高速重载列车踏面制动过程热-机械-组织耦合求解及踏面剥离失效机理研究

With the rise of runing speed and axle load of the train, the tread spalling induced by the tread brake is worse. The tread spalling is gnerated from the phase transformation and crack growth induced by the thermal and machanical loads on the tread of wheel, and it shows a characteristics of nonlinear coupled thermal-mechanical-microstructure.For studying the machanism of tread spalling during the tread brake, the simulation of transient thermal-mechanical coupling process of heavy train in two modes of tread brake should be accomplished by the ABAQUS, then the transient thermal field and stress and stain distribution on the tread of wheel will be obtained. Based on the simulation results and thermal physical tests, the phase transformation condition and transformation volume of martensite will be determined, and the tread wear should be predicted to obtain the size of martensite white layer. In the end, the constitutive formulation of polyphase strcture on the tread surface can be obtained by the HEXRD and corresponding theoretical model,then the peridynamics model can be built by collecting the thermal and mechanical results to determine the location of crack initiation and solve the road and velocity of crack growth. It is very benificial to take steps to restrain the formation of martensite white layer and make a rational repair strategy to delay and prevent the severe tread spalling.

随着列车轴重和运行速度的增加，踏面制动过程中产生的剥离损伤越来越严重，其根本原因是车轮踏面表层在瞬态高温和高接触应力耦合作用下发生相变后裂纹萌生并扩展和相互贯通，呈现出热-机械-组织之间的非线性强耦合特性。为了研究踏面制动过程中车轮踏面剥离失效机理，首先基于ABAQUS软件完成高速重载列车在两种踏面制动规程下的三维瞬态热-机械耦合有限元模拟，得到车轮踏面瞬态温度场和应力、应变分布，在模拟结果基础上结合热物理模拟实验确定马氏体转变条件及转变体积分数，并预测踏面磨耗以确定马氏体白层形状尺寸参数，最后基于原位分析方法和现有理论模型得到踏面表层多相组织的本构方程，在此基础上提取温度和应力的有限元模拟结果建立近场动力学求解模型，得到踏面表层多相组织内部裂纹萌生位置、扩展路线和扩展速率，为制定合理的踏面镟修策略奠定理论基础，对延缓和预防踏面大面积非正常剥离失效非常有效。

重载列车紧急制动及长大下坡循环制动过程中踏面温度急剧升高导致车轮踏面的摩擦磨损机理与稳态运行时有显著差异。为了准确预测重载列车制动损伤，同时考虑踏面制动过程中轮轨滚动接触及轮瓦滑动摩擦，首先基于W-M 分形函数建立了双粗糙圆柱面介观尺寸模型并完成了双粗糙圆柱面高速干滑动摩擦过程热-机械耦合介观尺度仿真，得到了车轮和闸瓦滑动摩擦过程中粗糙表面瞬态温度场、应力场的分布，在此基础上结合闸瓦和车轮材料试样的高温销盘式摩擦磨损实验，分析了不同表面粗糙度、滑动速度、温度等参数对制动过程轮瓦摩擦系数的影响规律。并且对有限元软件ABAQUS进行二次开发，考虑制动温升对车轮踏面力学性能、硬度及摩擦因数的影响，建立了重载列车踏面制动过程热-机械耦合模型，仿真得到了制动过程中车轮踏面上瞬态温度、硬度、弹塑性应力应变、热应力和热应变动态变化，在此基础上回归得到了车轮踏面最高温度及制动结束温度与制动工况参数之间定量关系，并给出了制动过程踏面温度最高点温度变化曲线模型以及热应力预测模型，在此基础上采用GLEEBLE-3500热模拟试验对车轮钢试样同时加载仿真得到的制动温度曲线和轮轨接触应变载荷，结合金相显微镜观察了车轮钢试样在热-机械载荷耦合作用下的金相组织变化、晶粒尺寸。并且基于轮轨动力学软件 UM 模拟了重载列车在不同工况制动过程中轮轨接触斑形状以及轮轨蠕滑区相对滑移分布，在此基础上结合有限元得到踏面应力、硬度分布仿真结果，利用 Archard磨耗模型对制动结束后的踏面磨损深度进行了定量预测，并利用RDL-50试验机完成了车轮钢材料的高温拉伸试验，得到了不同温度下的力学性能和热物理性能参数，在此基础上计算车轮踏面损伤参量判断疲劳裂纹萌生位置，预测得到了不同轴重、不同闸瓦压力对制动过程车轮踏面疲劳裂纹萌生寿命的影响。本研究实现了紧急制动和长大下坡连续制动过程车轮型面轮廓动态变化、车轮踏面热磨损和疲劳损伤的定量预测，对进一步优化重载列车制动规程、改善车轮踏面制动热损伤并提高重载列车车轮使用寿命具有非常重要的经济价值和实际意义。