高速列車車輪踏面局部滾動接觸疲勞的機理研究

《高速列車車輪踏面局部滾動接觸疲勞的機理研究》是依託西南交通大學，由趙鑫擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高速列車車輪踏面局部滾動接觸疲勞的機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：趙鑫
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

高速列車的車輪滾動接觸疲勞隨著我國高鐵運營里程的持續增加逐漸成為急待解決的問題，例如，2012年新發現的一種局部接觸疲勞裂紋能在三個月內擴展到5-8 mm深，嚴重威脅行車安全。本項目首先針對疲勞車輪進行幾何、材料分析，並測定高應變率下的材料本構和高速輪軌黏著特性。同時，採用顯式有限元法建立三維彈塑性瞬態滾動接觸模型求解高速輪軌滾動接觸，其中考慮速度、滾動行為、高頻振動的影響並引入實測接觸幾何、含應變率影響的材料模型和高速黏著特性。之後，結合高速車輛-軌道耦合動力學結果，套用滾動接觸模型計算高速滾動接觸載荷條件下的材料瞬態回響，評估表層材料的磨損、塑性流變，進一步結合疲勞試樣的微觀材料分析結果，揭示高速車輪局部滾動接觸疲勞的萌生機理與裂紋擴展規律，為增加高速車輪可靠性、降低維護成本提供基礎數據和理論指導。最後，找到導致高速車輪局部滾動接觸疲勞的載荷條件及列車運行狀態，提出減緩措施。

結題摘要

在現場調查測試、關鍵參數測定和數值模擬分析的基礎上，本項目詳細分析了我國高速動車組近幾年出現的車輪局部滾動接觸疲勞（局部疲勞）的主要損傷特點、萌生機理、發展過程及可能後果。跟蹤、調研數據及試樣分析結果表明，該損傷與材料缺陷無關，應該主要由踏面硌傷引發，相應案例實踐中確有觀測。此結論既與69%的局部疲勞發生在硌傷機率最大的動車組頭軸上的事實相吻合，亦可解釋镟修後不重現的現象。通過建立考慮材料彈塑性及應變率影響的三維瞬態輪軌滾動接觸有限元模型，詳細研究了高速滾動接觸條件下局部疲勞由硌傷萌生的機理。結果表明，局部幾何比較平滑的硌傷，會降低動車組的運行品質，但不足以引發局部疲勞；相對而言，局部疲勞更可能萌生於尺寸大於2-4 mm的局部幾何尖銳的深硌傷處。裂紋的具體萌生位置應該不是硌傷表面，因為表面尖銳幾何很容易被磨損和塑性變形改變，難以萌生裂紋，即使萌生了裂紋，形成小塊材料脫落（較大塊磨屑）的可能性最大，很難往材料內部擴展。與鋼軌無法接觸的硌傷底部，若其局部幾何足夠尖銳，會有充足的時間來萌生裂紋並擴展至材料內部，從而更易於萌生局部疲勞。鑒於此萌生機理，建議及時清理軌道上存在的可能造成較深硌傷的異物，從根本上解決問題，同時，改進現有維修標準，及時镟除車輪表面尺寸大於2-4 mm的深硌傷。若無法及時镟修，平均裂紋深度擴展速率約為0.18 mm/萬公里，即運行約17天后，裂紋深度擴展0.5 mm。從避免局部疲勞的角度而言，沒有必要對硌傷車輪實行限速。需說明，若任其發展，車輪局部疲勞裂紋會擴展到2.5~8 mm深，之後很可能向表面擴展，最終形成較大塊剝離，不太可能會向內部擴展，即不會導致車輪崩箍等嚴重事故。上述研究成果，為更詳細研究局部滾動接觸疲勞現象指明了方向，也為實踐中損傷車輪的維修提供了支撐。