高速列車輪軌滾動接觸損傷的多因素競爭機理研究

《高速列車輪軌滾動接觸損傷的多因素競爭機理研究》是依託西南交通大學，由江曉禹擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高速列車輪軌滾動接觸損傷的多因素競爭機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：江曉禹
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

輪軌高速滾動接觸問題是我國輪軌高速中的重要力學問題，輪軌間的高速滾動接觸作用力分布形式對輪軌的接觸疲勞與磨耗具有決定性的作用。本研究將發展行之有效的輪軌高速滾動接觸理論，建立接觸作用力分布理論公式；研究高速列車各種運行狀態下的滾動接觸過程；構建高速輪軌接觸疲勞與磨損等輪軌病害形成機理的多尺度斷裂力學理論模型，研究高速輪軌滾動接觸磨耗與接觸疲勞等損傷的多因素競爭機理，獲取巨觀裂紋擴展及磨耗的累計量；探索輪軌表面磨損過程中的接觸疲勞、磨耗、龜裂等損傷與高速滾動接觸作用力分布之間的關係；並通過對高鐵典型路段的監測，獲取軌道磨損、微裂紋萌生及擴展等監測數據；將監測數據與力學理論結果進行獨立的對比論證，確保結果的可靠性。根據巨觀的輪軌損傷累計量，建立高效的輪軌接觸病害評估指標，為輪軌接觸病害的評估方法奠定理論依據；制定合理的軌道打磨周期，確保高鐵運營的安全性和經濟性，為高鐵輪軌的改進提供合理化建議。

結題摘要

輪軌高速滾動接觸問題是我國高速鐵路中的重要力學問題，本研究主要對具有平整接觸表面的輪軌高速滾動接觸力學理論、接觸作用力造成的鋼軌表面磨耗和疲勞的細微觀力學機理進行研究。具體研究工作及成果如下： （ 1）考慮應變率、慣性力、塑性應變累積等，發展了高速輪軌接觸理論，實現了輪軌三維高速滾動接觸過程的模擬，獲得了不同速度下輪軌接觸作用力的分布；（2）基於細微觀的斷裂力學模型，在高速滾動接觸作用力作用下，研究了鋼軌表面的龜裂、疲勞裂紋擴展與分叉等巨觀損傷與高速滾動接觸作用力分布等參數之間的定量關係。同時基於剪下塑性應變累積判據，研究了鋼軌表面的磨耗，並對鋼軌表面接觸疲勞裂紋的擴展與磨耗之間的競爭關係進行了定量描述； （3）進行了高鐵鐵路典型段的監測和室內試驗，通過選取的典型高鐵線路段，進行一個打磨周期內的細緻監測，探測軌道的表面磨耗、表面剝離、裂紋的萌生及擴展進行跟蹤監測，獲取高鐵的第一手監測數據。同時對鋼軌材料的室內疲勞試驗研究，並通過電鏡實驗研究了疲勞裂紋的形成及其擴展特徵。（4）通過最佳化對比，分析研究了不同的鋼軌頂面半徑、形狀等情況下，鋼軌表面的損傷情況、輪軌磨耗與疲勞累計量等，對具有良好的抗磨耗與耐接觸疲勞的輪軌踏面形狀進行了探索。結果表明，列車車輪的輪重和滾動速度對接觸疲勞與磨耗具有最直接的作用，輪重越大，接觸疲勞越嚴重；速度越大，磨耗與疲勞都會出現快速增加。最有效的方式是減少輪重，或增大接觸面積以減少接觸作用力峰值；研究成果為高鐵輪軌的改進提供合理化建議，助推高鐵發展。在本項目資助下的研究成果，在重要國內外期刊如Engineering Fracture Mechanics、Theoretical and Applied Fracture Mechanics等,已出版的科技期刊論文總計21篇（均已註明本項目資助），其中SCI收錄的英文期刊論文10篇，EI收錄的中文期刊論文3篇，其它中文核心期刊論文6篇，研究成果具有重要的科學意義和學術影響，達到了預期研究目標和指標。