轮轨磨耗问题及减缓措施的研究

论文摘要

随着我国铁路高速和重载的发展,轮轨磨耗问题日趋严重,每年都给铁路运输业造成巨大的经济损失,其解决与否直接影响到铁路的快速发展。本文将有限元参数二次规划法引入到轮轨磨耗问题的研究之中,按照轮轨实际几何关系建立真正的三维模型,完全避免了传统的解析或半解析法中的Hertz假设和弹性半空间假设,可以对轮轨这一弹塑性接触问题进行精确的计算分析。本文建立了锥形踏面、磨耗形踏面的机车和车辆车轮分别与标准轨道相接触的三维有限元计算模型,模型还考虑了轨枕和部分道床的弹性作用。在大量弹性接触计算的基础上,又进行了大量弹塑性接触计算,得到了大量的轮轨接触力、接触状态及轮轨应力的数据。通过对计算结果的详细分析,得出了一系列机车车辆结构和运用参数对轮轨接触性能影响的规律。本文根据轮轨系统各种载荷、几何尺寸、轮轨相对位置等参数分别建立有限元计算模型,进行弹塑性接触计算,并根据计算结果全面分析接触力和轮轨应力的变化规律,重点分析轮轨磨耗的机理。分析在轮轨磨耗过程中,轮轨载荷、相对位置等各参数在磨耗过程中的作用与权重。同时还建立了轮缘润滑、磨耗形踏面和耐磨梯度材料的计算模型,分析这几种减缓轮轨磨耗方法的减磨机理。本文的研究方法和结果将对于减缓轮轨磨耗有重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 轮轨关系研究概述
• 1.1 世界铁路发展历史和未来
• 1.2 轮轨磨耗问题的研究进展
• 1.3.1 磨耗形踏面的研究概况
• 1.3.2 轮轨润滑的研究概况
• 1.3.3 耐磨梯度材料的发展和应用
• 第二章 计算理论与算法
• 2.1 轮轨接触理论的研究进展
• 2.2 参变量变分原理
• 2.3 空间弹塑性接触问题参数二次规划法
• 2.3.1 弹塑性接触问题本构模型
• 2.3.2 弹塑性接触问题接触系统状态方程
• 2.3.3 塑性力学增量理论（本构方程）
• 2.3.4 弹塑性接触问题参变量最小势能原理
• 2.3.5 弹塑性接触问题参数二次规划解
• 2.4 多重子结构分析技术
• 2.4.1 弹性问题多重子结构分析方法
• 2.4.2 非线性分析多重子结构法
• 本章小结
• 第三章 轮轨接触的有限元分析
• 3.1 轮轨单点接触的计算模型
• 3.1.1 计算模型的确定
• 3.1.2 计算模型的离散化
• 3.1.3 计算模型的载荷及边界条件
• 3.2 轮轨单点接触的计算分析
• 3.2.1 接触斑法向力的分布
• 3.2.2 牵引力矩对轮轨接触的影响
• 3.2.3 弹塑性模型计算结果分析
• 3.2.4 摩擦系数对轮轨接触的影响
• 3.2.5 轴重对轮轨接触的影响
• 3.3 Kalker 三维弹性体非 Hertz 滚动接触理论的计算结果
• 3.4 轮轨两点接触的计算分析
• 3.4.1 钢轨侧磨与车轮轮缘磨耗
• 3.4.2 两点接触计算模型的建立
• 3.4.3 牵引力矩对轮轨两点接触的影响
• 3.4.4 横向力对轮轨两点接触的影响
• 3.4.5 横向力和牵引力矩共同作用对轮轨两点接触的影响
• 本章小结
• 第四章 磨耗形踏面的应用及有限元分析
• 4.1 磨耗形踏面轮轨系统的计算模型
• 4.2 不同踏面轮轨接触状态的比较
• 4.3 不同踏面轮轨接触力的比较
• 4.4 轴重对磨耗形踏面轮轨接触的影响
• 4.5 摩擦系数对磨耗形踏面轮轨接触的影响
• 本章小结
• 第五章 轮缘润滑的应用及有限元分析
• 5.1 轮轨润滑技术的发展和现状
• 5.2 减小轮缘接触斑摩擦系数对轮轨接触的影响
• 5.3 不同摩擦系数对轮轨接触的影响
• 本章小结
• 第六章 耐磨梯度材料的应用及有限元分析
• 6.1 功能梯度材料的研究概况
• 6.2 计算模型的建立
• 6.3 计算结果分析
• 6.3.1 轴重作用下两种材料的比较
• 6.3.2 轴重与牵引力共同作用下两种材料的比较
• 6.3.3 四种模型的应力比较
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢