（机械工程专业论文）轮轨磨耗问题及减缓措施的研究.pdf

摘要 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h e r t z 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。 关键词：轮轨磨耗；有限元；参数二次规划法；弹塑性接触；轮轨接触力 大连交通大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y sw o r l dr a i l w a y sa r ed e v e l o p i n gt o w a r d sh i 曲s p e e dt r a i n sa n dh e a v yh a u l a g e ， s os o m ep r o b l e m so fw h e e l r a i lr e l a t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s ，s u c ha sr a i l c o r r u g a t i o nr e s u l t i n gf r o mw h e e l - r a i lw e a r ，r a i lf a t i g u es f f e n g t hc a u s e db yr o l l i n gc o n t a c t ， d e r a i l m e n ta n ds oo n e v e r yy e a rt h e s ep r o b l e m sb r i n ga b o u th e a v ye c o n o m i cl o s s e st o i n t e r n a t i o n a lr a i l w a yt r a n s p o r ts e r v i c e s i nt h i sp a p e r , t h ew h e e l r a i lw e a rp r o b l e mi sa n a l y z e da n ds o l v e db yu s i n gt h ef i n i t e e l e m e n tp a r a m e t r i cq u a d r a t i cp r o g r a m m i n gm e t h o d t h em o d e li sb u i l ta c c o r d i n gt ot h ea c t u a l g e o m e t r i cr e l a t i o n t h eh e r t za s s u m p t i o na n dt h ee l a s t i c - h a l f - s p a c ea s s u m p t i o ni nt h e c l a s s i c a la n a l y t i c a lo rh a l f - a n a l y t i c a lm e t h o da r ec o m p l e t e l ya v o i d e d i i lt h i sp a p e r , t h e3 df e mm o d e l so fc o n e 骶a da n dw o r n - n a dl o c o m o t i v ea n dv e h i c l e w h e e l sa r ef i r s t l ye s t a b l i s h e d w h i c hc o m ei n t oc o n t a c tw i t ht h er a i lo fs t a n d a r ds i z e t h e r e h a s n tb e e na n ym o r er e f i n e d3 df e mc o m p u t a t i o nm o d e lo fw h e e l r a i lu pt i l ln o w t h e e l a s t i ce f f e c to fc r o s s t i ea n dr o a d b e di sa l s oc o n s i d e r e d l o t so ft h ee l a s t i cc o n t a c tp r o b l e m s a n de l a s t o p l a s t i cc o n t a c tp r o b l e m sa r ec o m p u t e d al o to fd a t as u c ha st h ew h e e l r a i lc o n t a c t f o r c e ；c o n t a c ts t a t u sa n dw h e e l r a i ls t r e s sd i s t r i b u t i o na r eo b t a i n e d a f t e rd e t a i l e da n a l y s i so f t l l ec o m p u t a t i o nr e s u l t s s o m el a w sa r eo b t a i n e do nh o wt h es t r u c t u r e so fl o c o m o t i v ea n d v e h i c l ea n ds o m ea p p l i e dp a r a m e t e r sa f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fw h e e l r a i lc o n t a c t a c c o r d i n gt os e v e r a lp a r a m e t e r sw h i c hc o m p u t e df r o mt e s t ，s u c ha st h ev a r i o u sk i n d so f l o a di nw h e e l r a i ls y s t e m ，t h eg e o m e t r ys i z e s ，t h ew h e e l r a i lr e l a t i v ep o s i t i o n ，e t c ，t h e c a l c u l a t i o no ft h ee l a s t i c p l a s t i cc o n t a c tc a l lb ec a r r i e do u ti nt h i sp r o j e c t ，a n da l s o ，a n a l y z et h e c h a n g i n gr e g u l a r i t yo v e r a l la c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t t h ea n a l y s i sf o c u so nt h e m e c h a n i s mw h i c hc a u s i n ga n dd e v e l o p i n gt h ew e a ro fw h e e la n dr a i l 1 1 1 ee f f e c ta n dw e i g h t o ft h ev a r i o u sp a r a m e t e r ss u c ha st h ew h e e l r a i ll o a da n dr e l a t i v ep o s i t i o ni nt h ew e a rp r o c e s s i ss t u d i e d t h er e s e a r c hm e t h o da n dc o m p u t e dr e s u l t si nt h i sp a p e ra r ev e r yu s e f u lt os o l v ep r o b l e m s o fw h e e l r a i lw e a r k e yw o r d s ：t h ew e a r o fw h e e l r a i l ；f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ； p a r a m e t r i cq u a d r a t i cp r o g r a m m i n g ；e l a s t i ca n de i a s t o p l a s t i cc o n t a c t t h ew h e e i ，l h i lc o n t a c tf o r c e 第章轮轨关系研究概述 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 8 2 5 年9 月2 7 日，世界上第一条铁路在英国s t o c k t o n 和d a r l i n g t o n 之间开通，利 用蒸汽机车牵引列车，最初的速度为4 5k m h ，后来达到2 4k m h ，运行距离为3 6k m 。 铁路运输远远早于汽车运输。到了1 9 世纪末2 0 世纪初，铁路运输业进入第一个兴旺发 达时期。全球铁路总长超过1 2 0 万公里1 2 】。进入2 0 世纪以后，汽车、航空、水运和管道 运输迅速发展，汽车的短途客货运输量逐渐超过了铁路运输量。尤其是高速公路网的形 成，不仅吸引了大量的中短途旅客，而且大型集装箱的运输能快捷方便的达到目的地。 1 9 6 4 年1 0 月，日本建成世界第一条现代化高速铁路一东海新干线，运营速度为 2 3 0 k m h 。这条高速线在几十年的运营中，吸引了东京至大阪9 0 的乘客，列车运行时 间误差低于1 分钟，耗能为汽车的1 5 ，无废气排放，取得了举世瞩目的成就憎。由此， 铁路运输尤其高速铁路运输引起世界各国的高度重视。近二十年来，一些经济技术发达 国家相继修建了高速铁路。日本继东海新干线后，又建成山阳、上越、东北等新干线， 总长度达1 8 3 5 公里。目前，日本高速列车客运量为世界之最，2 0 0 0 年客运周转量为7 1 2 亿人公里。1 9 8 3 年法国开通第一条现代化高速铁路一巴黎东南新干线，最大运营速度为 2 7 0k m h ，1 9 8 9 年建成大西洋干线，最高运营速度3 0 0k m h 。法国现己建成高速铁路1 2 8 1 公里，高速列车t g v 运行速度为3 0 0 3 5 0 公里，最高试验速度为5 1 5 3 公里，他们计划 修建连接邻国的高速铁路网，总长达4 5 0 0 公里以上；意大利的高速铁路己初步形成网； 德国从1 9 8 5 年开始研究i c e 高速列车，1 9 9 1 年投入运营，己有高速铁路7 0 0 多公里， i c e 高速列车最高运行速度达3 3 0k m h 。1 9 9 1 年瑞典开通了x 2 0 0 0 摆式列车，1 9 9 2 年， 西班牙引进法、德两国的技术建成了4 7 1 公里长的马德里至塞维利准高速铁路。1 9 9 4 年英吉利海峡隧道把法国与英国连接在一起，开创了第一条高速铁路国际联接线。1 9 9 7 年，从巴黎开出的“欧洲之星”又将法国、比利时、荷兰和德国连接在一起，很快对该区 间的航空运输形成了强大的竞争力，“欧洲之星”的客运份额就占了6 0 l 3 - 1 a2 0 0 1 年开 通巴黎至马赛7 4 0k m 的t g v 高速线，旅行时间只要3 小时。穿越法意边界的阿尔卑斯 山的长达5 2 7k m 隧道，己于2 0 0 2 年五月开工，预计2 0 1 2 年建成开通，则阿尔卑斯山 就不再成为发展欧洲高速铁路网的障碍。在西欧国家，目前初步形成了高速铁路网，到 2 0 0 0 年，欧洲高速客运量己接近日本的水平。西欧国家计划在1 5 0 0 2 0 0 0k m 范围内夜 间开行高速货运列车。到2 0 1 0 年，西欧铁路将超过6 0 0 0k m 2 0 2 0 年增加到1 0 0 0 0k m 。 目前世界2 0 多个经济技术发达国家正在修建和筹建高速铁路线总共4 6 条1 ，总长 约8 0 0 0 公里。所以铁路世界运输业又进入了新的高峰发展时期。 高速铁路速度目标值直在提高。过去运营速度已上了两个台阶l b j 。2 0 世纪6 0 1 大连交通大学工程硕士学位论文 年代到8 0 年代初，列车速度由2 1 0k m h 提高到2 5 0k m h 以上，8 0 年代中到9 0 年代末， 列车速度由2 5 0k m h 提高到3 0 0k m h 。到现在为止，国际上高速列车和线路运行速度 达到3 5 0k m h 已是成熟的技术。许多国家即将修建的高速铁路大多瞄准这个目标值。 铁路运输另一个发展方向是：货物重载一。在高速客运取得成功不久，世界许多 国家发展铁路重载运输技术。2 0 世纪7 0 年代，美国、加拿大和墨西哥三国进行了大规 模路网合理化改造和建设，消除运营壁垒，完成一体化进程，同时开始发展以提高轴重、 加大列车编组数量为特征的重载技术。通过开行j 重载单元列车提高运输能力，降低了 运输成本，提高了生产效率。从1 9 8 0 年到1 9 9 9 年，重载运输成本降低了6 5 ，铁路货 运在全部货运市场占有份额从3 7 5 增加到4 0 3 ，2 0 0 0 年增加到4 1 ，事故率降低了 6 4 ，目前北美一级重载铁路货运已达到历史上货运收入最高水平8 1 亿美元。1 9 7 3 年 澳大利亚采用了重载运输技术后，劳动生产率逐年提高，成本逐年下降。2 0 0 0 年与1 9 8 0 年相比，燃油消耗下降了4 3 ，每1 0 0 万吨矿石运输所需人力从3 0 人下降到5 人，劳 动生产率高达6 0 0 0 万吨公里人，居世界之首。机车车辆利用率提高了3 6 。2 0 0 0 年， 澳大利亚b h p 矿山公司年利润达5 0 0 亿澳元。2 0 0 1 年6 月，b h p 公司开行了总达9 9 7 3 4 吨重载列车，用8 台机车牵引6 8 2 辆运煤敞车，全长达7 3 0 0m ，创造了重载列车世界之 最。南非在上世纪7 0 年代末开始采用重载技术，2 0 0 0 年与19 8 0 年比，两条主要重载线 铁矿运量分别从9 0 0 万吨提高到2 6 0 0 万吨和1 9 0 0 万吨提高到6 8 0 0 万吨。其它国家， 如瑞典、巴西、挪威、俄罗斯和印度在重载铁路技术研究和应用方面也取得快速进展。 由于铁路采用了重载运输技术取得了良好的效益，1 9 8 6 年7 月，在澳大利亚召开了第一 届国际重载铁路技术、运营和管理方面的会议，2 0 0 多名专家出席了会议，会上气氛热 烈，专家们对大陆国家发展铁路重载运输给予了充分的肯定。现在国际重载委员会每隔 4 年召开一次国际铁路重载技术交流会这充分说明了铁路重载运输在经济建设中所发 挥的作用。在本世纪，北美、澳大利亚重载铁路的轴重将普遍采用3 3 吨，甚至3 5 吨， 美国正在试验3 9 吨轴重的可行性。 目前，缓解世界许多国家大中城市交通拥挤堵塞状况的另一个有效措施是城市轨道 交通。这些轨道交通类型目前有l s j ! ( 1 ) 城市市郊快速铁道；( 2 ) 地下铁道；( 3 ) 轻轨交通； ( 4 ) 单轨交通；( 5 ) 新交通系统( 由电器牵引，具有特殊导向、操纵和转辙方式的胶轮车辆， 单车和数辆编组运行在轨道梁上的轨道运输系统) ；( 6 ) 线性电机牵引的轨道交通系统； ( 7 ) 有轨电车。城市轨道交通促进了城市向多中心发展，使城市的功能变得更加完善，商 贸旅游变得更加活跃，有效地降低了城市污染和噪声。 从英国伦教建成第一条地下铁道以来，地下铁道己有一百多年的历史p 川。地下铁 道具有运量大、速度大、安全、准时等一系列优点。现在世界上已有4 4 个国家和地区， 1 1 5 个城市修建了地下铁道，总运营线路6 0 0 0 多公里，主要集中在英国、法国、德国、 瑞典、西班牙、俄罗斯、美国和日本，其运营里程占4 2 。但由于地铁的建设费用庞大， 2 第一章轮轨关系研究概述 建设周期长，许多城市难以建设这项工程。但有轨电车运输系统造价相对较低。上世纪 世界许多大城市以有轨电车作为主要交通工具。1 9 2 0 年，英国拥有5 0 0 0k m ，1 4 万辆 有轨电车，美国拥有2 5 万公里线路，前苏联莫斯科9 5 以上的客运任务是由有轨电车 来承担的。日本到1 9 5 5 年，拥有有轨电车线路1 4 3 6k m 。在欧洲和我国的主要大城市， 也建成有轨电车线路。后来，由于汽车工业的发展、普及以及使用的灵活性和方便，逐 步取代有轨电车。但过度地发展汽车交通，导致大中城市汽车流量大，几乎所有的道路 拥挤不堪，汽车排放大量二氧化氮，严重污染城市环境。人们不得不寻求发展城市新的 交通途径。在德国，首先改造城市有轨电车，考虑城市的已有的建筑和发展，部分线路 可移植地下。这种线路叫做“半地铁”或“准地铁”或“过渡地铁”。在加拿大叫做“轻型快速 轨道交通”，在日本叫做“轻快电车”。这种交通系统在全世界范围内得到较快的发展。 19 7 8 年国际公共交通联盟正式命名为l i g h tr a i lt r a n s i t 。 1 2 轮轨磨耗问题的研究进展 随着我国经济的高速发展，我国的铁路、城市轨道交通也进入到了一个快速发展的 时期，高速和重载己成为铁路运输业发展的主题。但随着客运列车运行速度的日益提高 以及货运列车牵引重量的不断增加，轮轨系统的工况日趋复杂，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，据铁道部统计，仅我国国家铁路每年因轮轨 磨耗问题造成的经济损失就达数十亿人民币。 轮轨磨耗问题主要可分为两个方面：轮轨的疲劳磨损和钢轨的波浪形磨耗u 1 协1 。 轮轨疲劳磨损问题主要表现为在车轮轮缘踏面和钢轨顶面内侧处的鱼鳞状裂纹、大 面积剥离、塌陷、密集型斑脱及曲线钢轨的严重侧磨等。这些现象的出现不得不使养护 部门反复不断调边、打磨或更换钢轨及旋削轮对，大大提高铁路运营成本。并且这种破 坏现象常常隐蔽地发生和发展，以至造成轮轨在工作过程中突然失效，即轮轴或钢轨断 裂，酿成列车颠覆重大行车事故。 近年来，国内外铁路研究人员对轮轨接触疲劳问题进行了大量的研究。主要可 分为以下两个方面： 一、从力学角度进行的数值分析和试验研究。h e l l i e rak 、l iyc 、俞展猷等人考 虑了钢轨的真实几何形状和边界条件，采用h e r t z 接触理论，用有限元方法详细地计算 和分析了钢轨内的弹性应力场u 5 增1 。张炎等人利用k a l k e r 三维弹性体非h e r t z 滚动接 触理论确定轮轨接触斑上的作用力，利用弹塑性有限元方法计算了各种工况参数对钢轨 接触应力场的影响仉引。m a k o t oa 等人利用边界元建立了在h e r t z 接触压力下的二维 滚动接触疲劳裂纹的模型，分析了裂纹内部液体对轮轨接触及裂纹扩展的影响“。 s t a n i s l a wb 对裂纹疲劳进行了滚动接触的模拟试验，并结合数值方法获得了线弹性疲劳 3 大连交通大学工程硕士学位论文 裂纹在交变下其增长率的变化曲线l z 3 j 。还有很多学者结合断裂力学理论分析了轮轨裂 纹和空洞附近的应力应变状态及在载荷作用下的变化情况，研究轮轨表面裂纹萌生与剥 离、接触载荷与裂纹扩展速率和裂纹尖端强度因子之间的关系l 2 4 j 。 二、从金属学角度进行的试验研究。机车车辆在运行时，经常会紧急制动或牵引时 出现“空转”现象，这时轮轨间将发生比较剧烈的滑动摩擦，其结果不仅磨掉大量的轮轨 表面的金属材料，而且会导致接触表层材料温度急剧上升。在轮轨大滑动的情况下，接 触表面温度最高可达1 0 0 0 以上，轮轨接触表面材料的机械性能将发生很大的改变。轮 轨钢主要由碳化体组成，当接触温度达到3 0 0 时，碳化体开始分解，材料奥氏体化， 随着温度的进一步升高，碳化体的分解速率加快，而当车轮滑过后，他们将迅速冷却， 变成了马氏体。在轮轨钢中是不应该有马氏体组织的，因为马氏体的韧性较差，在经过 反复碾压之后，接触表面的马氏体会被碾碎脱落，内部的马氏体将成为核伤的裂纹源， 进而扩展、剥离。目前还无法完全通过试验手段确定轮轨的几何型面、材料、作用力、 接触表面状态及相对滑动速度等因素对温度的影响，数值方法也只能基于若干简化假设 条件方可以实现l z b j 。 根据文献统计，在轮轨滚动接触疲劳研究方面，理论研究仍少于试验研究。理论研 究存在的问题是：轮轨接触力都是预先给定的，无法给出真实的、特别是轮轨含有缺陷 时的接触力。试验研究存在的问题有：小比例模型的单因素试验很难反映真实的轮轨滚 动接触强度问题；全尺寸模型缺乏高性能的配套控制系统，试验研究结果难以分辨各种 因素之间的关系和权重：试验研究周期长、费用高。若能有完善的弹塑性滚动接触理论 支持，则可以避免一些费用很高的试验研究，使这方面的研究更加完善。 在轮轨磨耗问题中，钢轨的波浪型磨耗( 简称波磨) 是最突出的问题，是重载线路 上最常见的病害之。这种现象已有一百多年的历史，它影响机车的粘着效果和旅客乘 坐舒适度，它的产生和发展大大缩短轮轨使用寿命，也是产生噪音的根源之一。国内外 学者对波磨产生的机理进行了大量的深入研究。引。，但对波磨的成因至今认识不一， 也没有对波磨的预防提出有效措施，各国公认的解决办法就是被动地对钢轨进行人工打 磨。 波磨按其波长特征，有长波( 波长约2 0 0 , 6 0 0 m m ) 与短波( 波长约3 0 - - 8 0 m m ) 之分，一般长波主要出现在小半径曲线上，而短波则主要出现在直线与大半径曲线上。 虽然钢轨表面的波浪形磨耗属于机车车辆轨道系统动力学问题，其产生和发展可能与 机车车辆轨道系统某几种振动相关联，但影响列车振动的不确定性因素太多，因此根 据所看到的文献，迄今为止国内外对波磨问题的研究完全采用的是试验手段。 轮轨磨耗问题是铁路工程中十分复杂而又迫切需要解决的问题，其解决与否直接影 响到铁路的快速发展。虽然这些问题涉及到固体力学、车辆动力学、材料、冶金、金属 化学等等许多研究领域，但归根结底都与轮轨间的接触力直接相关，因此，在发展轮轨 4 第一章轮轨关系研究概述 蠕滑理论和滚动接触力学的基础上，有效地利用数值计算和实验手段，准确地得出在各 种运行状态下轮轨间接触力的分布及其变化规律是首要的任务。 1 3 减缓轮轨磨耗措施的研究概况 磨损是摩擦学( 摩擦、磨损、润滑) 三大课题之一，也是机械零件失效的主要原因 之一。除了铁路工业的磨损问题之外，其他机械工业的各种机械零件的磨损所造成的能 源和材料消耗更是十分惊人的。据统计，世界工业化发达的国家能源约3 0 是以不同形 式消耗在磨损上的，如在美国每年由于摩擦磨损和腐蚀造成的损失约1 0 0 0 亿美元，占 国民经济总收入的4 ；据我国有关部门的不完全统计，每年磨损造成的损失达4 0 0 亿 人民币，能源的消耗仅大庆油田的粗略估计，每年总能耗的1 3 1 2 是无用耗损。 因此，随着科学技术的发展和进步，世界各工业技术发达的国家都非常重视磨损问 题，通过不断的探索和实践，在创造和开发新型工程耐磨材料、改善材料表面性能等方 面做了大量的工作，有效地提高了耐磨损零件的使用寿命，减低了能耗。 目前，世界各国减缓轮轨磨耗的措施主要有：优化轮轨型面、实行轮轨润滑、对轮 轨表面进行冷、热处理以及为了减低轮轨间动载荷而改进机车车辆和轨道附属结构的动 力性能等等。这些减缓轮轨磨耗措施在世界各国铁路上得到了很好的应用，并且不同程 度上减轻了轮轨的磨耗，延长了轮轨的使用寿命。 1 3 1 磨耗形踏面的研究概况 目前铁路上最常用的轮对形式是磨耗型踏面轮对和锥型踏面轮对，其中锥型踏面由 两段不同斜率的直线构成。在线路运营过程中，锥型踏面新车轮踏面和轮缘逐渐磨损且 在运营初期发展较快。但经过若干公里运行之后，轮轨接触表面因变形流动和磨损而逐 渐磨合并且硬化。经过机械加工使磨损后的踏面车轮恢复原形时，需旋削去除大量的金 属材料，而旋削后的车轮再经过一段时间使用后又将成为磨损形状。因此不少国家的铁 路部门把这种磨损后的车轮踏面和钢轨形状定为标准形，从而达到减轻新轮新轨之间磨 损的目的。 早期踏面外形优化设计是从模仿磨耗后踏面外形开始的。锥型踏面形状有一些共同 的缺点：其一，不能保证一点接触。在轮对受到横向力时，车轮与钢轨之间呈两点接触 状态，并发生突然冲击：通过曲线时，两接触点中至少有一点发生滑动，对轮缘磨耗非 常不利；其二，踏面中部形状与钢轨头部的形状不匹配，特别是与磨耗以后的钢轨形状 不致，运用初期的踏面中部磨耗较大。 由于磨耗后的踏面呈凹形，所以磨耗形踏面也称凹形踏面。磨耗形踏面是以下述规 律作为主要设计依据的：即无论踏面或钢轨顶面的初始形状如何，经过一定时间的运用 以后，它们都趋向于一种稳定的磨耗状态后的形状，应该以这种磨耗后的形状作为初始 形状，这就是通常所说的磨耗形车轮踏面和磨耗形钢轨断面。踏面磨耗以后的形状是各 s 大连交通大学工程硕士学位论文 不相同的，但是从统计的观点来看，它们均趋向于一种“平均”的磨耗形状。 1 9 4 1 年，德国人h e u m a n n 最早提出了磨耗形踏面车轮的设想，1 9 5 3 年2 月，联邦 德国国营铁路把它定型为标准型，用于所有蒸汽、电力和内燃机车以及某些动车组上。 据介绍，新轮箍走行里程比旧外形延长了3 0 。之后，联邦德国在m i n d e n d e u t z 转向 架上进行了三种轮箍外形的比较试验：1 4 的锥形轮箍、o r ec 9 “磨耗”形轮箍和1 9 6 4 年由m f i l l e r 提出的d b i i 型踏面。据报道，1 9 7 0 年联邦德国将d b i i 型踏面定为标准 型，机车车辆全部采用d b i i 型磨耗形踏面，每年能节省的开支折合人民币8 0 0 万元。 英国、法国、前苏联、日本、美国和加拿大等国也对踏面进行了广泛的试验研究， 并先后设计和采用了各自的新型踏面车轮。磨耗形踏面在减少轮轨磨耗方面取得了很好 的效果，减少其磨损后的金属切削量并能延长轮轨的使用寿命，目前已经在世界各国被 广泛的使用，并获得了巨大的经济效益。 我国对磨耗形踏面的研究工作起步较晚。七十年代初，开始注意到国外在这方面的 研究和试验情况乳2 9 j 。1 9 7 3 年开始，四方车辆研究所对现场进行了几次调查研究，并 测绘了近8 0 0 个车辆和机车车轮磨耗后的踏面形状和部分钢轨顶面的磨耗形状，对这些 形状作了分析和统计处理，从而得到了我国踏面磨耗后的平均形状。以后又对踏面和钢 轨的接触情况进行了详细的分析研究，对于轮对偏磨、轮对的冲角和导前量、轮轨间隙 和轮轨接触范围、脱轨安全性、左右滚动圆半径差以及轮对通过道岔等问题，都进行了 计算和分析。在这些基础上，首先设计出了s y 型磨耗形踏面。随后在s y 型的基础上， 根据装车运用试验和线路特点进行改进，先后设计出了s y - 1 0 、s y - 2 0 、s y - 3 0 、s y - 4 0 、 s y - 5 0 型踏面。1 9 8 8 年，我国铁道部规定l m 型和j m 型踏面为机车车辆用车轮磨耗形 踏面的标准型面l 3 0 j 。其中，l m 就是s y 一3 0 型，为车辆所用；j m 就是s y - - 5 0 型， 为机车所用。 四方车辆研究所在1 9 9 2 1 9 9 6 年期间为解决j m 型踏面磨耗过限问题，又设计了新 型机车用磨耗形踏面j m l 、j m 2 、j m 3 型，这几种踏面降低了轮缘的初始高度，从而放 宽了踏面磨耗限度。 广州机务段经过大量调查和分析，也先后设计了四种新型踏面g 1 、g 2 、g 3 、g 4 型。共n i 了1 9 6 个轮箍，分别装车3 0 台次进行试验，早期设计的g 1 、g 2 型的试验 效果不显著，g 4 型试验的数量不多，g 3 型装车数量较多，且取得了减少轮缘磨耗的明 显效果3 1 | 。 此外，西南交通大学和铁道部科学研究院都对磨耗形踏面开展了设计和试验研究工 作l 3 2 3 4j ，并在轮轨几何学的基础上编制踏面设计程序，经过大量的计算和分析，初步 设计出多种高速车轮的踏面。 在磨耗形踏面的设计中，轮轨接触几何参数是重要的基本问题，它直接或间接地影 响到轮对在直道上的对中、曲线通过、轮缘踏面和轨头的磨耗、高速运行的稳定性等多 6 第一章轮轨关系研究概述 方面的性能 a s o 我国的轮轨关系标准与其它国家相比有许多不同之处，这些标准涉及 的铁路基础设施和轮轨关系的一系列问题，都不能轻易改动。因此直接借鉴国外轮轨外 形是行不通的，必须从我国的实际情况出发，研制出有中国特色的轮轨外形匹配。 1 3 2 轮轨润滑的研究概况 近年来，国内外铁路普遍采用了轮轨润滑的方法减轻轮轨的磨耗，并取得了很好的 效果。轮轨润滑主要是使用专用的润滑装置给轮缘或钢轨侧面涂油，以降低轮缘与钢轨 间的摩擦系数，从而降低轮缘接触斑的摩擦力。国内外的研究和运用表明l 3 6 - - 3 9 j ，轮轨 润滑不仅可以解决轮缘和曲线外轨内侧的过早磨耗问题，而且还可以减少列车运行阻力 和减小脱轨的危险性。 1 减磨润滑轮轨、减轻磨耗、延长寿命 轮轨润滑不仅大大减轻了曲线区段的轮轨磨耗，而且对于直线区段也同样有效。美 国c e n t u r y 润滑剂公司开发了固体润滑棒轮缘润滑装置，经过装车试验发现，轮缘润滑 装置可以延长车辆车轮的寿命3 3 ，延长机车车轮的寿命5 0 ，延长钢轨寿命1 5 0 。 我国大连机务段通过研制轮缘润滑装置和润滑棒，使轮缘的磨耗率大幅度下降( 磨耗减 少5 3 ) ，旋轮问的走行里程从1 7 72 2 8k m 延长到3 7 01 7 4k m ，达2 0 9 倍之多。轮轨 润滑的减磨作用是不言而喻的。 2 节能诫少列车运行阻力，节省机车消耗能源 美国铁道协会( a a r ) 在普韦布洛的运输试验中心( t t c ) 的f a s t 环行道上进行了对 比试验。试验列车挂6 节车辆，此环行道中直线占5 5 ，3 5 度的弯道占4 5 ，坡度 达2 。在环行道上，6 节编组的列车以每小时6 0 英里( 9 7 l ( m ) 的速度在非润滑的轨道上 作稳速运行，平均消耗功率为4 1 4 k w ；在充分润滑的轨道上重复这种试验，测得的平均 功率消耗为2 7 0 k w 。这说明，在同样的区段驱动同样的列车可节省能量3 4 。再看一段 未润滑无坡度的直线，发现在水平直线上的平均消耗为3 4 5 k w 。这说明，占f a s t 环行 道上的平均消耗功率的8 3 ，显然另1 7 为弯道部分增加的能量消耗。可以说，在减 少的功率消耗中，在润滑了的直线上一定节约了很大部分的功率l 3 0 j 。 3 安全减小脱轨的危险性 对于轮轨间的相互作用而产生的车轮爬轨来说，较常用的评定指标是脱轨系数q p ， 它是同一瞬时作用在爬轨车轮上的横向力q 和垂向力p 之比。 现按偏安全的n a d a l 公式确定脱轨系数的临界值q p 来分析通过轮轨润滑降低摩擦 系数后的影响。 q胁口一 一：一 p 1 + t 锄口 式中，为轮轨间的摩擦系数，口为轮缘接触角。 7 ( 1 1 ) 大连交通大学工程硕士学位论文 q r , 临界位越小，表明脱轨的危险性越大。式中可见，在既定的轮缘接触角条件下， 随着轮轨间润滑后摩擦系数减小，q f f , 临界值增大，则脱轨的危险性减小。 当然，要防止脱轨，提高运行安全性，并不仅仅依靠轮轨润滑这一措施。要实行重 载运输也须待别注意优化列车操纵，防止列车的纵向冲动，防止曲线区段超速以及长大 下坡时列车前部的机车动力制动引起的侧向分力过大。对于新设计的机车车辆走行部则 应优先选型，力求转向架的动力学性能良好，轮轨间的动力作用小。但是，对于已经在 运用中的大量机车车辆来说，要大规模地改造其结构必然花费大量的人力、物力和资金。 因此，在现实的技术条件下，轮轨润滑将是比较简单易行而又安全有效的措施之一。 1 3 3 耐磨梯度材料的发展和应用 轮轨在加工制造过程中要经过多种冷热处理，比如对轮轨接触表层淬火、喷丸等处 理，这些处理的结果是使轮轨表面材料的晶粒细化和得到细珠光体组织，从而提高其强 度和韧性，是延长钢轨使用寿命的最经济和最有效的方法。热处理的硬化层形状、硬化 层尺寸、硬化硬度及硬化层金相组织与轮轨的使用寿命直接相关，这样一种硬化层实际 上是一种组织成分、机械性能呈梯度分布的材料。 近年来，功能梯度材料的科学与技术成为了备受关注的焦点。研究表明，某些具有 典型显微组织的材料，对其弹性模量引入控制的梯度，可以提高它对表面接触损伤的抗 力m 们。例如：一种由硅酸铝玻璃和氧化铝制备的梯度材料，在平行于压入表面的各平 面内是各向同性的，其表面层是氧化铝和4 2 体积分数的玻璃的复合材料( 有效扬氏模 量约为2 5 4 g p a ) ，而在表面下2 m m 处是1 0 0 的氧化铝( e = 3 7 5 g p a ) ，弹性模量的梯度 在深度方向按指数关系变化。这种梯度弹性复合材料有一个值得注意的性质，即弹性模 量在2 m m 以内变了5 0 ，但热膨胀系数及泊松比，对于氧化铝和硅酸铝几乎相同。当 用球来压入时，均匀的氧化铝、均匀的硅酸铝玻璃或者均匀的成分为含4 2 氧化铝的玻 璃的复合材料( 这个成分与梯度复合材料的表面层一样) 三者都形成了经典的h e r t z 圆 锥裂纹，开裂发生在接触区的边缘上( 此处有最大主拉伸应力) ，并进入到基体内。图 1 1 ( a ) 表示均匀的氧化铝中的一个横截面视图，它与压入面垂直，用箭头标示了h e r t z 圆锥裂纹。然而，当在表面层对梯度复合材料进行压入时( 氧化铝含量由从上到下的方 向增加，表面层垂直于这个方向) ，此时完全阻止了h e r t z 锥形裂纹的形成( 如图1 1 ( b ) 所示) 。图1 的结果表明，在某些情况下，单凭弹性模量的梯度就可以抑制接触对表面 裂纹的形成，从而提高接触损伤的阻力。 8 第一章轮轨关系研究概述 ( a ) 单氧化铝承受球形压入后形成的h e r t z 圆锥裂纹的横截面视图 ( b ) 在弹性梯度的氧化铝一玻璃复台材料表面，已观察不到h e r t z 圆 锥裂纹，只看到切截试样造成的孔洞。 图11 两种材料实验结果的比较 图1l 中的结果主要表示无摩擦的法向压入接触的情况，对于有滑动摩擦的情况， 实验结果也证明了弹性模量梯度具有益作用。当均匀的脆性固体，如氧化铝、或者玻璃、 或者具有确定含量的氧化铝和玻璃的复合材料，在承受硬球的滑动摩擦时，经典的叫“鲱 目状裂纹将在表面出现，这些裂纹的取向垂直于局部最大主拉伸应力。图l2 ( a ) 表示 在硅酸锚玻璃中用钢球滑动摩擦产生的“鲱骨状”裂纹。然而，当用球在梯度的氧化铝一 玻璃复合材料上滑动( 氧化铝含量及有效弹性模量随着接触面下的深度增加) 时，这样 的表面开裂延迟到很高的接触载荷才出现。此外，梯度的复合材料没有出现明显的“鲱 骨状”裂纹，而是发生较轻微的、不太严重的缓慢的失效过程( 图12 ( b ) ) 。 虽然以e 介绍的是在脆性复合材料中利用弹性梯度改善接触性能结果，但类似的方 法也可以用于弹性梯度金属及金属一陶瓷复合材料。有限的几个计算表明，在弹塑性形 变发生时也可以获得这样的益处。 前面介绍的是通过单方向改变弹性模量变化而抑制表面裂纹的问题，这时在材料中 保持横向的弹性各圳司性。从实验和理论上都可以证明，通过选择在厚度方向上复合材 料层板其功能随纤维的轴向变化( 即弹性性质在垂直厚度方向的平面内备向异性) ，可 以显著改变压入强度。 大连交通大学丁程硕l 学位论文 这些结果为表面工程提供很多可能性以增强接触和摩擦损伤的阻力。其应用可包括 齿科、骨科和整形术的植入装置、高速公路和飞机跑道的表面层、齿轮的轮齿、轴承、 飞机或陆用燃气发动机、容易受接触损伤的承载部件，以及机械与非机械耦合系统的保 护表面( 如磁存储装置) ，等等 4 0 j 。 霆 麓 慧 、厂 鬻 ( a ) 硅酸铝玻璃受到钢球滑动时产生的鲱骨状裂纹： ( b ) 梯度的硅酸锅一玻璃复台材料承受同样的滑动实验， 已霜不到鲱哥状裂纹，只见i 0 轻微的显微扦裂。 蚓12 在有脖擦的接触载荷作用r 的历种材料实验结果的比较 区| 此，耐磨材料或耐磨技术的功能梯度材料将成为控制材料磨损的有效手段。在轮 轨表层加入减摩材料同样可以降低轮轨的磨损、提高轮轨使用寿命，将这项技术应用于 铁路，尤其是高速铁路将具有广阔的发展阿最。 14 本文的研究内容 机车车辆在运行过程叶 ，m f 轮轨相互作用及不同的运行状志引起滚动、滑动摩栋 i 0 淤 第章轮轨关系研究概述 导致轮轨磨耗。这是一种十分复杂的现象，其主要影响因素如下：轮轨的材质性能( 化 学成分、组织和硬度等) ；载荷条件( 轴重、横向力、牵引力、制动力) ；轮轨的几何形 状；轮轨的相对位置( 冲角、轮缘贴靠钢轨时形成的两点接触或共形接触) ；运行环境 ( 轮轨的潮湿程度、油污、撒沙等) 等。由于影响轮轨磨耗的因素很多，在不同的运行 条件下磨耗的机制也有所不同，因此，必须根据机车车辆的实际运行条件，尽可能地考 虑各种影响因素来分析轮轨磨耗问题。 本文的研究内容安排如下： 第一章介绍了当今世界铁路的发展现状，对铁路发展过程中出现的轮轨疲劳磨损 问题进行详细的论述，并指出了轮轨关系研究的重要性。阐述了磨耗形踏面、轮轨润滑、 耐磨梯度材料的应用和发展，以及在减缓轮轨磨耗中的作用。 第二章论述了参变量变分原理及基于此原理的有限元参数二次规划法对轮轨接 触问题求解过程，阐述了子结构技术在有限元方面的应用。 第三章根据机车车轮和标准钢轨的真实几何尺寸，建立三维轮轨弹性和弹塑性接 触的有限元计算模型，对锥形踏面车轮与轨道单点接触、轮缘贴靠钢轨时形成两点接触 的轮轨接触状态、轮轨接触力进行了详细的计算，并且对在不同的轴重、牵引力和摩擦 系数下的计算结果进行了详细的讨论分析和比较，得出了轮轨接触力随这些参数变化而 变化的规律，这些规律与试验以及实际工程应用完全吻合。 第四章介绍几种在国内外具有代表性的机车车轮踏面型谱，建立了几种磨耗形踏 面车轮与轨道接触的三维弹塑性计算模型，比较分析了在不同工况下的计算结果，指出 了磨耗形踏面比锥形踏面更耐磨的根本原因。 第五章建立在列车通过曲线和直线蛇行产生轮缘贴靠时轮轨两点接触的计算模 型。比较在各种载荷作用下润滑与未润滑的轮轨接触力及应力的分布情况和变化规律， 从而分析轮缘润滑的减磨机理。 第六章应用有限元参数二次规划法，建立梯度材料的轮轨计算模型，进行各种载 荷工况下弹塑性接触计算。详细分析比较了不同载荷作用下的轮轨接触应力场，以及对 钢轨磨耗的影响。这对于耐磨梯度材料在轮轨中的应用具有重要意义。 第七章总结了本文的主要研究成果，对如何深化轮轨关系的研究提出了展望。 大连交通大学工程硕士学位论文 第二章计算理论与算法 2 1 轮轨接触理论的研究进展 目前常用的计算轮轨接触力( 或称为蠕滑力) 的理论模型有以下几种：( 1 ) h e r t z 接触理论；( 2 ) c a r t e r 的二维弹性接触理论；( 3 ) k a l k e r 简化理论；( 4 ) k a l k e r 三维弹 性体非h e r t z 滚动接触理论 9 0 年代初，k a l k e r 完成了三维弹性体非h e r t z 滚动接触理论。该理论是从虚功原理 出发，导出最小余能原理，在变分原理的基础上，采用数学规划法进行求解。但由于该 理论在数值实现过程中借助b o s s i n e s q 和c e r r u t i 弹性无限半空间力位移公式，无法准确 地求解列车轮缘与钢轨贴靠时产生的两点接触( 对锥形踏面) 或共形接触( 对磨耗形踏 面) 问题。 我国的研究人员也在轮轨滚动接触问题的理论和试验研究方面做了大量的工作。其 中，西南交通大学的沈志云教授及其合作者改进了v e r m e u l e n j o h n s o n 的三次曲线型蠕 滑率力计算模型，使计算结果更加接近实验值。这一理论也是目前国际车辆动力学研究 中得到广泛应用的理论之一。金学松、刘启跃、张卫华等对三维弹性体非h e r t z 轮轨滚 动接触的接触力率进行了详细的分析，并编制了非h e r t z 蠕滑力数表t p l r ，以方便 车辆动力学仿真计算的快速查找，同时还对k a l k e r 蠕滑理论的发展和应用作了详细的讨 论。 以上所介绍的理论及数值计算基本上都是针对轮轨的单点接触问题，而对轮缘贴靠 时形成的两点接触和共形接触的研究，却不尽如人意。许多研究人员对此研究了多年， 提出了简化计算办法：首先按非h e r t z 问题求解法向接触问题，将所得的接触区等效为 椭圆，再按椭圆接触区计算切向接触力。这样的解决办法在接触面情况复杂的时候，计 算误差相当大，甚至会导致错误的结果。而对于轮轨磨耗问题，无论是轮缘和轨侧的磨 耗，还是钢轨的波浪形磨耗，都与车轮轮缘贴靠钢轨时形成的两点接触或共形接触有直 接的关联，其求解的准确性是分析解决轮轨磨耗问题的前提条件。 另外，迄今为止对轮轨关系都是按弹性接触问题进行研究的，但试验和数值分析均 表明，当轴重为2