1 砂轮模型

2.1.2 钢轨打磨模型

2.1.3 钢轨打磨过程中温度及热机耦合应力分析过程

2.1.4 有限元仿真描述及参数设置

2.2 钢轨打磨列车打磨温度场仿真模型

2.2.1 钢轨打磨列车及打磨模式

2.2.2 钢轨打磨温度场有限元解析

2.2.3 有限元仿真描述及参数设置

2.3 小结

第3章钢轨打磨过程中温度场仿真

3.1 单个砂轮打磨温度场

3.1.1 温度场分布

3.1.2 节点温度变化

3.1.3 轨头半径和打磨参数对打磨温度影响

3.2 PGM96型打磨列车打磨温度场

3.3 GMC96 型打磨列车打磨温度场

3.3.1 轨顶打磨模式下打磨温度场

3.3.2 飞边打磨模式下打磨温度场

3.4 小结

第4章单个砂轮钢轨打磨过程中热机耦合应力仿真

4.1 热机耦合应力场分布

4.2 轨头半径和打磨参数对热机耦合应力影响

4.2.1 轨头半径对热机耦合应力影响

4.2.2 进给速度对热机耦合应力影响

4.2.3 打磨深度对热机耦合应力影响

4.2.4 砂轮转速对热机耦合应力影响

4.3 小结

第5章单个砂轮钢轨打磨后残余应力及硬度仿真

5.1 残余应力仿真

5.1.1 有限元仿真描述及参数设置

5.1.2 冷却过程中温度场及残余应力场变化

5.1.3 轨头半径和打磨参数对残余应力影响

5.1.4 残余应力验证试验

5.1.5 残余应力产生机理分析

5.2 硬度仿真

5.2.1 硬度预测模型

5.2.2 硬度预测模型应用于钢轨材料塑性变形

5.2.3 打磨后钢轨硬度分布

5.3 小结

结论及展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目