地铁轨道曲线段轮轨滚动接触疲劳分析

摘要

滚动接触疲劳伤损是影响轮轨寿命的主要伤损之一，如处理不及时或不妥当，随时会导致轮对和钢轨失效，危及行车安全。本文从轨道结构参数方面进行车辆曲线通过时轮轨滚动接触疲劳成因研究。主要工作和结论如下：　　(1)首先对国内外轮轨滚动接触疲劳的现有实验和理论研究等进行详细论述，明确轮轨滚动接触疲劳的研究意义，并选用适合本文所需的研究方法。　　(2)通过建立轮轨接触几何计算模型、蠕滑率计算模型和三维非Hertz滚动接触力学模型，研究轨道结构参数对地铁车辆静态匹配性能和接触力学特性的影响。结果表明：内轨或外轨轨底坡的减小均会恶化轮轨接触关系，引起较大的接触应力；轨距加宽可改善轮轨匹配关系，并显著降低接触接触应力，减小轮轨的滑动行为。　　(3)建立了地铁车辆-轨道耦合动力学模型，结合三维非Hertz滚动接触力学模型，按轮轨实际滚动接触状态，分析计算轨道结构参数对轮轨动态匹配关系和接触力学特性的影响。结果表明：曲线半径的减小会恶化轮轨匹配关系，使轮轨间有较大的蠕滑率和蠕滑力；外轨轨底坡的减小对外轨侧轮轨接触几何和接触应力影响更大，内轨轨底坡的变化对内外轨均有明显影响；轨距加宽能改善轮轨关系，有利于曲线通过，使轮轨接触点对不易发生轮缘和钢轨外侧的接触；摩擦系数主要影响外轨侧轮轨接触，摩擦系数增大能显著降低摇头角和蠕滑率，降低轮轨间的接触应力。　　(4)基于三维弹性体非赫兹滚动接触理论、安定图及损伤函数，进一步分析轨道结构参数对轮轨滚动接触疲劳的影响。车辆通过小半径曲线(尤其半径小于500m)会发生轨距角接触，接触斑上的作用力远大于非轮缘接触时的作用力，轮轨接触斑材料处于棘轮效应区，这是轮缘和钢轨内侧易产生大量滚动接触疲劳破坏的主要原因。内轨或外轨出现较小的轨底坡时，会显著增大轮轨表层和次表层接触应力，恶化车轮表面疲劳性能，使轮轨产生滚动接触疲劳的概率增加。适当加宽曲线段轨距有利于轮轨关系的匹配，可缓减曲线钢轨接触疲劳伤损，轨距加宽值为2mm时效果最佳。过小的摩擦系数会引起外轨侧有过大的轮轨接触应力，随着荷载的循环加载，会加速轮轨材料的疲劳伤损；增加轮轨间的粘着可以减小轮轨间的接触应力，进而降低轮轨间的滚动接触疲劳，摩擦系数为0.3和0.4效果最为显著。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 轮轨接触疲劳研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文的主要研究工作

第2章 轮轨静态接触关系分析

2.1 轮轨滚动接触计算模型

2.1.1 轮轨接触几何计算模型

2.1.2 轮轨滚动接触蠕滑率计算

2.1.3 三维非Hertz 滚动接触力学模型

2.2 轮轨静态匹配性能分析

2.2.1 接触点对分布

2.2.2 滚动圆半径差和接触角

2.2.3 纵向蠕滑率和自旋蠕滑率

2.3 轮轨静态接触力学特性分析

2.3.1 非对称轨底坡变化

2.3.2 轨距变化

2.4 本章小结

第3章 车辆曲线通过时轮轨动态接触关系分析

3.1 地铁车辆-轨道耦合动力学模型

3.2轮轨动态匹配性能分析

3.2.1 曲线半径变化

3.2.2 非对称轨底坡变化

3.2.3 轨距变化

3.2.4 摩擦系数变化

3.3 轮轨动态接触力学特性分析

3.3.1曲线半径变化

3.3.2 非对称轨底坡变化

3.3.3 轨距变化

3.3.4摩擦系数变化

3.4 本章小结

第4章 轮轨滚动接触疲劳影响分析

4.1 轮轨滚动接触疲劳预测模型

4.1.1 安定图

4.1.2 损伤函数

4.2 滚动接触疲劳影响分析

4.2.1 曲线半径变化

4.2.2 非对称轨底坡变化

4.2.3 轨距变化

4.2.4 摩擦系数变化

4.3 本章小结

结 论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果