钢轨疲劳裂纹形成及扩展寿命预测研究

论文摘要

改革开放以来我国经济高速发展,为适应经济发展的需求,我国铁路运输业也正向高速、重载方向快速发展。京津线、武广线的建成通车更标志着我国高速铁路建设进入一个跨越式的发展阶段。本文研究工作就是在这个大背景下,初步地分析讨论了高速铁路建设中遇到的钢轨疲劳问题。本研究工作首先分析了钢轨复杂的应力强度,再应用疲劳理论、断裂理论建立了预测钢轨疲劳裂纹形成与扩展寿命的预测模型,最后结合钢轨受力分析及预测模型预测了钢轨疲劳裂纹形成与扩展寿命,详细分析了相关参数对二者的影响。研究结果为合理维修钢轨、制定钢轨检修周期提供了理论依据。根据计算和分析,得出如下结论：1、以连续弹性基础梁模型为基础计算特定线路钢轨动弯曲应力,由计算结果可以发现：钢轨基础弹性系数一定时,钢轨动弯曲应力循环水平随速度系数增大而变大；相反,速度系数一定时,钢轨动弯曲应力循环水平钢轨基础弹性系数增大而减小。2、以CRH2型动车组和60kg/m钢轨为研究对象,基于Carter二维滚动接触理论计算钢轨轨头应力场,计算结果表明：摩擦系数μ≤0.3时,z轴上相对最大切应力值随深度增加先增大后减小为零,在踏面以下z/a=0.6附近取得最大值；摩擦系数μ>0.3时,相对最大切应力值在踏面处取得最大值,离开踏面往下,随深度增加相对最大切应力值逐渐减小,最后趋于零。3、钢轨疲劳裂纹形成寿命预测结果表明：提高钢轨强度极限可以延长钢轨疲劳裂纹形成寿命,但效果并不明显；在温度应力为压应力时,应力水平越高,钢轨疲劳裂纹形成寿命越长,在温度应力为拉应力时则相反；列车速度系数逐渐增加的过程中,钢轨疲劳裂纹形成寿命呈逐渐下降的趋势,并且与列车速度系数呈近似线性反比关系；随着钢轨基础弹性系数逐渐增加,钢轨疲劳裂纹形成寿命几乎呈线性增加的趋势。4、应用断裂力学理论对钢轨踏面斜裂纹扩展寿命进行预测计算,结果表明：裂纹扩展寿命随摩擦系数的增大而降低；随裂纹倾斜角的增加,裂纹扩展寿命呈现先增加后减小的趋势；裂纹扩展寿命随磨损率先缓慢增加,当磨损率达到一定值后,裂纹扩展寿命急剧增加。5、应用断裂力学理论对钢轨核伤扩展寿命进行预测计算,结果表明：相同营运条件下,U71Mn钢轨核伤扩展寿命比PD3钢轨长；钢轨核伤扩展寿命随列车速度系数的增加而减小,随钢轨基础弹性系数的增加而延长。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及工程意义
• 1.2 轮轨接触疲劳研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 钢轨疲劳寿命研究现状
• 1.4 论文主要研究内容及意义
• 第二章 钢轨应力强度分析
• 2.1 钢轨（动）弯曲应力
• 2.1.1 钢轨（动）弯曲应力计算模型
• 2.1.2 钢轨（动）弯曲应力计算结果
• 2.2 钢轨温度应力
• 2.3 钢轨残余应力
• 2.4 轮轨滚动接触应力
• 2.4.1 轮轨接触计算概述
• 2.4.2 基于Carter的二维滚动接触计算
• 2.4.3 轮轨滚动接触计算结果
• 2.5 小结
• 第三章 钢轨疲劳寿命分析
• 3.1 疲劳和疲劳寿命
• 3.1.1 疲劳的定义及特点
• 3.1.2 疲劳的分类
• 3.1.3 疲劳寿命的基本概念
• 3.1.4 疲劳分析的基本步骤
• 3.2 金属材料的疲劳S-N曲线
• 3.3 疲劳累积伤损
• 3.3.1 伤损的定义
• 3.3.2 累积伤损理论
• 3.4 钢轨疲劳寿命预测模型
• 3.4.1 钢轨材料的S-N曲线
• 3.4.2 预测模型
• 3.5 疲劳寿命预测分析
• 3.5.1 疲劳寿命预测结果
• 3.5.2 温度应力对疲劳寿命的影响
• 3.5.3 速度系数对疲劳寿命的影响
• 3.5.4 轨下基础对疲劳寿命的影响
• 3.6 小结
• 第四章 钢轨剩余疲劳寿命分析
• 4.1 疲劳裂纹扩展理论
• 4.1.1 疲劳裂纹扩展概念
• 4.1.2 疲劳裂纹扩展规律
• 4.2 钢轨剩余疲劳寿命预测模型
• 4.2.1 疲劳裂纹扩展寿命预测概述
• 4.2.2 钢轨表面斜裂纹扩展寿命预测
• 4.2.3 钢轨核伤扩展寿命预测
• 4.3 疲劳裂纹扩展寿命预测分析
• 4.3.1 钢轨表面斜裂纹扩展寿命
• 4.3.2 钢轨核伤扩展寿命
• 4.4 小结
• 结论与展望
• 1. 结论
• 2. 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目