高速列车轮对疲劳寿命预测研究

高速列车轮对作为重大装备高速动车组走行部的核心部件之一，是承载和传递列车牵引力、制动力和轮轨作用力的唯一载体，轮对的高疲劳可靠性是保持高速列车安全平稳运行的关键技术之一。轮对疲劳可靠性包括轮对的结构疲劳可靠性和车轮滚动接触疲劳可靠性，轮对的结构疲劳如车轴裂纹、断裂和车轮裂纹等，取决于作用在轮对上的动载荷（包括轮轨作用力、轴箱悬挂载荷、牵引、制动载荷等）和轮对惯性载荷。轮轨接触疲劳如踏面剥离、压溃、龟裂等取决于轮轨接触区域的应力分布和变化。本项目将通过建立包含柔性轮对和轨道的高速车辆－轨道刚柔耦合和机电耦合动力学模型，研究列车在牵引、制动非稳态和高速运行条件下轮轨动力作用、轮对结构弹性对动力学性能的影响以及轮对的结构动应力；建立基于弹塑性摩擦接触理论的轮轨非线性有限元模型分析在不同工况下车轮踏面的接触动应力，由此构建高速列车轮对在全服役期间的疲劳评估模型，并分析和预测其疲劳寿命。

本项目重点研究轮轨滚动接触疲劳（RCF）问题，特别是轮对在纵向大蠕滑比如牵引和制动等非稳态运行工况下轮轨动作用力获取、轮轨接触应力分布、轮对疲劳损伤评价等。应用弹塑性力学、车辆刚柔耦合系统动力学、有限元和碰撞理论，建立适宜的轮轨系统动力学模型、轮轨接触应力分析模型，研究轮对在不同运行状态及外界激扰下的轮轨动作用力和应力分布，并评价这些模型和研究的正确性和适应范围，应用疲劳损伤预测模型研究车轮踏面疲劳损伤。通过项目研究，重点解决了以下四方面的关键科学问题并取得研究相应研究成果。.1）在MapleSim环境下，建立了考虑高速轮对旋转过程中弯曲变形引起耦合惯性力影响的单柔性轮对—钢轨动力学模型和基于该模型的高速车辆系统动力学模型，重点研究了高速轮对旋转过程弹性变形引起的耦合惯性力对轮轨之间动态作用力的影响。分析表明：相比于低速和刚性轮对而言，高速轮对旋转运动和轮对弹性振动对轮轨间垂向和横向动作用力影响明显；轮轨作用力主要受到不同波长的短波不平顺所产生的激扰频率和轮对旋转频率两者共同的影响。.2）建立了分析轮轨滚动接触应力的柔性单车轮-轨道和柔性轮对-轨道的“虚拟碰撞”模型，研究了不同轮轨纵向蠕滑率、轮轨高频载荷、不同轴重等对轮轨动态接触应力的影响。模拟分析了列车在起动加速时轮轨接触斑内的接触力和在最大载荷下的接触应力分布情况。研究表明：车轮内部的应力状态在接触区踏面表面内4～5mm处出现Von-Mises应力和剪切应力峰值，接触疲劳产生及破坏将踏面的亚表层开始。.3）针对轮轨磨耗后出现的轮轨协调（共形）接触问题，提出了采用轮轨半赫兹接触理论来研究轮轨协调（共形）接触应力分布问题，编制了相应计算程序，实现对该工况下轮轨接触法向应力和切向应力的分布计算，解决传统赫兹理论和非赫兹理论在轮轨接触应力分析方面存在的不足。 .4）根据轮轨RCF问题的特点，一方面采用经典的Miner线性累计损伤理论，通过对平均应力的Goodman曲线修正方法来分析车轮疲劳损伤。另一方面基于德国FKM标准对车轮疲劳寿命进行评价和工程应用研究。.针对某型电力机车出现在低运用里程下的轮对踏面剥离现象应用本项目研究的“虚拟碰撞”模型及分析方法，开展不同运用条件和组合工况下车轮滚动接触应力和疲劳的应用研究。.此外，利用国际先进的轮对疲劳试验台，在车轴疲劳、车轴与车轮在压装区内疲劳问题等方面开展国际合作研究。