铁路小半径曲线钢轨病害成因及整治研究——以昆明工务段南昆线为例

摘要

既有线山区铁路由于设计标准较低、使用年限较长、所处的地质气候环境恶劣，且随着列车运行速度提高、轴重增加、行车密度加大以及强度高、耐磨性好轨钢的广泛应用，钢轨轨头的剥离掉块和水平裂纹成为小半径曲线轨道伤损的主要形式。列车以较高速度经过小半径曲线轨道时，曲线上股钢轨轨头容易出现偏心受压，轨头内侧亚表面容易屈服，导致疲劳裂纹的产生和扩展，使轨头内侧出现剥离掉块，引起车轮滚动不平顺，轮轨的冲击作用进一步加速病害的扩展，甚至引起断轨的重大事故。因此，本论文以昆明工务段管内的南昆线、成昆线小半径曲线为例，研究轮轨滚动接触产生的轨道病害及其解决办法，对增强我国山区铁路运营安全具有重大意义。
　　本文以南昆线ZHK707+732.4的400m小半径曲线为研究对象，通过现场调研和分析工务段内日常养护维修技术资料，总结曲线段钢轨轨头病害的产生、发展规律。在现场获取小半径曲线参数后，运用SIMPACK软件对车辆-轨道进行动力学计算，并优化曲线轨道的几何参数。再结合力学数据，运用ABAQUS/XFEM扩展有限元模块对水平裂纹萌生及发展规律进行分析。本文主要结论如下:
　　(1)钢轨轨头出现的水平裂纹与剥离掉块存在因果关系:轨头剥离掉块由水平裂纹发展而成。因此，研究水平裂纹是研究剥离掉块的基础。
　　(2)轨头内侧水平裂纹由多个疲劳裂纹组成。而疲劳裂纹由曲线段内过大的轮轨力及偏心压力导致。
　　(3)在南昆线ZHK707+732.4的400m小半径曲线轨道上，总重为93t的货车以限制速度80km/h运行时，计算得到轮轨最大横向力为57.42KN，最大垂向力为137.96KN，脱轨系数为0.416。优化轨底坡和外轨超高后，轮轨力、摩擦功率及蠕滑率等指标值均出现下降，验证了优化设计的合理性。
　　(4)轮轨力作用在轨头顶面中心线时，只在接触面附近区域产生疲劳效应，轨头内侧应力很小。当轮轨力向轨头内侧偏心受压时，轨头内侧亚表面6mm～12mm区域应力及应变达到峰值，与产生疲劳裂纹的区域重合。当存在水平裂纹时，裂纹尖端处应力集中现象明显，容易导致裂纹扩展。
　　(5)轮轨力对裂纹尖端的作用受水平裂纹位置的影响。水平裂纹距离轨头顶面距离越小，裂纹尖端的应力集中现象越明显，裂纹越容易扩展。
　　(6)裂纹尖端应力及应变受水平裂纹深度的影响。裂纹向轨头中心扩展，裂纹尖端最大有效Mises应力及应变反而减小，所以裂纹扩展到一定深度后扩展速度会降低，但由于有效截面的减小，轨头内部将产生更大的应力。
　　(7)给轨头施加足够大的垂向和横向轮轨力，当轮轨接触面边缘处于裂纹尖端正上方且接触面位于未开裂一侧时，水平裂纹向斜上方扩展，最后发展成为剥离掉块。而当其处于开裂一侧时，水平裂纹朝轨头中心且略微向下方发展，进一步扩展成为斜裂纹，甚至出现核伤和断轨。研究结论与现场观察结果一致。
　　(8)水平裂纹尺寸较小时，除了裂纹尖端应力及应变较大外，轨头其他部位应力、应变变化不大。只有当裂纹发展到较大尺寸或向纵深发展时，改变轨头有效截面大小，才有可能发生断轨。因此，轨头出现小尺寸的水平裂纹时，钢轨仍然处于安全状态，但要定期观察裂纹的扩展现象。水平裂纹及其他形式的裂纹允许的最大安全尺寸还要结合实际做进一步的研究与现场试验。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究的背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 车辆-轨道受力

1．2．2 钢轨剥离掉块

1．2．3 钢轨水平裂纹

1．2．4 其他预防及整治措施

1．3 研究方案

1．4 昆明工务段现状及发展前景

2 昆明工务段内小半径曲线钢轨剥离掉块、水平裂纹综述

2．1 曲线段钢轨剥离掉块

2．1．1 现场观察分析剥离掉块的产生特征

2．1．2 剥离掉块的危害

2．1．3 剥离掉块产生的机理

2．1．4 剥离掉块的预防及整治措施

2．2 曲线段钢轨水平裂纹

2．2．1 现场观察分析水平裂纹的产生特征

2．2．2 水平裂纹的危害

2．2．3 水平裂纹产生的机理

2．2．4 水平裂纹的预防及整治措施

2．3 小半径曲线钢轨剥离掉块与水平裂纹的关系

2．4 本章小结

3 铁路小半径曲线段车辆-轨道仿真计算模型

3．1 多体系统动力学及SIMPACK简介

3．1．1 多体系统动力学简介

3．1．2 多体动力学的研究方法

3．1．3 SIMPACK软件简介

3．2 SIMPACK建模理论概述

3．2．1 模型假设与简化

3．2．2 SIMPACK多体系统定义要素

3．2．3 车辆-轨道的拓扑关系

3．2．4 模型参数设置

3．3 整车多体动力学模型

3．3．1 基本模型的建立

3．3．2 标志点的设置

3．3．3 车辆铰接及力元的施加

3．3．4 轨道激励的设置

3．3．5 建模的准确性检验

4 小半径曲线上车辆-轨道动力学仿真分析

4．1 车辆-轨道动力学计算内容和评价指标

4．2 曲线轨道参数的选取

4．2．1 南昆线ZHK707+732．4曲线轨道模型参数

4．2．2 对参数的合理性进行理论检算

4．2．3 动力学研究对象的选取

4．3 轨道半径对钢轨受力的影响

4．4 列车速度对钢轨受力的影响

4．5 曲线超高对轮轨受力的影响

4．6 轨底坡的设置对钢轨受力的影响

4．7 小半径曲线轨道参数优化设计

4．8 本章小结

5 小半径曲线钢轨水平裂纹扩展研究

5．1 断裂力学基本概念

5．2 ABAQUS软件仿真研究

5．2．1 基于ABAQUS／XFEM的建模方法

5．2．2 钢轨模型及计算参数

5．2．3 轮轨接触理论

5．3 无裂纹条件下钢轨应力、应变分析

5．4 水平裂纹条件下钢轨应力、应变分析

5．5 水平裂纹位置对裂纹尖端应力、应变的影响

5．6 水平裂纹深度对裂纹尖端应力、应变影响

5．7 水平裂纹发展方向研究

5．8 本章小结

6 结论与展望

6．1 研究结论

6．2 研究展望

参考文献

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