大秦铁路轨道修理中钢轨打磨的研究

随着运量和轴重的不断增加,钢轨伤损情况明显加重。钢轨打磨可以有效解决钢轨的疲劳伤损。为此针对大秦铁路钢轨滚动接触疲劳伤损进行了钢轨打磨方面的研究,简述了大秦铁路钢轨打磨现状,提出了钢轨打磨试验方案。     

U75V热处理钢轨滚动接触疲劳裂纹和磨耗试验

对U75V热处理钢轨进行不同通过总重时的表面观测、取样、磨耗测量、实验室疲劳裂纹长度与深度显微照相以及断面硬度测量,分析钢轨的轨距角滚动接触疲劳裂纹、磨耗和硬度的关系.研究发现,轨距角疲劳裂纹的发展包括裂纹快速萌生和扩展、裂纹-磨耗共存和发展、磨耗控制裂纹三个阶段.轨距角的裂纹向钢轨内部扩展,裂纹与钢轨纵向水平线呈10.8°~29.4°.硬化层硬度在340~360 HB及以上时,磨耗发展率小于0.015mm·Mt-1,而疲劳裂纹萌生扩展较快,应考虑钢轨上道后至通过总重5~10 Mt期间实施新轨预打磨、通过总重30~60 Mt时实施预防性打磨,以平衡磨耗与裂纹的关系.同时,U75V热处理钢轨具有340~360HB及以上硬度的硬化层厚度应大于10mm.     

钢轨波浪磨耗成因的研究

本文从动力学角度出发,对钢轨产生波浪形磨耗的原因提出一个新的论点:即轮对在钢轨上的潜跳.并导出了潜跳时的冲量、潜跳时的波长及潜跳高度的计算公式.最后提出了防止或减缓钢轨波浪磨耗的措施.     

基于轮轨作用关系的钢轨养护研究

本文基于轮轨作用有限元示意图,利用ANSYS大型有限元分析软件计算轮轨接触应力,并得出钢轨的疲劳伤损和磨耗伤损的主要表现,并在此基础上提出了钢轨的几点养护方法和策略,以期待对我国铁路部门的钢轨保养提供有益的帮助.     

摩擦系数对滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗影响

提出了疲劳裂纹萌生与磨耗共存发展离散化过程建模设想,根据临界平面法材料疲劳损伤理论和Archard磨耗理论,建立钢轨三维疲劳裂纹萌生与磨耗共存发展预测模型,分析轮轨接触位置的摩擦系数对曲线段钢轨表面疲劳裂纹萌生与磨耗发展的影响.结果表明,摩擦系数对接触斑面积、形状和位置无影响,但影响轮轨接触斑黏着区/滑动区的分布和切向应力状态;随着摩擦系数的增大,钢轨的平均磨耗发展率增加、磨耗量增大、裂纹萌生寿命减小,其中,摩擦系数从0.3增大至0.7时,外轨和内轨的平均磨耗发展率分别增大了约17%～55%、16%～42%,外轨和内轨的裂纹萌生寿命分别降低约24%～34%和18%～35%;随着摩擦系数的增加,外轨的裂纹萌生位置从轨面以下2.0～2.5mm处向亚表面0.9～1.0mm移动;内轨的裂纹萌生位置基本处于轨顶面下2.4～2.6 mm;轮轨接触位置的摩擦系数控制在0.3～0.4的范围,可以达到延长钢轨疲劳裂纹萌生寿命、减缓钢轨磨耗的目的.     

基于计算机视觉的钢轨磨耗自动测量技术的研究

在各种决定钢轨伤损的参数中,钢轨头部的磨耗值是最主要的参数之一.钢轨磨耗是否超限直接决定钢轨是否需要更换或打磨,因此,精确快速地测量出磨耗值对于钢轨的维护及行车安全是非常重要的.本文讨论了光取断面法在钢轨磨耗的自动测量系统中的应用,全面地阐述了系统的工作原理及解决方案.实践证明:本系统具有实时测量、速度快、精度高等特点.     

钢轨廓形打磨关键环节及智能化实现

对钢轨廓形打磨的实施流程进行了阐述,并对目标廓形设计、打磨模式设计和结果验收评价等关键环节进行了分析,提出了各环节设计方法,开发了相关计算机智能设计程序,基于实际案例,对现场实施效果进行了观测分析。结果表明,对钢轨打磨各关键环节设计方法的优化可大幅提升钢轨打磨作业的针对性;计算机智能化设计程序的开发可大幅提升钢轨打磨方案的设计效率和实施精度; 昆明铁路局广通至大理铁路线采用智能化设计方法打磨后,小半径曲线钢轨和机车轮缘严重磨耗问题得到了有效解决,现场试验与理论分析结果基本吻合。     

钢轨疲劳裂纹萌生与磨耗发展共存预测中的 磨耗阈值

提出了等磨耗深度与等车轮通过次数两种不同的磨耗阈值确定方法,分析了磨耗阈值对钢轨型面、磨耗发展率、疲劳损伤、裂纹萌生位置和寿命等预测的影响。结果表明:不同的磨耗阈值下,三次插值样条曲线平滑处理磨耗型面时引起的误差可以忽略;磨耗阈值对平均磨耗发展率影响不大,但对疲劳损伤及其发展影响明显;磨耗阈值较小时,如磨耗深度h≤0.04 mm或车轮通过次数t≤3.0×104,预测的裂纹萌生位置、裂纹萌生寿命基本接近,计算效率略低;磨耗阈值较大时,相比阈值较小的结果,裂纹萌生位置有小于5.0%的偏差,裂纹萌生寿命最大有13.5%的偏差,计算效率提高50%～60%。     

考虑轨道几何不平顺的钢轨裂纹萌生与磨耗共存预测

在钢轨裂纹萌生和磨耗发展共存预测方法的基础上,考虑了轨道几何不平顺对轮轨接触位置分布、磨耗和疲劳损伤的影响,引入轮轨接触点在钢轨上的分布概率,分散了钢轨的磨耗和疲劳累积.分析结果表明:考虑轨道几何不平顺的情况下,轮轨接触点的分布范围和概率随着磨耗和型面变化而变化,钢轨表面磨耗和内部疲劳损伤分布范围均加宽,而损伤速率降低.预测得到800 m曲线半径外轨在裂纹萌生前的平均磨耗发展率为3.813 1μm·万次~(-1),相较未考虑不平顺的结果降低了15.92%.裂纹萌生寿命预测结果为318 292次,相较未考虑不平顺的预测结果增大了14.66%.裂纹萌生点的位置比未考虑不平顺时略远离钢轨中心.     

基于瞬态接触特性的科隆蛋扣件轨道波磨形成机理

为从轮轨瞬态接触黏滑振动角度探究地铁线路上钢轨波磨的形成机理,该文首先根据现场波磨情况建立了三维轮轨滚动接触有限元模型并论证其有效性;然后,分析了车轮运行过程中的接触黏滑状态,并讨论了轮轨接触黏滑特性与波磨生成的关系;最后,研究了轮轨系统固有特性和钢轨纵向磨耗特征。结果表明：凹坑缺陷改变了轮轨滚动接触黏滑分布,导致轮轨界面发生滑移并诱发轮轨系统失稳,且滑移会进一步引起钢轨磨耗,以致最终可能形成波磨。综合轮轨接触黏滑特性和复模态分析的结果,可将钢轨波磨的形成机理归为轨面缺陷激励引发的轮轨系统的固有不稳定振动,且该不稳定振动表现为钢轨相对于轨道板的垂向弯曲振动。当车轮经过凹坑缺陷时,会产生瞬态纵向波动磨耗,且磨耗的特征波长为40～50 mm,这与实测线路上的波磨波长情况相符,从而进一步验证了钢轨波磨的形成机理。     

高速列车车轮与曲尖轨接触分析

为了研究高速铁路曲尖轨磨耗严重的问题,现场实测不同位置处的18号高速道岔曲尖轨型面及不同磨耗程度的高速列车车轮型面,建立车轮-基本轨-曲尖轨有限元模型,进行轮轨弹塑性接触分析,得出如下结论:车轮与尖轨接触状态受车轮磨耗程度与沿尖轨线路接触位置影响;使用标准车轮的情况下,当尖轨与基本轨共同承担载荷时,随着距尖轨尖端距离的增加,尖轨所受最大等效应力呈先增大后减小的趋势,当超过屈服极限时,易造成尖轨飞边;当尖轨单独承担全部载荷时,所受最大等效应力急剧增加,塑性变形加重,侧磨加剧.不同磨耗程度的车轮对尖轨会造成不同损伤,磨耗Ⅰ型车轮易造成尖轨压溃,磨耗Ⅱ型、磨耗Ⅲ型、磨耗Ⅳ型易使尖轨发生飞边,剥离掉块.     

轨道参数对曲线钢轨磨损的影响

本文通过理论计算和现场试验,论述了曲线轨距,外轨超高,轨底坡及曲线圆顺度等轨道参数对曲线钢轨磨损的影响.提出了减少曲线轨距、增大曲线钢轨轨底坡等技术措施,以减缓曲线钢轨的严重磨损.     

波纹轨腰钢轨力学性能

为了适应铁路运输的新要求，把波纹腹板 H 型钢的研究成果应用到钢轨上，开发出新型波纹轨腰钢轨，一种新型的钢轨结构。把普通钢轨的平轨腰结构轧制成波纹结构，会提高钢轨的承载能力和钢轨的稳定性。为了分析波纹轨腰钢轨的力学性能，基于有限元软件 DE-FORM，分别建立了普通钢轨和波纹轨腰钢轨的有限元模型。通过动力学模拟可知，在相同载荷和运动速度作用下，波纹轨腰钢轨的所受的最大应力、等效应变和 X 方向的位移均小于普通钢轨。并进行了静力学模拟和实验，其结果说明波纹轨腰钢轨的承载能力是普通钢轨的1.3倍以上。     

重载钢轨磨耗预测模型及接触斑网格密度研究

基于车辆-轨道耦合动力学及轮轨滚动接触分析,结合材料磨损理论建立了钢轨磨耗预测模型,编制了计算程序,可实现钢轨磨耗具体分布及发展的定量预测分析.鉴于轮轨接触斑离散化网格密度在预测模型中的显著影响作用,从接触力、磨耗分布等方面对这一因素的影响机理进行分析,探讨合理的接触斑网格密度.研究结果表明:网格密度不影响计算结果的正确性,但是稀疏的网格密度得到的蠕滑力及磨耗分布存在较多尖锐形状突变,增大密度可提高精度及磨耗分布平滑性,但会成倍增加计算代价;网格密度20×20时,钢轨磨耗速率变化由剧烈趋于稳定,继续增大密度改善效果已不明显,建议预测模型中接触斑网格密度取20×20,在确保精度的同时尽可能拥有较高计算效率.     

波纹重轨轨腰强度的数值分析

建立起波纹轨腰钢轨计算模型，运用有限元数值计算软件分别计算了平板、波纹两种轨腰在不同承载条件下的应力和位移，获得了大量的应力、位移计算数据，分析了两种轨腰结构的应力、位移分布规律和特点，为波纹轨腰钢轨的研究提供了数据支持。     

基于试验验证的磨耗型钢轨波磨形成机理

对磨耗型钢轨微观接触斑范围内的波磨产生机理进行了研究,提出了钢轨波浪型磨耗的微观波长锁定扩展机制,分析了波磨在此机制的作用下的形成机理.设计研制了小比例的双模拟轮滚动试验台对此波磨形成机制理论进行试验验证并进行了相应的线路试验,试验台可测出不同载荷作用情况下的横向蠕滑力,试验验证了不同正压力下的蠕滑力-蠕滑率变化规律,结合线路试验的波磨区段黏滑振动特征,验证了理论分析的波磨微观形成机理,所验证的形成机理理论可用于解释实际工程中的多种波磨现象.     

轨钢磨损行为的试验

在实验室条件下用圆盘试样模拟了钢轨的接触条件。研究了滑差和接触应力对珠光体轨钢磨损行为的影响。通过滚磨表面下扫描电镜观察及测试,分析了磨损过程中的磨损形式及其相互作用机理。结果表明,磨损速率随滑差而增大,滑差增至4％时,达到极限摩擦系数。磨损量与滑动摩擦功呈线性关系,与滑动距离成正比。干磨条件下,表层组织发生强烈的塑性形变,使组织沿平行于表面层状分布。粘附磨损和疲劳磨损是轨钢的主要磨损形式。     

基于轮轨接触特征的转辙器区钢轨廓形设计

针对道岔转辙器区钢轨容易出现伤损及寿命短等问题,根据轮轨接触理论,提出了以滚动圆半径差函数和轮轨间接触点均匀分布为主要的设计目标,以轮轨接触点的位置为边界条件,利用欧拉积分方法求解微分方程,从而获得钢轨打磨的目标廓形的方法,并编制了相应的计算程序,进行了实例验证.结果表明,优化后的钢轨与车轮有更合理的匹配性,改善了车辆通过道岔时的动力学性能,减小了轮轨间的接触应力,使得接触分布和磨耗更加均匀,从而能延长钢轨使用寿命.