钢轨短波长波浪形磨损定性分析

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1、第24卷第1期摩擦学学报Vol24,No12004年1月TRIBOLOGYJan,2004钢轨短波长波浪形磨损的安定性分析王步康,董光能,刘永红,谢友柏(西安交通大学机械工程学院,陕西西安710049)摘要:针对轮-轨滚动接触的短波长波浪形磨损现象,采用有限元法分析了三维实体模型的接触状态,通过计算分析了高频力作用下接触表面的塑性变形过程.结果表明:在一定的运动条件下,由于重复滚压作用,接触表面发生硬化并达到安定极限状态,生成有规律的短波长变形;钢轨表面塑性变形受枕木间距的影响;就具有随动硬化特性的钢轨材料而言,

2、当摩擦系数
<0.3时,屈服现象发生在材料表层下方;随着摩擦系数的增大,接触表面的切向力增大,安定极限的临界接触压力Po降低,屈服点移向接触表面,材料失效加快.关键词:轮轨接触;波浪形磨损;安定极限;高频力;有限元法中图分类号:TH117.2文献标识码:A文章编号:1004-0595(2004)01-0070-04钢轨波浪形磨损(以下简称波磨)对高速列车的假设材料变形未超过弹性极限,则接触面积和接触压安全行驶产生很大危害,可引发运行噪声和机车振力可以由Hertz理论给出.在一定的载荷条件下,如[1,2]动,并加速

3、钢轨失效.人们业已针对短波长波磨果在第一次施加载荷过程中材料变形超过了弹性极(波长为20～80mm)的成因提出了大量假说,并进限,则发生塑性变形,并产生残余应力.第二次加载[3～7]行广泛的实验研究.在解析法中,Hertz假设立足时,在接触应力和前一次的残余应力综合作用下,塑于弹性半空间并规定接触表面载荷不随位移而改变,性变形将减小.经过若干次的重复滚压,由于塑性变故无法模拟滚压后产生的塑性叠加影响,亦不能分析形的累积效应,残余应力达到某一固定值,即达到完[9]伴随变形的表面接触状态.而采用有限元法可以研究全弹性

4、状态.可以采用Melan定理来描述该现象.弹塑性材料的滚动接触问题,并确定轮-轨系统的振根据Melan定理,假设可以确定某一体系任何与时动和轮-轨接触表面之间的切向力共同作用是引发波间无关的残余应力分布以及由载荷引起的弹性应力,磨的主要因素.我们从弹-塑性接触力学和增量塑性残余应力和弹性应力共同构成在弹性极限以内的应理论出发来分析钢轨的短波长波磨,并采用动力学与力体系,则该体系是安定的.摩擦学耦合的方法分析了钢轨接触表面的安定性,本波磨现象属于接触力学范畴内的变形问题,有关文报道相关研究结果.塑性变形的增量塑性理

5、论给出了一种描述应力和应变增量的数学关系,用于表示塑性范围内的材料行1轮-轨模拟试验为.其3个基本组成部分为屈服准则、流动准则和硬在西南交通大学摩擦研究所轮-轨模拟试验台上化准则.根据屈服准则,允许屈服面在应力空间移动进行轮-轨模拟试验,从而通过分析模拟轮和模拟轨但保持原来的大小和形状,这可以用Bauschinger效道的滚动接触找出引发波磨的原因;相关模拟试验装应来描述.置和测试方法详见文献[8].采用Hertz模拟准则进2.1网格划分行试验,通过分析振动功率谱确定载荷、转速、蠕滑率图1示出了轮-轨接触模型的示

6、意图.选定等对钢轨波磨波长的影响.C62A型号机车专用车轮和T75型钢轨作为研究对象,车轮滚动圆直径为840mm,假设轮缘和钢轨接2有限元模型触、车轮无自旋现象、钢轨跨越4个枕木.枕木排放规就在理想弹塑性半空间上自由滚压的圆柱而言,范为1760根/km,枕木间距为0.568m,底面宽度为基金项目:国家自然科学基金资助重大项目(59990470);国家自然科学基金资助项目(59935100).收稿日期:2003-04-08;修回日期:2003-08-25/联系人谢友柏,e-mail:ybxie@mail.xjtu.

7、edu.cn.作者简介:谢友柏,男,1933年生,教授,博导,中国工程院院士,目前主要从事摩擦学系统与现代设计方法研究.第1期王步康等:钢轨短波长波浪形磨损的安定性分析71Fig2Maximumplasticdeformationonrail图2轨道接触断面最大塑性变形位置Fig1Schematicofwheel-railcontact图1轮-轨接触示意图0.200m.利用ANSYS5.7进行计算,采用8节点立体单元,定义接触单元为四点单元,划分的网格单元数为51868,节点数为73268,接触单元数为2820.

8、(a)Plasticdeformation对塑性变形较大的接触表面网格进行细化处理.2.2边界条件边界条件分为材料属性、几何边界和运动边界.在轮轨材料特性分析中采用双线性随动强化模型,材11料性能参数:弹性模量为2.08×10MPa,泊松比为0.28,屈服极限833MPa,切向模量2×1010MPa,密(b)Surfacedisplacement(30×)3Fig3Sch