【博士】現(xiàn)代運(yùn)輸條件下鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞傷損研究【2009】

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　　學(xué)科專業(yè)：道路與鐵道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院　　學(xué)位年度： 2009年　　現(xiàn)代鐵路運(yùn)輸發(fā)展方向是客運(yùn)高速化和貨運(yùn)重載化。隨著客運(yùn)列車運(yùn)行速度提高和貨運(yùn)列車軸重增加，鋼軌受力狀態(tài)更加復(fù)雜，產(chǎn)生了各種傷損。滾動(dòng)接觸疲勞是其中一種重要的傷損形式。滾動(dòng)接觸疲勞傷損不僅增加鐵路的運(yùn)營(yíng)成本，而且導(dǎo)致軌面不平順，影響列車運(yùn)行品質(zhì)，同時(shí)引起惡性循環(huán)使輪軌間沖擊力增大，進(jìn)一步加快鋼軌傷損的發(fā)展，甚至造成鋼軌斷裂，直接危及行車安全。因此，鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞機(jī)理及防治措施研究對(duì)減緩鋼軌傷損，提高列車運(yùn)行品質(zhì)，增加鐵路運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益和保證行車安全都有重要意義?！　L動(dòng)接觸疲勞傷損主要表現(xiàn)形式是疲勞裂紋。本文以疲勞裂紋為研究對(duì)象，以彈塑性力學(xué)、損傷力學(xué)、概率論、斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，建立了隨機(jī)荷載作用下疲勞裂紋萌生壽命概率預(yù)測(cè)模型和疲勞裂紋擴(kuò)展分析模型；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合疲勞裂紋和磨耗相互關(guān)系與壽命周期成本分析原理，提出了鋼軌打磨參數(shù)確定方法。主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)為：　　(1)建立考慮靜水壓力影響的疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測(cè)模型。根據(jù)彈塑性力學(xué)的應(yīng)變能原理，分析了靜水壓力對(duì)疲勞裂紋萌生的影響，提出了靜水壓力對(duì)疲勞裂紋萌生壽命影響的修正公式。　　(2)提出材質(zhì)參數(shù)對(duì)疲勞裂紋萌生壽命敏感度分析方法。以疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測(cè)方法為系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，采用單參數(shù)敏感性分析方法，分析了鋼軌材質(zhì)參數(shù)(彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度)對(duì)疲勞裂紋萌生壽命的影響，計(jì)算了各參數(shù)的敏感度因子。　　(3)鋼軌材質(zhì)疲勞性能隨機(jī)性研究。根據(jù)材質(zhì)敏感性分析結(jié)果確定影響疲勞裂紋萌生壽命的主要材質(zhì)參數(shù)，以這些材質(zhì)參數(shù)為變量，利用四點(diǎn)關(guān)聯(lián)法和蒙特卡洛模擬方法，分析了鋼軌疲勞參數(shù)分散性；根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，確定了疲勞參數(shù)分布類型。　　(4)提出隨機(jī)輪軌力作用下疲勞裂紋萌生壽命概率預(yù)測(cè)模型。以重載鐵路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為樣本，利用參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)方法，確定輪軌力幅值和頻率特征，進(jìn)而根據(jù)輪軌力分布特征編制荷載譜。根據(jù)荷載譜作用下鋼軌損傷和疲勞參數(shù)分布類型，利用累積損傷理論，建立隨機(jī)荷載作用下疲勞裂紋萌生壽命概率預(yù)測(cè)模型?！　?5)提出彈塑性狀態(tài)下疲勞裂紋擴(kuò)展分析方法。根據(jù)試驗(yàn)觀察的裂紋尖端特征，建立鈍形疲勞裂紋模型；以裂紋尖端滑動(dòng)位移為斷裂參量，依據(jù)有限元原理建立節(jié)點(diǎn)位移與斷裂參量關(guān)系，分析彈塑性情況下疲勞裂紋擴(kuò)展特性。　　(6)提出確定鋼軌打磨參數(shù)方法。根據(jù)裂紋長(zhǎng)度與深度幾何關(guān)系、裂紋長(zhǎng)度與通過(guò)總重關(guān)系和裂紋擴(kuò)展速率與裂紋長(zhǎng)度關(guān)系圖，確定了裂紋深度擴(kuò)展速率與通過(guò)總重關(guān)系圖。利用裂紋深度擴(kuò)展速率與通過(guò)總重關(guān)系圖和磨耗速率與通過(guò)總重關(guān)系圖，分析裂紋擴(kuò)展與磨耗的相互關(guān)系。通過(guò)對(duì)裂紋擴(kuò)展與磨耗相互關(guān)系分析，引入了最佳磨耗速率概念。根據(jù)最佳磨耗速率概念，提出了鋼軌技術(shù)性打磨周期的確定方法。隨著打磨技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，鋼軌打磨已經(jīng)成為養(yǎng)護(hù)維修的中的日常作業(yè)項(xiàng)目。因此，從壽命周期成本角度，提出鋼軌經(jīng)濟(jì)性打磨周期確定方法?！　?

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