（载运工具运用工程专业论文）钢轨焊接接头伤损分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 当今世界铁路，以无缝线路代替鱼尾板钢轨接头来连接轨道上相邻两根 钢轨是一种首选的方法。无缝线路的应用在很大程度上降低轮轨冲击载荷和 提高钢轨的使用寿命，但随着铁路运行速度的提高和轴重的加大，钢轨焊接 接头伤损问题变得越来越严重，从而导致较高的铁路运营成本，直接影响铁 路运输安全。因此，开展钢轨焊接接头伤损研究具有很强的理论意义和工程 应用背景。本文以车辆一轨道耦合动力学理论、轮轨滚动接触理论、弹塑性力 学和有限元方法为基础，应用数值仿真方法对不同形式的焊接接头伤损问题 进行研究。 ( 1 ) 为了能全面反映高速铁路钢轨焊接接头处轮轨作用力学行为，建立 了较为完善的车辆一轨道耦合动力学模型。模型中，采用t i m o s h e n k o 梁模型 模拟钢轨；考虑了轨枕的离散支撑作用对车辆轨道耦合动态行为的影响。另 外，采用赫兹非线性弹性接触理论确定轮轨法向力时用到的轮轨接触常数由 轮轨表面瞬态接触条件决定；采用沈氏理论计算轮轨蠕滑力，其中基于轮轨 接触面法向速度差为零原则推导轮轨蠕滑率。焊接接头不平顺以余弦函数形 式加入到轮轨接触几何算法。利用该模型分析了复合不平顺和单波不平顺引 起的轮轨冲击载荷；长短波长焊接接头所引起的轮轨法向冲击载荷、钢轨 轨枕支承反力、车轮和轨道各部件的加速度；行车速度、轴重、波长、波深 及焊接接头所在位置对轮轨法向冲击载荷的影响。结果表明，焊接接头短波 波长不平顺容易激起轮轨系统的高频振动和导致车轮和轨道系统的冲击破 坏。因此在焊接接头的现场施工和检修过程中，应尽可能的避免出现短波不 平顺的现象。此外以焊接接头不平顺的波深与波长之比来控制焊接接头不平 顺更为合理，并制定了焊接接头不平顺的控制数表。 ( 2 ) 建立了基于车辆轨道耦合动力学和三维弹塑性有限元模型的钢轨 焊接接头应力分析模型。模型中考虑了钢轨母材和焊接接头材料及热影响区 域具有不同的材料属性。首先由车辆一轨道耦合动力学仿真程序计算轮轨接 触力、接触斑大小及位置。然后通过f a s t s i m 计算接触斑内切向力分布， 最后输入到三维弹塑性有限元模型。应用该模型分析了不同工况下直线、曲 线焊接接头区域附近的接触应力、弹塑性变形以及残余应力分布。结果表明， 钢轨焊接接头不平顺将引起较大轮轨冲击载荷，导致较大的钢轨局部塑性变 西南交通大学硕士研究生学位论文第h 页 形。在铁路现场应尽量保证钢轨焊接接头材料和钢轨母材的材料一致，消除 钢轨接头和母材间材料变形的非连续性而引起接头处高的轮轨冲击载荷。 关键词：钢轨焊接接头；钢轨伤损；不平顺；车辆轨道耦合动力学；有限元 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 n 页 a b s t r a c t c o n t i n u o u s l y - w e l d e dr a i l ( c w r ) h a sr e p l a c e db o l t e dr a i lj o i n t sa s t h e p r e f e r r e dm e t h o do f j o i n i n gr a i l si nt r a c ka l lo v e rt h ew o r l d t h ec w re f f i c i e n t l y r e d u c e st h el e v e lo fi m p a c tf o r c e sb e t w e e nw h e e la n dr a i la tr a i lj o i n t sa n d e x t e n d st h es e r v i c el i f eo ft h ew h e e la n dr a i lw i t hr e s p e c tt ob o l t e dr a i l h o w e v e r w i t ht h ei n c r e m e n to ft r a i ns p e e da n da x l el o a d t h ep h e n o m e n o no fr a i lw e l d d e f e c t ( r w d ) s h o w sat e n d e n c yt ob es e v e r e t h er w dl e a d st ot h eh i g h e r o p e r a t i n gc o s t s a n dr e p r e s e n t so n eo ft h em a i nr i s k sf o rs a f e t yo fr a i l w a y o p e r a t i o n t h e r e f o r e ，f r o mt h ep r a c t i c a la n dc o g n i t i v ep o i n t so fv i e w ，s t u d i e so n r w da r ev e r yi m p o r t a n t i nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h ev e h i c l e t r a c kc o u p l i n g d y n a m i c st h e o r y ，w h e e l - r a i lr o l l i n gc o n t a c tt h e o r y ，e l a s t i c p l a s t i cm e c h a n i c sa n d f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h ed e f e c t so fr a i lw e l dw i t hd i f f e r e n tt y p ea r ei n v e s t i g a t e d t h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ( 1 ) i no r d e rt ob e t t e rc h a r a c t e r i z et h ew h e e l r a i li n t e r a c t i o na th i g hs p e e dr a i l w e l d ，av e h i c l e t r a c kc o u p l i n gd y n a m i c sm o d e li sd e v e l o p e d i nt h em o d e l ，a t i m o s h e n k ob e a mi su s e dt om o d e lt h er a i l sw h i c ha r ed i s c r e t e l ys u p p o r t e db y s l e e p e r s t h es l e e p e r sa r ea s s u m e dt om o v eb a c k w a r da t ac o n s t a n ts p e e dt o s i m u l a t et h ev e h i c l er u n n i n ga l o n gt h et r a c ka tt h es a m es p e e d ，a n dt h e r e f o r es u c h at r a c km o d e lc a nc o n s i d e rt h ee f f e c to ft h ed i s c r e t es u p p o r tb ys l e e p e r so nt h e c o u p l i n gd y n a m i cb e h a v i o u ro ft h ev e h i c l ea n dt r a c ki nt h es i m u l a t i o n t h e n o r m a lc o n t a c tf o r c e sb e t w e e nw h e e l sa n dr a i l sa r ed e c i d e d b yn o n l i n e a rh e r t z i a n e l a s t i cc o n t a c tt h e o r y t h ec o e f f i c i e n to ft h en o r m a lc o n t a c ts t i f f n e s si sd e c i d e d b yt h ei n s t a n tc o n t a c tc o n d i t i o no ft h ew h e e la n dr a i ls u r f a c e s t h et a n g e n t i a l w h e e l - r a i lc o n t a c tf o r c e sa r ec a l c u l a t e db ys h e n - h e d r i c k - e l k i n s m o d e l t h e w h e e l r a i lc r e e p a g e sa r ed e d u c e do nt h eb a s i so ft h en o r m a lv e l o c i t yd i f f e r e n c eo f t h ec o n t a c tp l a n e so ft h ew h e e la n dr a i li sa l w a y se q u a lt oz e r o t h er a i lw e l d i r r e g u l a r i t i e s a r em o d e l e da st h el o c a lt r a c kv e r t i c a ld e v i a t i o nd e s c r i b e dw i t h s o m ei d e a lc o s i n ef u n c t i o n s t h ed y n a m i c sm o d e li su s e dt oa n a l y z ew h e e l r a i l i m p a c tl o a d i n gc a u s e db yc o m p o u n di r r e g u l a r i t y ，s i n g l ei r r e g u l a r i t y ，t h el o n ga n d s h o r tw a v e l e n g t hr a i lw e l di r r e g u l a r i t y t h el o a d i n gb e t w e e nt h er a i la n ds l e e p e r a n dt h ea c c e l e r a t i o n so ft h ew h e e la n dt h et r a c kc o m p o n e n t sa r ea l s oi n v e s t i g a t e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 t h ee f f e c t so ft h et r a i ns p e e d ，t h ea x l el o a d ，t h ew a v e l e n g t ha n dd e p t ho ft h e i r r e g u l a r i t i e s ，a n dt h ew e l dc e n t e rp o s i t i o ni nas l e e p e rs p a no nt h ew h e e l r a i l i m p a c tl o a d i n g a r e a n a l y z e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h e s h o r t w a v e l e n g t h i r r e g u l a r i t i e so fr a i lw e l de a s i l ye x c i t e t h eh i g h e rr e s o n a n tf r e q u e n c i e so ft h e t r a c ka n dc a nl e a dt oas e v e r ed a m a g eo ft h ew h e e la n dt r a c kc o m p o n e n t s h e n c e ， t h ep h e n o m e n o no fs h o r t w a v e l e n g t hi r r e g u l a r i t i e so fr a i lw e l ds h o u l db ea v o i d e d i nt h eo n - s i t ec o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c e m o r e o v e r ，t h er a t i oo ft h ed e p t ht o w a v e l e n g t hi s m o r er e a s o n a b l et oc o n t r o lt h er a ilw e l di r r e g u l a r i t i e s a n i r r e g u l a r i t i e s c o n t r o l i n gt a b l ei sd e v e l o p e d ，w h i c hp r o v i d e sar e f e r e n c ew h e nt h e r a i lw e l di sg r o u n d ( 2 ) b a s e do nt h ea b o v ev e h i c l e t r a c kc o u p l i n gd y n a m i c sm o d e la n dt h r e e d i m e n s i o n a le l a s t i c p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，as t r e s sa n a l y s i sm o d e lo fr a i l w e l di ss e tu p i nt h em o d e l ，t h er a i lb a s em e t a l ，w e l dm e t a la n dh e a ta f f e c t e d z o n eh a v ed i f f e r e n tp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s t h ev e h i c l e t r a c kc o u p l i n gd y n a m i c s m o d e li sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h ed y n a m i cw h e e l - r a i lc o n t a c tf o r c ea n dt h es i z e a n dl o c a t i o no ft h ec o n t a c ta r e a t h ec o n t a c tf o r c e ，t h es i z ea n dl o c a t i o no f c o n t a c ta r e ao b t a i n e db yt h ev e h i c l e - t r a c kd y n a m i c ss i m u l a t i o na r eu t i l i z e da st h e i n p u t s t of a s t si mp r o g r a mt oo b t a i nt h en o r m a la n dt a n g e n t i a lf o r c e d i s t r i b u t i o n s t h e nt h es i z e sa n dl o c a t i o n so fc o n t a c ta r e a sa n dn o r m a la n d t a n g e n t i a lf o r c ed i s t r i b u t i o na r eu s e da st h ei n p u t st of i n i t ee l e m e n tm o d e l t h e m i s e s e q u i v a l e n ts t r e s s ，r e s i d u a le q u i v a l e n tp l a s t i c s t r a i na n dr e s i d u a l d i s p l a c e m e n tn e a rt h er a i lw e l da tt h et a n g e n ta n dc u r v et r a c k sa r ei n v e s t i g a t e d r e s u l t ss h o wt h a tt h er a i lw e l di r r e g u l a r i t i e sl e a dt oh i g hw h e e l r a i li m p a c t l o a d i n ga n dh i g hl o c a l i z e dp l a s t i cd e f o r m a t i o n t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e w e l dm e t a ls h o u l d b ee q u a lt ot h o s eo ft h er a i lb a s em e t a li nt h eo n s i t e c o n s t r u c t i o nt od e c r e a s et h e i m p a c tl o a d i n g c a u s e d b y t h en o n c o n t i n u i t y d e f o r m a t i o na n dr a i lw e l di r r e g u l a r i t i e s k e y w o r d s ：r a i lw e l d ；r a i ld e f e c t ；i r r e g u l a r i t y ；v e h i c l e t r a c kc o u p l i n gd y n a m i c s ； f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西 南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密，使用本授权书。 学位论文冀者签名：商乡土 日期：夕部邛年上月2 弓白 指导老师签名：名争镄 日期：纠年三月乡日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 提出了更为合理的高速钢轨焊接接头几何不平顺维修准则，即控制不平 顺波深与波长之比。体现在本文第2 4 章。 2 建立了基于车辆轨道耦合动力学模型和三维弹塑性有限元模型的钢轨 焊接接头应力分析模型，模型中考虑了钢轨母材和焊接接头材料及热影响区域 具有不同的材料属性。首先由车辆轨道耦合动力学仿真程序计算轮轨接触力、 接触斑大小及位置。然后通过f a s t s i m 计算接触斑内切向力分布，最后输入到 三维弹塑性有限元模型。应用该模型分析了不同工况下直线、曲线焊接接头区 域附近的接触应力、弹塑性变形以及残余应力分布。体现在本文的第5 章。 一 3 1 肖妒 ：力， 名月签者u l 雠年 千n， 文p 捌1 位期学日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 自1 8 2 5 年英国采用蒸汽机车进行客货运输以来，全世界已建成3 0 0 多万 公里的铁路，它曾经或现在依然是许多国家的主要交通工具。由于铁路运输 速度快、运量大、安全性高、准确性高、耗能少、占地少、工程投资低、舒 适度高、效益好，相对于航空和公路运输而言污染小，不受自然气候条件的 严重制约，所以铁路工业在世界运输业中具有重要的不可代替的地位【1 1 。然 而，随着科学技术的进步，世界经济的迅速发展，各国铁路所面临的挑战也 越来越严峻，铁路的市场份额不断被其它交通工具占据，经济效益不断滑坡， 到了2 0 世纪5 0 年代，铁路运输业在发达国家成了夕阳产业。因此世界各国 都积极更新旧铁路系统和发展高速重载铁路以及城市快速轨道交通，特别是 以日本新干线、法国t g v 和德国i c e 为代表的高速铁路投入运营以来，它 以安全可靠、技术创新、优质服务等特色为铁路运输的发展带来了新的契机， 为国民经济的发展带来了巨大动力。因此，欧洲、日本、加拿大、南非、澳 大利亚、美国、韩国等发达国家和地区，特别重视铁路相关技术问题的研究 和开发，积极发展高速重载铁路和城市轨道交通【2 】。自改革开放以来，随着 中国经济的高速发展，各地的经济联系和交往越来越紧密，铁路行业出现了 新的机遇，随着高速重载铁路和城市轻轨交通的迅速发展，其地位更显突出。 我国幅员辽阔，但可用面积少，人口众多，能源和资源贫乏，城市拥挤不堪， 公路交通恶劣，更适合发展铁路轨道交通。目前由于我国经济持续高速发展， 导致铁路运力严重不足。所以，截至2 0 0 7 年我国主要干线进行了七次大提速， 1 2 0k m h 以上的线路延展里程达到2 2 万公里，其中，1 6 0k m h 以上的线路 延展里程达到1 4 万公里，2 0 0k m h 以上的线路延展里程达到6 0 0 3 公里，重 载运输得到了全面发展，大秦线路大量开行l 万吨和2 万吨重载组合列车， 但这仍然不能满足我国经济快速发展的要求。2 0 0 4 年1 月，国务院总理温家 宝主持召开国务院常务会议，讨论并通过了中长期铁路网规划，并提出了 “扩大规模，完善结构，提高质量，快速扩充能力，迅速提高装备水平”的 发展目标。明确了我国铁路网中长期建设目标，到2 0 2 0 年，全国铁路营业里 程将达到l o 万公里以上，客运专线、高速铁路达到l 万公里，城市轨道交通 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 达到4 0 0 0 公里左右。因此在我国乃至全世界铁路轨道交通史中即将出现一个 新的建设和运输高潮【j j 。 随着铁路运输行业高速、重载以及提速的深入发展，轮轨相互作用愈加 剧烈，轮轨以及轨道出现的破坏越来越严重。1 9 7 2 年，在美国铁路上查出近 2 0 万根伤损钢轨。事实上，我国每年用于更换和维修伤损轮轨的经费达8 0 多亿人民币。轮轨突发性破坏导致列车脱轨而造成的损失就更难统计【4 j 。而 钢轨接头是铁路三大薄弱环节( 小半径曲线、道岔及钢轨接头) 之一，由特殊 的地理环境和铁路工业的发展现状的限制，重载铁路和山区铁路线仍大量存 在钢轨接头。自从上世纪3 0 年代开始，无缝线路的铺设消除了大量的钢轨接 头。钢轨连续焊接有效地降低了接头处的轮轨冲击力，从而延长了车轮和钢 轨的服役寿命。由于焊接接头处的焊接材料强度、硬度和微观结构与母材问 存在一定的差别，焊接钢轨前两端钢轨未对齐，以及手工打磨焊接部分不平 所引起的钢轨表面不平顺等原因，无缝线路的焊接接头部分仍然是钢轨表面 不平顺的主要形式，另外钢轨焊接接头可能存在一定的焊接缺陷和很高的残 余应力。所有这些都可能引起高的、集中的轮轨冲击力，而强烈的轮轨相互 作用加快焊接接头的疲劳破坏，加速轨道及其相关结构的沉降和破坏。从表 面上来看，车轮和钢轨以及轨道不会有任何迹象，但当车辆通过焊接接头部 位时，将出现不同于正常轨道的冲击和变形，这种作用久而久之便会导致钢 轨和轨道的局部永久变形，从而可能造成轨道几何不平顺的恶化，反过来又 加剧轮轨动力作用。自从上世纪7 0 年代以来，无缝线路广泛在我国既有和新 建线路上铺设，随着车辆运行速度的提高，我国大部分线路出现了不同情况 的龟裂、压溃、剥离、断裂、侧磨、波浪型磨损等疲劳破坏，严重时可能造 成钢轨的断裂甚至严重的脱轨事故。图1 1 给出了几种钢轨焊接接头伤损情 况。其中，图1 1 ( a ) 是郑徐试验线路铝热焊接接头表面出现的上局部上凸型 不平顺；图1 1 ( b ) 是欧洲高速铁路现场出现的铝热焊接接头的前后出现了不 同程度的压溃现象；图1 1 ( c ) 和( d ) 分别是澳大利亚重载铁路铝热焊接接头出 现的横向裂缝和垂向断裂现象；图1 1 ( e ) 和( f ) 分别是欧洲铁路铝热焊接接头 和闪光焊接接头正上方出现的不同程度的压溃现象。由此可以看出，铁路现 场铝热焊接接头的伤损占主要部分，而其他焊接接头也同样出现了不同程度 的伤损情况，因此焊接接头在铁路维护和维修中占据主要作用，有必要更加 关注和研究由钢轨焊接接头所带来了一系列伤损问题。 要堕至鎏查兰塑主竺窒竺兰竺笙塞蔓i 至 ( c ) 铝热焊接接头表面压溃7 1( o 闪光焊接接头表面压溃【7 】 图1 - i 钢轨焊接接头伤损 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 国内外研究现状 钢轨接头伤损的研究自从有钢轨以来就受到人们的广泛关注，轮轨接触 斑仅有1 0 0 多平方毫米的接触面积，但承受数十吨交变的复杂载荷，且轮轨 接触面之间存在相对的滑动和转动而导致极限摩擦力的形成，特别是在焊接 接头区域，由于接头区域材料的非均匀性和几何非统一性，因而轮轨使用不 久，接头区域附近材料进入疲劳状态甚至丧失承载能力。当今，钢轨焊接工 艺主要有闪光焊、铝热焊、气压焊和电弧焊。国内外对钢轨接头的研究主要 侧重于两个方面：一是试验现场的调查，这方面以欧洲铁路和日本高速铁路 以及澳大利亚重载铁路为代表，特别是在对焊接接头的试验现场调查方面， 日本高速铁路做出了重要的贡献，我国对接头伤损问题的调查主要起步于上 世纪9 0 年代，由于鱼尾板接头和焊接接头的大量存在，其伤损问题越来越被 各大车辆段、铁路局和铁道部科学研究院所重视；另一方面是接头的数值模 拟，数值模拟主要分为针对钢轨接头处的动力学计算和弹塑性有限元仿真方 面。下面分别介绍钢轨接头领域的国内外研究现状。 1 2 1 国外研究现状 钢轨接头的试验调查和数值仿真研究工作主要以欧洲、日本、澳大利亚 等铁路运输系统较为发达地区为代表。早在1 9 7 4 年，j e n k i n s 等【8 】通过对英 国铁路的调查，发现当车轮通过钢轨低接头时，轮轨力出现两个峰值，按照 英国铁路( b r ) 的定义，称之为尸l 、尸2 力。尸1 力为高频瞬态冲击力，尸2 力 是整个车辆系统与线路系统受到脉冲激扰而出现的中低频响应力。并且通过 数值仿真给出了p l 、p 2 力的近似计算公式，表明尸l 力主要与簧上质量、钢 轨等效质量以及速度有关；尸2 力受道床的等效刚度影响较大。b a r k e 和c h i u p j 于2 0 0 5 年发表一篇关于轨道和车辆构件对车轮不圆顺的影响综述。文中详细 地综述了钢轨接头伤损的相关文献，包括鱼尾板螺栓孔接头、绝缘接头、钢 轨焊接接头疲劳寿命以及扣件和橡胶垫等，并指出焊接接头是无缝线路性能 最差的部位【l ，且铝热焊接接头的性能比闪光焊和气压焊焊接接头的差j ， 其主要原因是铝热焊接接头焊接过程中存在一定的夹杂物、气孔和焊缝缺陷 等情况l lz ，l 引。铝热焊接接头的服役性能主要取决于接头结构的整体性和接 头区域纵向坡度的发展速度 1 3 】。钢轨表面坡度主要是由于钢轨纵断面的恶化 所造成的，而这种纵断面的恶化主要是由于焊接接头和钢轨母材表面不均匀 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 磨耗和塑性变形造成的【”】。上世纪9 0 年代，a b e 等【1 6 】对日本新干线铁路钢 轨焊接接头附近的钢轨表面不平顺进行了详细调查，得出了日本新干线焊接 接头附近普遍存在由两个近似余弦波叠加而成的垂向不平顺，且钢轨表面不 平顺与通过总量成函数关系，并给出了焊接接头部分维护作业流程，以此延 长钢轨的服役年限。a r n o l d 等【l7 】为了更好地了解钢轨绝缘接头的力学性能。 首先给出了接头试验行为分析，然后对实际粘结绝缘接头的试验进行数值仿 真。结果表明，实验结果与分析结果相吻合。1 9 9 9 年，d o n g 和d u k k i p a t i 1 8 , 1 9 】 应用d o n g 在其博士论文中发展的车辆轨道垂向有限元动力学模型，分析了 车辆通过钢轨低接头时的轮轨相互作用，其中车辆模型采用5 自由度集中参 数模型，轨道模型中采用钢轨下橡胶垫层一轨枕道床离散支承t i m o s h e n k o 梁 模型。结果表明，p l 力随着簧上质量和钢轨等效质量的增加而显著增大；n 主要受道床刚度影响，这与1 9 7 4 年j e n k i n s 对英国铁路的现场调查结果一致。 w u 和t h o m p s o n 2 u j 于2 0 0 3 年发展了一种时域内钢轨接头轮轨冲击模型，模 型中车轮经过接头时中心迹线作为冲击形式的输入，模型可以模拟轮轨瞬时 脱离现象。应用该模型调查了车轮通过钢轨接头时的轮轨相互作用力，并由 此分析冲击噪声，结果表明：轨缝为7m m 和高差1m m 的钢轨接头在8 0k m h 和1 6 0k m h 的速度下所产生的轮轨冲击力分别为静轮重的4 和6 倍，且当车 辆运行速度为1 6 0k m h 时出现了轮轨脱离现象。2 0 0 3 年，m u t t o n 等【6 j 调查 了澳大利亚重载铁路线路中铝热焊接接头的失效模式，并通过试验考察了钢 轨焊接接头垂向方向的几何缺陷、动载荷因子和车辆运行速度与焊接接头伤 损之间的关系，得出焊接接头不平顺直接影响焊缝处的冲击载荷以及焊缝附 近轨道结构的沉降。2 0 0 4 年，k o r o 等【2 l j 发展了一种基于t i m o s h e n k o 梁的车 辆轨道振动有限元模型，将钢轨模拟为t i m o s h e n k o 梁有限元模型，应用弹 簧阻尼单元模拟轨垫和轨枕支承单元，将轨枕考虑成集中质量，并考虑轨枕 离散支承条件，并在考虑鱼尾板接头时，将其连接板模拟成t i m o s h e n k o 梁并 由弹簧单元与前后钢轨相连接。应用该模型调查了列车速度、轨缝宽度对轮 轨冲击力的影响，数值结果表明，当车轮通过接头时的轮轨冲击载荷远高于 正常情况下的轮轨冲击载荷。 由于计算机技术的飞速发展，各种数值方法，特别是有限元方法的计算 机仿真实现得到了广泛应用。其在钢轨接头方面的应用也越来越趋于热点。 目前，大多数文献主要集中在闪光焊和铝热焊焊接接头的力学性能和疲劳裂 纹的形成和发展。f r y 等【2 2 】提出了一种铝热焊接接头的疲劳伤损模型，并调 查了孔隙率对铝热焊接接头疲劳性能的影响。b e r e t t a 等【2 3 , 2 4 】应用有限元和试 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 验分析了焊接接头轨腰处的疲劳裂纹机理。s k y t t e b o l 等【2 5 j 调查了焊接接头的 焊接残余应力对焊接接头疲劳裂纹扩展的影响，应用有限元方法计算闪光焊 焊接接头的残余应力，计算结果与试验得到的残余应力一致；并应用断裂力 学调查了钢轨疲劳裂纹伤损的扩展过程，并考虑了不同的轴重，裂纹位置， 裂纹大小和钢轨的温度。w e b s t e r 等【2 6 j 和t a w f i k 等【27 】分别对铝热焊接接头和 闪光焊接接头区域内的应力场进行了测量。结果表明这两种不同焊接方式在 钢轨轨脚、轨腰和轨头处引起了相同的残余应力。焊接钢轨在轨腰区域内明 显呈现出高的拉应力；钢轨轨脚和轨头区域内呈现较高的压应力。另外，局 部淬火和回火处理可以有效的降低钢轨焊接接头区域内轨腰的拉伸残余应力 【2 引。u i c 等【2 9 】证实经过对钢轨焊接接头适当的热处理可有效改进接头的抗拉 强度和延伸率等力学性能，并可以将钢轨焊接接头的断裂机理从脆性断裂变 为塑性破坏。m e r i c 等【3 0 j 通过对铝热焊接接头短暂预热来调查钢轨焊接接头 焊接区域材料的力学性能和金属成分。c h e n 等【3 l 】应用三维有限元模型研究了 钢轨绝缘接头处的接触应力分布，结果表明绝缘接头的存在对轮轨接触应力 分布有重要的影响。c h e n 等【3 2 】应用有限元方法研究了钢轨绝缘接头对轮轨法 向、切向接触应力分布的影响。模型中，轮轨接触采用接触单元模拟。应用 数值模拟的方法调查了绝缘接头距离和材料对接触应力和最大剪应力分布的 影响。数值结果表明钢轨焊接接头的存在对轮轨接触应力分布的影响很大， 另外c a r t e r 理论已不再能够有效的预测绝缘接头附近轮轨接触切向应力的分 布情况。当轮轨接触点逐渐靠近绝缘接头时，切向力所引起的最大剪应力随 之朝钢轨表面移动。当轮轨接触点处于钢轨绝缘接头区域时，列车制动所产 生的最大剪应力比牵引产生的更加明显。c h e n 等 3 3 , 3 4 , 3 5 】建立了一种热传导模 型，研究了铝热焊接接头的焊接参数对焊接接头伤损的影响。通过一系列的 热传导仿真展现了焊接接头的伤损过程。结果表明，对现有的焊接技术条件， 可以很好的避免焊接接头缩孔现象，但焊接接头冷隔和中心线伤损现象很容 易发生；增加预热时间或者液体温度可以有效抑制冷隔和中心线伤损现象的 发生，但同时在钢轨轨头部位会导致较高的微孔率发生；另外，将焊缝宽度 稍微增大可与增加预热时间或者液体温度达到同样的效果。t e r a s h i t 等1 3 6 j 和 s h i t a r a 等【37 】给出了1 9 8 5 年到2 0 0 1 年日本铁路钢轨焊接接头的伤损形式和引 起伤损的原因，并引入一种叫着非破坏性试验鉴定的焊接接头评定方法。 2 0 0 6 年，k a b o 等【38 j 应用有限元模型调查了绝缘接头处的轮轨冲击载荷、局 部塑性变形的影响；数值结果表明绝缘接头将引起很大的轮轨冲击载荷指数， 西南交通大学硕士研究生学位论文第- 7 页 由此引起钢轨表面不平顺，较大的轮轨冲击响应会引起接头附近的滚动接触 疲劳和变形。 c a n n o n 等【3 州对包括钢轨焊接接头伤损在内的钢轨缺陷类型、原因和防治 措施进行了综述。从2 0 0 5 年起，s t e e n b e r g e n 和e s v e l d 4 0 j 通过简单的弹簧质 量系统调查了钢轨焊接接头处的轮轨相互作用，得出钢轨焊接接头处不平顺 的一阶导数的最大值与最大轮轨作用力存在一定的函数关系，并引入基于焊 接接头处坡度限值的焊接接头管理标准。随后s t e e n b e r g e n 4 1 】又应用有限元方 法将钢轨模拟成t i m o s h e n k o 梁，数值结果表明轮轨相互作用力峰值与车辆运 行速度、最大不平顺坡度存在一定的线性关系。s t e e n b e r g e n 4 2 还利用集中质 量模型调查了轮轨间存在两点或多点接触情况下轮轨相互作用力。研究指出 在铁路现场应尽量避免短波长轨道不平顺，因为短波长不平顺处容易发生两 点接触并引起巨大的轮轨相互作用力，从而引起车辆和轨道结构的疲劳破坏。 最近s t e e n b e r g e n 5 在宽频范围内调查了任意形式的钢轨几何不平顺、钢轨抗 弯刚度和分布质量与轮轨作用力之间的关系，模型中考虑了任意斜率的斜坡 所引起的轮轨相互作用。结果表明，最大轮轨相互作用力尸l 与斜坡的斜率和 列车运行速度成正比，尸l 和尸2 力随着钢轨刚度增加而增大，p 1 力随着钢轨 质量的增加而迅速增大，几乎成线性关系。而r 力随着钢轨质量的增加而略 微减少。 1 2 2 国内研究现状 随着我国经济持续高速发展，主要铁路干线已经进行了七次大提速。随 着列车速度的提高、轴重的增大、运输任务越来越重，我国铁路一些区段特 别是提速线路的钢轨出现了不同程度的伤损，焊接接头附近钢轨出现不同程 度的龟裂、压溃、剥离、断裂、侧磨、波浪型磨损等疲劳破坏。我国主要对 焊接接头的调查和研究是从上世纪9 0 年底开始由铁道科学研究院和各铁路局 牵头进行的。特别是从我国开始广泛使用焊接接头代替鱼尾板接头且焊接接 头处出现了不同程度的伤损情况后。沈阳铁路局李琦【4 3 】在线路钢轨气压焊焊 接接头大修施工中发现，现场焊接接头经常出现高低接头及高低错位、旁弯 及左右错位、钢轨轨角塌陷和局部凹陷等缺陷，并提出了一些提高钢轨气压 焊焊接接头平顺性的建议。侯炳麟等1 4 4 】对在役钢轨伤损规律及预测方法进行 了讨论，并提出用模糊贴近理论实现任意待评估路段钢轨伤损预测的可能性。 王峰等一刈通过对国内外客运专线钢轨焊接接头平直度验收标准进行比较，建 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 议轨顶面平直度限标准( 正偏差) 为：当2 0 0k m h 烬2 5 0k m h 时，0 - - , + 0 3 m m ； 当3 0 0k m h v 弋 o ( 2 5 8 ) 1 0 ，z ，t ) 一z ，( ，t ) 一z o o ) 0 式中z w 。( f ) 车轮k ( k - - 1 ，8 ) 的位移； z , ( x w s ，f ) 第i ( i = 1 ，8 ) 车轮作用点处钢轨的位移； z 0 ( f ) 钢轨接触表面焊接接头不平顺随时间函数与轮轨法向静压缩 量之和： y， y 一 ；穹加 l ；叫卸一删州 = = = ，k，z ，_-_-_1_-_l ，匕m 嵋蛆 = = | t 2 2 2锄 ，j、【 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 轮轨接触常数g ( m n 2 乃) 与车轮和钢轨接触面外形有关。文献 8 】中给 出了一种轮轨接触常数的拟合公式。当钢轨轨头半径为0 2 3m 和车轮滚动 圆半径介于o 1 5m r 0 6m 时， 对于锥形踏面车轮 g = 4 5 7 r o 1 4 9 10 8 ( ，2 5 9 ) 对于磨耗型踏面车轮 g = 3 8 6 r 。o 1 1 5 1 0 。8 ( 2 6 0 ) 式中，月为车轮滚动圆半径( m ) 。 由于我国现已广泛采用6 0k g m 的钢轨，其轨头半径分别由3 0 0m m 、8 0 m m 和1 3m m 的圆弧连接，车轮也广泛的采用磨耗型踏面车轮。因此式( 2 。5 9 ) 和( 2 6 0 ) 计算得到的接触常数有一定的误差，必须根据其车轮和钢轨接触 几何尺寸重新确定。 根据h e r t z 接触理论【7 2 1 ，首先对两个相互接触的弹性体定义两个常数a 和 b ： 睁1 是+ 去+ 石1 2) ( 2 - 6 - ) l 墨是 足r ： 、 召一彳：三 ( 击一万1 ) 2 + ( 击一去) 2 + 2 ( 去一去) ( j 一去) c 。s 2 叩 u 2 c 2 6 2 ， 式中，冠= r o 车轮的滚动圆半径； 足= r 车轮踏面横断面外形的半径； r = 0 0 认为沿钢轨延长方向轨头为平直； r ，= r 轨头横断面外形的半径。 叩轮对摇头角 令 f l = a r c c o s ( b a ) f a + b ) 飞q 一6 3 ) 引入一个重要常数g ：轮轨接触常数( m n 2 仃) ： g ：塑 昙( 彳+ b ) g 2 】l ，3 ( 2 - 6 4 ) 其中椭圆积分 k ( e ) = 2 ( 1 - - e 2 s i l l 2q ) 圳2 d q ( 2 6 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 e 为接触斑椭圆的椭圆率： e 2 = l 一( b a ) 2 a ，b 分别为接触斑椭圆的长短半轴 材料的物理参数由下式确定： g ：盟+ 生 e we r ( 2 6 6 ) ( 2 6 7 ) 式中玩和历分别为车轮和钢轨的弹性模量，和分别为车轮和钢轨 的泊松比。本文视车轮和钢轨的弹性模量和泊松比相同。 瞬态轮轨接触常数算法求解轮轨接触常数g ，其步骤如下： 1 系数m 与肺关，由脏表2 2 可得到相应的m ，n 值 2 由( 2 6 8 ) ，( 2 - 6 9 ) 以及第1 步求得的m ，n 确定a ，b ，从而确定e 。 一(3n(kl+乞)1l，3a= m 二i l4 ( a - - i - b ) ( 2 - 6 8 ) 汹( 继4 ( aq 等- - ) l 3 ( 2 6 9 ) ib ) | 、7 毛：包：半 ( 2 7 0 ) 式中为法向力。 3 由e 查表2 - 3 得k 俐，再和已确定的m ，g + ，似+ 召) ，一起代入求得接触 常数g 。 g ：一k ( e ) l - 9 ( 彳+ b ) g + 2 】l ，3 ( 2 -