高速鋼軌疲勞裂紋形成機(jī)理研究基本信息

建立理論模型分析高速鋼軌疲勞裂紋的形成機(jī)制。利用高速列車(chē)/軌道系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)模型，分析不同機(jī)車(chē)車(chē)輛高速通過(guò)曲線時(shí)，輪軌作用點(diǎn)位置；利用輪軌三維非Hertz滾動(dòng)接觸理論確定輪軌接觸斑作用力的分布，包括切向力和方向、粘滑區(qū)的大小和分布；建立彈塑性有限元計(jì)算模型，分析塑性應(yīng)變的累積規(guī)律，考慮棘輪效應(yīng)導(dǎo)致微裂紋；對(duì)表面裂紋形成與發(fā)展過(guò)程中考慮磨損率的影響作用，研究鋼軌接觸疲勞裂紋的形成機(jī)制。利用大型輪軌模擬試驗(yàn)臺(tái)再現(xiàn)鋼軌接觸疲勞裂紋形成現(xiàn)象，了解接觸疲勞裂紋的形成規(guī)律與影響因素，驗(yàn)證理論分析結(jié)果。建立滾動(dòng)磨損率與疲勞裂紋形成耦合關(guān)系曲線圖。研究滾滑比、循環(huán)次數(shù)、軸重、曲線半徑等參數(shù)對(duì)模擬鋼軌表面微裂紋形成的影響作用。模擬高速鐵路的應(yīng)用工況，試驗(yàn)研究鋼軌材料抗接觸疲勞損傷的性能，研究高速鐵路鋼軌材料的選材原則。提出抑制和避免嚴(yán)重滾動(dòng)接觸疲勞裂紋形成的有效措施。

鋼軌波磨是目前我國(guó)高速客運(yùn)專線線路鋼軌的主要病害，直接關(guān)系到高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。鋼軌打磨技術(shù)作為線路軌道養(yǎng)護(hù)維修的重要手段，其在高速鋼軌的打磨理論及應(yīng)用研究是當(dāng)前亟需解決的課題。 項(xiàng)目針對(duì)我國(guó)高速鐵路鋼軌波磨這一主要病害和世界性難題，系統(tǒng)開(kāi)展了高速鋼軌打磨技術(shù)理論及應(yīng)用研究。主要研究?jī)?nèi)容如下：（1）跟蹤測(cè)試了高速鋼軌波磨和車(chē)輪多邊形磨耗的發(fā)展規(guī)律與形成機(jī)理；（2）分析了GMC-96B鋼軌打磨列車(chē)的振動(dòng)特性，開(kāi)展了鋼軌打磨列車(chē)動(dòng)力學(xué)行為研究；（3）研究了高速鐵路鋼軌打磨型面設(shè)計(jì)及打磨模式，設(shè)計(jì)了波磨地段鋼軌打磨廓形設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建了高速鐵路鋼軌打磨工藝參數(shù)及打磨模板；（4）研究了高速鋼軌打磨過(guò)程中的界面行為，闡明了鋼軌高速打磨機(jī)理及參數(shù)優(yōu)化；（5）開(kāi)展了高速線路鋼軌打磨技術(shù)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了打磨對(duì)列車(chē)振動(dòng)與噪聲控制的有效性，為制定高速鐵路鋼軌打磨技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供了重要的技術(shù)支撐。 項(xiàng)目研究建立了高速鋼軌打磨列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了波磨地段高速鋼軌打磨廓形，優(yōu)化了高速鐵路鋼軌打磨工藝參數(shù)及打磨模式，闡明了鋼軌高速打磨機(jī)理，揭示了鋼軌打磨廓形的輪軌關(guān)系容差性能，構(gòu)建并完善了我國(guó)高速鐵路鋼軌打磨技術(shù)理論體系。研究成果在滬蓉高鐵渝利段、貴廣客專、成綿樂(lè)客專、蘭渝客專、成灌快鐵等高速線路上開(kāi)展了鋼軌打磨試驗(yàn)及應(yīng)用。研究成果為延長(zhǎng)高速鐵路鋼軌使用壽命及保障高速列車(chē)運(yùn)行安全提供了重要的理論保障和維護(hù)技術(shù)。 項(xiàng)目發(fā)表（含接收）論文28篇，其中SCI論文11篇、EI論文7篇；申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng)（授權(quán)1項(xiàng)）、授權(quán)實(shí)用新型專利1項(xiàng)，登記軟件著作權(quán)1項(xiàng)；培養(yǎng)博士生2名、碩士生8名（優(yōu)秀碩士論文2人），參加國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議3人次、國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議4人次；論文獲第七屆四川省博士專家論壇三等獎(jiǎng)和四川省機(jī)械工程學(xué)會(huì)第二屆學(xué)術(shù)年會(huì)優(yōu)秀論文二等獎(jiǎng)。項(xiàng)目第一主研王文健榮獲第十三屆四川省青年科技獎(jiǎng)并入選四川省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人選。 2100433B

有記載的最早進(jìn)行疲勞試驗(yàn)是德國(guó)的W.A.艾伯特。法國(guó)的J.-V.彭賽列首先論述了疲勞問(wèn)題并提出“疲勞”這一術(shù)語(yǔ)。但疲勞研究的奠基人則是德國(guó)的A.沃勒，他在19世紀(jì)50～60年代最早得到表征疲勞性能的S-N曲線并提出疲勞極限的概念。20世紀(jì)50年代P.J.E.福賽思首先觀察到疲勞過(guò)程中在滑移帶內(nèi)有金屬薄片擠出的現(xiàn)象。隨后N.湯普孫等人發(fā)現(xiàn)這種滑移帶不易用電解拋光去掉，稱為“駐留滑移帶”。后來(lái)證明，駐留滑移帶常常成為裂紋源。1924年德國(guó)的J.V.帕姆格倫在估算滾動(dòng)軸承壽命時(shí)，假設(shè)軸承的累積損傷與其轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)成線性關(guān)系。1945年美國(guó)M.A.邁因納明確提出了疲勞破壞的線性損傷累積理論，也稱為帕姆格倫-邁因納定律，簡(jiǎn)稱邁因納定律。此后，斷裂力學(xué)的進(jìn)展豐富了傳統(tǒng)疲勞理論的內(nèi)容，促進(jìn)了疲勞理論的發(fā)展。當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)是把微觀理論和宏觀理論結(jié)合起來(lái)從本質(zhì)上探究疲勞破壞的機(jī)理。用概率統(tǒng)計(jì)方法處理疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是20世紀(jì)20年代開(kāi)始的。60年代后期，概率疲勞分析和設(shè)計(jì)從電子產(chǎn)品發(fā)展到機(jī)械產(chǎn)品，于是在航空、航天工業(yè)的先導(dǎo)下，開(kāi)始了概率統(tǒng)計(jì)理論在疲勞設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

鋼軌波磨是目前我國(guó)高速客運(yùn)專線線路鋼軌的主要病害，直接關(guān)系到高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。鋼軌打磨技術(shù)是線路養(yǎng)護(hù)維修的重要手段，其在高速線路上的理論及其應(yīng)用研究是當(dāng)前亟需解決的課題。本項(xiàng)目擬在現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試我國(guó)高速輪軌表面狀態(tài)的基礎(chǔ)上，建立高速車(chē)輛軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和高速線路鋼軌打磨列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，研究高速輪軌磨耗與高速列車(chē)-軌道動(dòng)力學(xué)性能之間的關(guān)系，提出適合我國(guó)高速線路的鋼軌打磨策略，包括打磨型面、打磨限值、打磨周期、打磨速度等，并得到實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的驗(yàn)證，從而構(gòu)建高速鋼軌打磨技術(shù)理論，為制定我國(guó)高速鋼軌打磨技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)。本項(xiàng)目研究對(duì)確保我國(guó)高速鐵路長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全和效益具有重大的理論與實(shí)際意義。