重载铁路辙叉的疲劳寿命预测及结构优化研究

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1、分类号：U213.6+2；TG142密级：UDC：620编号：201431804008河北工业大学硕士学位论文重载铁路辙叉的疲劳寿命预测及结构优化研究论文作者：任静霄学生类别：全日制专业学位类别：工程硕士领域名称：材料工程指导教师：殷福星职称：教授资助基金项目：国家自然科学基金项目（No.51505122）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMaterialsEngineeringFATIGUELIFEPREDICTIONANDSTRUCT

2、UREOPTIMIZATIONOFHEAVY-HAULFROGbyRenJingxiaoSupervisor:Prof.YinFuxingMay2017ThisworkissupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina.No.51505122.摘要我国重载铁路是基于普通铁路发展的，重载列车对道岔结构的损伤严重，暨有道岔并不能满足我国现有的及在建的重载铁路线。重载辙叉作为铁道车辆在轨道的重要转折区域，其失效问题显著。本论文不仅从力学角度对重载辙叉不同截面处进行有限元模拟仿真与结构优化，

3、而且探究了在不同翼轨型号、道岔型号以及材料强度等条件下重载辙叉疲劳性能的优化效果。结合试验研究与有限元模拟，采用全寿命分析、应变疲劳分析、裂纹扩展寿命分析三种方法分析重载辙叉的疲劳性能，并对辙叉进行结构优化，提高其疲劳寿命。低碳合金贝氏体钢，经过热处理工艺“870℃缓冷+300℃回火”，可以获得贝氏体的粒状均匀组织；试验材料的疲劳断裂机制为表面裂纹萌生，断口呈现韧窝、疲劳条带等特征，为典型的韧性断裂。标准75kg/m-12号重载辙叉，只在心轨顶面宽10mm与20mm处为“两点接触”，其余位置只有心轨与车轮之间的“一点接触”，其最大接触应力在2

4、0mm截面处最高、50mm截面处最低。在疲劳分析中的疲劳寿命分布，与静力分析中同一截面的应力分布结果具有同一性，最大应力点与最小寿命点均位于接触斑附近，且所有截面的应变疲劳寿命均高于应力疲劳寿命；在裂纹扩展寿命分析中，心轨顶面宽10mm截面处寿命最低，55mm截面处寿命最高。对翼轨采取切掉工作边5mm并向心轨侧内移5mm，结合翼轨顶面抬高的优化方案，使得10mm、20mm、30mm、40mm截面处的接触关系均为“两点接触”，有效降低了心轨顶面宽20mm与40mm处的最大应力，并且40mm处的最大应力低于其屈服强度；优化方案在降低重载辙叉最大接

5、触应力、延长重载辙叉疲劳寿命方面，适用于75kg/m翼轨且与其道岔型号无关，但对60kg/m翼轨不适用，且对不同材料都有优化作用；若材料的屈强比适当降低，则其塑韧性提高，使辙叉在不同截面处的最大应力值、最小寿命值均趋于集中，反之则趋于分散。改变C含量及微量元素的配比，以适当降低屈强比，可以提高贝氏体钢的疲劳性能。关键词：重载铁路辙叉疲劳寿命有限元优化IABSTRACTHeavy-haulrailwayinourcountrywasbasedonthedevelopmentofordinaryrailway,onwhichthetraincau

6、sedseriouslydamagetoturnoutstructure.Nowswitchescannotmeetrequirementsofexistingorunderconstructionheavy-haulrailwaylinesinChina.Asthesignificantturningareaofrailvehicles,failureproblemsofheavyfrogwerenotable.Inthisthesis,itwasnotonlystudiedtheheavy-haulfrogatdifferentsecti

7、onbyfiniteelementsimulationandstructureoptimization,butalsotheoptimizationeffectsofheavy-haulfrogfatigueperformancebydifferenttypesofwingrailorswitch,anddifferentmaterialstrength.Thefatigueperformanceofheavy-haulfrogwasanalyzedbythreemethodsoffatiguelifeanalysis,strainfatig

8、ueanalysisandcrackpropagationlifeanalysis,combinedexperimentalresearcheswithfinite