重载铁路轮轨损伤机理研究及其减缓措施

With the development of China heavy-haul railway transport, the wheel-rail damage accompanied with the problem of economic cost and operation safety has attracted wide attention. Because of its damage in the form of diverse and complex, the formation mechanism is not yet fully understood. This study will conduct extensive field investigation, such as tracking measurement the wheel-rail profile, hardness of material, rail head check, spall, rail corrugation and welded joints. A wheel-rail damage calculation model will be established, in which the coupling vehicle-track dynamic model considering the rigid-flexible characteristics of structure, non-Hertz rolling contact theory and wheel-rail material damage model are combined. Through the data and theoretical analysis, numerical simulation, the key factors of typical wheel-rail damage will be investigated, and the formation mechanism will be revealed combined with filed testing analysis. The study will analyze the impact of various factors on the heavy-haul wheel-rail damage, and propose some mitigation measures to prolong the wheel-rail using life. The result of the study will bring not only economic benefits, but is also the significant of operation safety of heavy-haul railway.

随着我国重载铁路运输的不断发展，重载轮轨损伤带来的经济成本和行车安全问题一直受到人们的广泛关注。由于其损伤形式的多样化和复杂性，其形成机理尚未完全弄清。本项目将首先对我国重载线路轮轨损伤情况进行现场调查分析，开展轮轨廓形和硬度的跟踪测试工作，跟踪测量不同地段不同位置处的轨头裂纹、踏面剥离、钢轨波磨和焊接接头损伤等发展规律。然后建立重载铁路轮轨损伤理论分析计算模型，模型中包含考虑结构刚柔特性的列车轨道垂横向耦合动力学模型、轮轨非赫兹滚动接触理论和轮轨伤损模型，并发展相应的数值程序。通过理论分析和数值模拟，研究典型轮轨损伤发生和发展的关键因素，结合现场测试和分析结果揭示其形成机理。在此基础上，分析多种因素对重载轮轨损伤的影响情况，并结合工程实践，提出相应的减缓措施以延长轮轨使用寿命。本项目研究不仅能带来重大的经济效益，而且对重载铁路运输的行车安全具有重要意义。

随着我国重载铁路运输的不断发展，重载轮轨损伤带来的经济成本和行车安全问题一直受到人们的广泛关注。由于其损伤形式的多样化和复杂性，其形成机理尚未完全弄清。本项目的主要研究工作体现如下：1）对我国重载线路轮轨损伤情况进行现场调查分析，掌握了重载铁路轮轨磨耗特性及其规律。2）利用建立的重载铁路车辆-轨道耦合动力学分析模型，详细研究了轮轨磨耗对轮轨力、运行安全和能耗的影响。3）结合车辆-轨道耦合动力学模型和轮轨磨损材料模型，发展了重载铁路轮轨磨耗预测模型，模型首次考虑了重载铁路踏面制动温升对车轮踏面磨耗规律的影响。4）结合三维轮轨接触有限元分析，发展了以降低轮轨接触应力为目标的钢轨打磨廓型优化设计方法，对标准轮轨廓型和磨耗后的轮轨廓型的钢轨打磨廓型进行了优化设计；5）建立了重载铁路轮轨弹塑性滚动接触疲劳伤损分析模型，研究了不同轮轨磨耗程度的轮轨滚动接触应力，揭示了轮轨磨耗与轮轨伤损的内在联系。6）基于现场调查试验和数值仿真，研究提出了重载铁路轮轨伤损的减缓措施，如：合理的轮轨界面摩擦管理、优化钢轨轨底坡和良好的钢轨打磨廓型能够有效降低轮轨接触载荷，减缓轮轨伤损；装备踏面清扫器、机车变速度运行以及改进车轮镟修工艺，能够有效消除或缓解车轮踏面非圆化磨耗，降低轮轨冲击作用，减缓轮轨冲击伤损。.项目执行期间，共发表论文22篇，其中SCI论文4篇，EI论文8篇。参加国际会议共13人次，其中口头报告5次。共培养已毕业博士1人、硕士5人，在读博士和硕士研究生5人。