钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗共存预测方法验证

采用小比例轮轮滚动接触疲劳试验再现钢轨裂纹萌生和磨耗过程,根据钢轨裂纹萌生和磨耗共存预测方法结合试验条件建立相应的预测模型,分别对试验和仿真预测的钢轨试样磨耗、裂纹萌生寿命和启裂角度等进行比对,从而验证钢轨裂纹萌生和磨耗共存预测方法。研究发现:当试样萌生裂纹时,有53.8%的试样经历了2个磨耗阶段,平均磨耗发展率约为5.83μm·10^-4次^-1;预测的试样在萌生裂纹前经历了2次磨耗阶段,平均磨耗发展率约为5.18μm·10^-4次^-1,较试验结果低约11.1%;试验中试样裂纹萌生寿命在6×10⁴～14×10⁴次范围内,且裂纹长度在荷载循环次数在11×10⁴～12×10⁴次时达到极大值,预测的裂纹萌生寿命为11.1×10⁴次,基本与试验结果中裂纹萌生时出现极大值的试样所对应的荷载作用次数接近。试验观测到试样表面裂纹开口与滚动方向的角度平均值约为45°;仿真预测的裂纹开口与滚动方向的角度平均值基本...     

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.     

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%。     

液体对钢轨滚动接触疲劳裂纹的作用

建立基于耦合欧拉?拉格朗日方法的液体-裂纹流固耦合数值模型,分析移动轮轨接触荷载下液体对钢轨滚动接触疲劳裂纹面之间的压力分布情况,研究了不同黏度液体对不同长度、不同角度裂纹的作用.结论发现:高黏度液体对裂纹全长均有压力,对裂纹面的压力是低黏度液体压力的4.8～5.9倍,且越靠近裂纹尖端的压力越大,算例工况下脂类对裂纹尖...     

服役U71Mn钢轨疲劳裂纹萌生及扩展分析

采用HV-1000型显微维氏硬度计、光学显微镜、扫描电子显微镜和能谱仪等手段,研究了服役后U71Mn钢轨表层力学性能、轨距角处的显微组织以及裂纹萌生和扩展机理.结果表明:钢轨表层轨距角处的硬化程度最严重,并且该区域沿列车运行方向呈现出较为严重的剪切塑性变形,裂纹容易在该处萌生.钢轨轨距角处的裂纹萌生受到表层切应力分布状态、表面摩擦因数以及表层夹杂物等的综合影响,钢轨表层受到循环应力的反复作用,在加工硬化的作用下材料局部发生硬化,塑韧性降低,另外钢轨表层有大量长条状的MnS夹杂物,这些因素都极大地促进了疲劳裂纹的萌生.轨距角处的裂纹沿着钢轨表层剪切塑性变形的方向扩展,主要方式是穿晶扩展,裂纹间隙中较多的氧化物对裂纹扩展有较大的促进作用.     

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.     

试论列车轴重对钢轨磨耗与损伤的影响

本文从摩擦、接触理论与断裂力学方面论述了轴重与钢轨磨耗和损伤的关系,并结合现场的调查资料与实际情况,提出钢轨磨耗与破损和轴重成指数关系而与运量成比例关系的结论。为适应我国重载运输的需要和轴重不断提高的趋势,对轨道与转向架结构提出了改进建议。     

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.     

基于有限元仿真的钢轨表面磨耗预测

为了研究轮轨相互作用过程中钢轨的磨耗情况,采用Chaboche随动强化模型,对滚动接触载荷作用下的钢轨塑性剪切应变演化情况进行了有限元模拟分析.钢轨在滚动载荷作用初期,塑性剪切应变累积速率较快,随着载荷循次数的增加,剪切应变的增量逐渐变小并趋于稳定值.钢轨接触表面会形成剪切应变层结构,随着距离钢轨表面深度的增加,塑性剪切应变逐渐变小.结果显示,基于有限元模拟应用塑性剪切应变判据预测的结果比实际结果稍小,误差约为33.3%.     

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.     

影响钢轨疲劳裂纹萌生寿命的主要因素分析

建立了钢轨3维弹塑性有限元计算模型,分析了接触斑内应力应变场特点.分析结果表明,在接触斑内钢轨处于三向压缩应力状态,有较大的静水压力;认为静水压力影响滚动接触疲劳裂纹萌生寿命.以临界平面法为基础,提出了考虑静水压力影响的滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型,分析了轮载和摩擦系数对疲劳裂纹萌生的影响.结合具体算例分析表明:随着静水压力增大,静水压力对滚动接触疲劳裂纹影响在增大;随着轮载和摩擦系数增加,滚动接触疲劳裂纹萌生寿命迅速减少.     

考虑材料塑性变形的高速道岔心轨裂纹萌生预测

根据高速铁路18号单开道岔钢轨设计廓形,考虑车轮逆向-侧向通过翼轨?心轨时轮载转移引起的冲击荷载和材料塑性变形,将心轨塑性变形结合到裂纹萌生和磨耗共存发展预测方法中,预测了心轨裂纹萌生。分析发现,心轨顶宽35~40 mm为承受轮载转移的最不利位置;该位置的表面材料在冲击荷载下发生塑性变形,其应力应变明显降低,直至在一定轮载次数下达到稳定状态,这时的最大塑性变形量为0.087 5~0.092 5 mm,延缓了疲劳裂纹的萌生;心轨疲劳损伤最大值位于轨头亚表面,顶宽35和40 mm处的裂纹萌生区域分别在心轨表面垂直向下1.2和1.5 mm、从轨顶中心水平向工作边一侧4~5 mm和1~2 mm的位置。疲劳裂纹萌生寿命分别为1.63×10⁶ t和3.97×10⁶ t。