【博士】現(xiàn)代運輸條件下鋼軌滾動接觸疲勞傷損研究【2009】

內(nèi)容簡介

　　學科專業(yè)：道路與鐵道工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：同濟大學交通運輸工程學院　　學位年度： 2009年　　現(xiàn)代鐵路運輸發(fā)展方向是客運高速化和貨運重載化。隨著客運列車運行速度提高和貨運列車軸重增加，鋼軌受力狀態(tài)更加復(fù)雜，產(chǎn)生了各種傷損。滾動接觸疲勞是其中一種重要的傷損形式。滾動接觸疲勞傷損不僅增加鐵路的運營成本，而且導(dǎo)致軌面不平順，影響列車運行品質(zhì)，同時引起惡性循環(huán)使輪軌間沖擊力增大，進一步加快鋼軌傷損的發(fā)展，甚至造成鋼軌斷裂，直接危及行車安全。因此，鋼軌滾動接觸疲勞機理及防治措施研究對減緩鋼軌傷損，提高列車運行品質(zhì)，增加鐵路運輸經(jīng)濟效益和保證行車安全都有重要意義。　　滾動接觸疲勞傷損主要表現(xiàn)形式是疲勞裂紋。本文以疲勞裂紋為研究對象，以彈塑性力學、損傷力學、概率論、斷裂力學為基礎(chǔ)，建立了隨機荷載作用下疲勞裂紋萌生壽命概率預(yù)測模型和疲勞裂紋擴展分析模型；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合疲勞裂紋和磨耗相互關(guān)系與壽命周期成本分析原理，提出了鋼軌打磨參數(shù)確定方法。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點為：　　(1)建立考慮靜水壓力影響的疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測模型。根據(jù)彈塑性力學的應(yīng)變能原理，分析了靜水壓力對疲勞裂紋萌生的影響，提出了靜水壓力對疲勞裂紋萌生壽命影響的修正公式?！　?2)提出材質(zhì)參數(shù)對疲勞裂紋萌生壽命敏感度分析方法。以疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測方法為系統(tǒng)數(shù)學模型，采用單參數(shù)敏感性分析方法，分析了鋼軌材質(zhì)參數(shù)(彈性模量、泊松比、屈服強度和抗拉強度)對疲勞裂紋萌生壽命的影響，計算了各參數(shù)的敏感度因子?！　?3)鋼軌材質(zhì)疲勞性能隨機性研究。根據(jù)材質(zhì)敏感性分析結(jié)果確定影響疲勞裂紋萌生壽命的主要材質(zhì)參數(shù)，以這些材質(zhì)參數(shù)為變量，利用四點關(guān)聯(lián)法和蒙特卡洛模擬方法，分析了鋼軌疲勞參數(shù)分散性；根據(jù)統(tǒng)計學原理，確定了疲勞參數(shù)分布類型?！　?4)提出隨機輪軌力作用下疲勞裂紋萌生壽命概率預(yù)測模型。以重載鐵路現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為樣本，利用參數(shù)假設(shè)檢驗方法，確定輪軌力幅值和頻率特征，進而根據(jù)輪軌力分布特征編制荷載譜。根據(jù)荷載譜作用下鋼軌損傷和疲勞參數(shù)分布類型，利用累積損傷理論，建立隨機荷載作用下疲勞裂紋萌生壽命概率預(yù)測模型?！　?5)提出彈塑性狀態(tài)下疲勞裂紋擴展分析方法。根據(jù)試驗觀察的裂紋尖端特征，建立鈍形疲勞裂紋模型；以裂紋尖端滑動位移為斷裂參量，依據(jù)有限元原理建立節(jié)點位移與斷裂參量關(guān)系，分析彈塑性情況下疲勞裂紋擴展特性?！　?6)提出確定鋼軌打磨參數(shù)方法。根據(jù)裂紋長度與深度幾何關(guān)系、裂紋長度與通過總重關(guān)系和裂紋擴展速率與裂紋長度關(guān)系圖，確定了裂紋深度擴展速率與通過總重關(guān)系圖。利用裂紋深度擴展速率與通過總重關(guān)系圖和磨耗速率與通過總重關(guān)系圖，分析裂紋擴展與磨耗的相互關(guān)系。通過對裂紋擴展與磨耗相互關(guān)系分析，引入了最佳磨耗速率概念。根據(jù)最佳磨耗速率概念，提出了鋼軌技術(shù)性打磨周期的確定方法。隨著打磨技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，鋼軌打磨已經(jīng)成為養(yǎng)護維修的中的日常作業(yè)項目。因此，從壽命周期成本角度，提出鋼軌經(jīng)濟性打磨周期確定方法?！　?

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