重载轮轨型面磨耗损伤行为研究

With the increasing heavy haul load, speed and traffic volume, the wheel-rail wear shows a tendency to increase, which not only increase maintenance costs, but also endanger the train operation safety. This project will first conduct an in-depth filed observation on the wear status of wheel-rail profile, and track their evolution. At the same time, the rigid-flexible characteristics of structure will to be added in the coupling vehicle-track dynamic model, and the non-Hertz rolling contact theory is to be improved. Afterwards, a wheel-rail wear calculation model will be established, in which the vehicle-track dynamic model, the rolling contact model and the wheel-rail material wear model are combined. The developed calculation model can simultaneously analysis the profile wear of wheel and rail. Then this model will be used to study the influence of wheel-rail wear on dynamic performance of heavy haul train. Parametric analysis will be performed to study the key factors affecting the wheel-rail wear, to identify the causes of abnormal wear of wheel and rail. Based on the field study, the formation and development mechanism will be revealed, which provides theoretical guidance to ensure the safety operation of heavy haul railway. Finally, combing with the engineering practice some mitigation measures will be recommended to extend the re-profile/regrinding period of wheel/rail.

轮轨磨耗随着重载运输轴重、速度和日运量的不断提高而持续加剧，这不仅显著增加运营成本，而且还严重威胁行车安全。本项目首先深入现场，调查重载铁路车轮与钢轨型面磨耗状态，跟踪测量其演变规律。同时建立刚柔耦合的重载列车轨道耦合动力学模型；推进轮轨非赫兹滚动接触力学模型；随后将两者与轮轨材料摩擦磨损模型相结合，建立可以同时模拟车轮磨耗和钢轨磨耗的重载铁路轮轨型面磨耗理论计算模型，并发展相应的数值程序。通过理论研究和数值模拟，分析轮轨磨耗对重载列车动力学性能的影响，研究影响轮轨型面磨耗形成和发展的关键因素，找出轮轨异常磨耗成因，结合现场调研结果，揭示其形成机理，为确保大轴重快速重载列车在轮轨磨耗形成和发展状态下安全稳定地运行提供理论指导。最后，结合工程实际，提出减磨措施，延长轮/轨镟修/打磨周期。

本项目以重载铁路轮轨型面磨耗损伤行为为研究对象，针对货运列车运营环境多样化、轮轨磨耗损伤复杂化，按照项目原定计划展开研究，取得了一系列的成果。. （1）现场跟踪调查和测试了朔黄线上列车车轮与钢轨型面磨耗状态，包括轮轨表面硬度、车轮踏面外形、钢轨踏面外形、钢轨波磨、重载道岔磨耗情况等。掌握了该线路上典型的轮轨磨耗数据，这为后续研究工作提供了重要基础。. （2）推进重载货车-轨道耦合系统动力学模型，利用该模型研究轮轨磨耗对重载货车动力学性能、轮轨动力行为和安全性的影响。在该模型的基础上，考虑车辆纵向自由度和车钩缓冲特性，建立重载列车轨道系统三维列车-轨道耦合动力学模型，并发展其数值算法。利用所建模型，调查平纵断面曲线下车辆的动态响应，研究了机车直线段及曲线段牵引制动下的系统动态响应。. （3）基于重载列车轨道耦合动力学模型、轮轨非Hertz滚动接触模型、车轮磨耗模型、钢轨磨耗模型和磨耗叠加模型等建立了重载铁路轮轨型面时域磨耗理论模型，并发展相应的数值方法。基于现场调查和测试结果,理论模型得到了验证。利用该模型分析了轮轨型面磨耗的演变规律，揭示重载铁路轮轨型面一些异常磨耗的成因，并据此给出了减缓措施。. （4）根据现场实测轮轨型面数据，建立了轮轨弹塑性有限元模型。研究轮轨磨损状态对曲线区段轮轨匹配的影响，研究了多种车轮型面与12号单开道岔曲线尖轨接触问题。以改善轮轨匹配性能为目标，设计了不同的尖轨轨头型面，优化后的型面能够有效减缓尖轨磨耗，延长其使用寿命。. 课题研究成果可为重载铁路轮轨型面的设计、轮轨型面状态的监测和轮轨寿命的预测提供重要的理论依据。