《高速列車輪對疲勞壽命預測研究》是依託同濟大學，由陸正剛擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高速列車輪對疲勞壽命預測研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：陸正剛
- 依託單位：同濟大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
高速列車輪對作為重大裝備高速動車組走行部的核心部件之一，是承載和傳遞列車牽引力、制動力和輪軌作用力的唯一載體，輪對的高疲勞可靠性是保持高速列車安全平穩運行的關鍵技術之一。輪對疲勞可靠性包括輪對的結構疲勞可靠性和車輪滾動接觸疲勞可靠性，輪對的結構疲勞如車軸裂紋、斷裂和車輪裂紋等，取決於作用在輪對上的動載荷（包括輪軌作用力、軸箱懸掛載荷、牽引、制動載荷等）和輪對慣性載荷。輪軌接觸疲勞如踏面剝離、壓潰、龜裂等取決於輪軌接觸區域的應力分布和變化。本項目將通過建立包含柔性輪對和軌道的高速車輛－軌道剛柔耦合和機電耦合動力學模型，研究列車在牽引、制動非穩態和高速運行條件下輪軌動力作用、輪對結構彈性對動力學性能的影響以及輪對的結構動應力；建立基於彈塑性摩擦接觸理論的輪軌非線性有限元模型分析在不同工況下車輪踏面的接觸動應力，由此構建高速列車輪對在全服役期間的疲勞評估模型，並分析和預測其疲勞壽命。
結題摘要
本項目重點研究輪軌滾動接觸疲勞（RCF）問題，特別是輪對在縱向大蠕滑比如牽引和制動等非穩態運行工況下輪軌動作用力獲取、輪軌接觸應力分布、輪對疲勞損傷評價等。套用彈塑性力學、車輛剛柔耦合系統動力學、有限元和碰撞理論，建立適宜的輪軌系統動力學模型、輪軌接觸應力分析模型，研究輪對在不同運行狀態及外界激擾下的輪軌動作用力和應力分布，並評價這些模型和研究的正確性和適應範圍，套用疲勞損傷預測模型研究車輪踏面疲勞損傷。通過項目研究，重點解決了以下四方面的關鍵科學問題並取得研究相應研究成果。 （1）在MapleSim環境下，建立了考慮高速輪對旋轉過程中彎曲變形引起耦合慣性力影響的單柔性輪對—鋼軌動力學模型和基於該模型的高速車輛系統動力學模型，重點研究了高速輪對旋轉過程彈性變形引起的耦合慣性力對輪軌之間動態作用力的影響。分析表明：相比於低速和剛性輪對而言，高速輪對旋轉運動和輪對彈性振動對輪軌間垂向和橫向動作用力影響明顯；輪軌作用力主要受到不同波長的短波不平順所產生的激擾頻率和輪對旋轉頻率兩者共同的影響。 （2）建立了分析輪軌滾動接觸應力的柔性腳踏車輪-軌道和柔性輪對-軌道的“虛擬碰撞”模型，研究了不同輪軌縱向蠕滑率、輪軌高頻載荷、不同軸重等對輪軌動態接觸應力的影響。模擬分析了列車在起動加速時輪軌接觸斑內的接觸力和在最大載荷下的接觸應力分布情況。研究表明：車輪內部的應力狀態在接觸區踏面表面內4～5mm處出現Von-Mises應力和剪下應力峰值，接觸疲勞產生及破壞將踏面的亞表層開始。（3）針對輪軌磨耗後出現的輪軌協調（共形）接觸問題，提出了採用輪軌半赫茲接觸理論來研究輪軌協調（共形）接觸應力分布問題，編制了相應計算程式，實現對該工況下輪軌接觸法向應力和切向應力的分布計算，解決傳統赫茲理論和非赫茲理論在輪軌接觸應力分析方面存在的不足。（4）根據輪軌RCF問題的特點，一方面採用經典的Miner線性累計損傷理論，通過對平均應力的Goodman曲線修正方法來分析車輪疲勞損傷。另一方面基於德國FKM標準對車輪疲勞壽命進行評價和工程套用研究。 針對某型電力機車出現在低運用里程下的輪對踏面剝離現象套用本項目研究的“虛擬碰撞”模型及分析方法，開展不同運用條件和組合工況下車輪滾動接觸應力和疲勞的套用研究。 此外，利用國際先進的輪對疲勞試驗台，在車軸疲勞、車軸與車輪在壓裝區內疲勞問題等方面開展國際合作研究。
