1、中南大学网络教育学院专科毕业大作业学习中心： 专业： 机械电子工程 题目： 城轨车车轮踏面外形对轮面疲劳损伤研究学生姓名： 学号： 09111520016045 评定成绩： 评阅老师： 2011 年 06 月 10 日内容摘要轮轨滚动接触疲劳一直是铁路工业中难以解决的老问题。人们采用了各种方法和措施来阻止和减少它的危害，如研制轮轨新材料、优化轮轨型面匹配以减少轮轨接触应力、以及改善轨道和车辆结构性能来减少轮轨之间的动力作用等，但效果不显著。轮轨滚动接触疲劳的破坏现象主要为轮轨接触表面剥离、压溃、龟裂、波浪形磨损、轮缘磨损和钢轨侧磨及断裂等。这些破坏现象和很多因素有关，本文主要针对踏面几何形状的
2、变化对轮轨接触应力的影响进行研究。 接触表面磨损是轮轨表面材料在接触力反复作用下的疲劳破坏结果。轮轨材料从表面到深度领域内的疲劳破坏现象主要由较大的且反复作用的轮轨接触应力引起。本文用赫兹接触理论推导接触应力计算公式，对轮轨接触应力进行了详细的计算，并研究了影响轮轨接触应力的各种因素。本课题将通过查阅资料，根据国内外对接触磨损的评价标准，重点对 LM车轮踏面在 P60 轨道下进行了计算，分析了不同轨底坡和踏面形状对接触应力产生的影响，得到了各种不同工况下合理的轨底坡、踏面形状和轮轨组合，为工程实际提供理论依据。关键词：接触应力，踏面形状，接触应力曲线I第 1 章 绪论1.1 研究背景1.1.1
3、 世界城市轨道交通概况城市轨道交通是指在轨道上行驶或以导向系统行驶的、服务于城市的交通。作为城市公共交通系统的一个重要组成部分，目前城市轨道交通有地铁、轻轨、市郊铁路、有轨电车以及悬浮列车等多种类型，号称“城市交通的主动脉” 。国外城市轨道交通起步较早，德国、美国、日本等国都已形成完善的城市轨道交通网络。世界上第一条城市轨道线是 1882 年在巴黎诞生的，最初原型只不过是一种仅供 14 人乘坐的单向“公共汽车” 。它有固定的线路、价格和停靠点，随后演变成用马拉的轨道车。工业革命后，随着城市的发展，城市轨道作为一种新型的交通工具，逐步走上了历史的舞台。它的不断发展进步，反过来加速了城市化的进程，
4、使现代城市的社会、经济功能日益加强。从目前的态势看，轨道交通将成为世界城市交通的发展方向 。1.1.2 我国城市轨道交通现状由于经济实力和技术水平的限制，中国城市轨道交通建设起步较晚。在2000 年之前，全国仅有北京、上海、广州三个城市拥有轨道交通线路。进入 21世纪以来，随着中国经济的飞速发展和城市化进程的加快，城市轨道交通也进入大发展时期。截至 2007 年 12 月 31 日，中国已经开通运行轨道交通的城市 12个（含香港、台湾地区） ，其中大陆 10 个城市通车线路总计达 30 条，通车总里程 729 公里。截至 2008 年 9 月，中国城市轨道交通运营里程已从 1995 年的 43
5、 公里增加到 775.6 公里。全国“十一五”期间计划建设 1500 公里左右轨道交通，总投资额在 4000-5000 亿左右。预计到 2050 年中国城市轨道交通线路总长将超过4500 公里。中国的城市轨道交通行业步入一个跨越式发展的新阶段，中国已经成为世界最大的城市轨道交通市场 。1.2 国内外轮轨表面接触损伤的研究现状城轨车辆因接触疲劳而导致车轮、钢轨的服役寿命严重降低。为了减小轮轨接触应力，降低轮轨磨耗与疲劳损伤，人们采用了各种方法和措施来阻止和减少它的危害，如研制轮轨新材料、优化轮轨型面匹配以减少轮轨接触应力、以及改善轨道和车辆结构性能来减少轮轨之间的动力作用等，但当车轮在钢轨上高速
6、滚动时，由于轮轨之间的纵横向蠕滑和相对滑动的存在，使得轮轨滚动接触力学行为十分复杂 。轮轨滚动接触疲劳的破坏现象主要为轮轨接触表面剥离、压溃、龟裂、波浪形磨损、轮缘磨损和钢轨侧磨及断裂等。为促进这世界性难题的研究，国际车辆动力学会议(IAVSD)、国际轮轨系统接触力学和磨耗会议、国际轮轴大会等设专题交流讨论该问题的研究情况。在该研究领域一直处于领先地位的是欧洲铁路联盟、日本和美国。我国也积极开展了该领域的研究工作 。1.3 轮轨表面接触损伤的内容及研究动向1.3.1 钢轨与车轮的磨损损伤性质钢轨表面损伤大致可以分为侧面磨损和踏面磨损两种。侧磨多发生在弯道地区。踏面磨损可分为：剥离掉块、踏面塑性
7、变形或踏面压溃、波浪磨耗等。其破坏机理有：1）车轮轮缘与钢轨轨内侧的磨损；2）车轮与钢轨的剥离磨损。轮轨接触应力超过轮轨材料的屈服极限值，在反复载荷的作用下，最后造成轮轨剥离。3）钢轨的压溃。重载线路上的主要损伤类型，由钢轨连续的塑性变形所导致。4）钢轨波浪形磨损。1.3.2 从轮轨接触关系分析轮轨表面磨耗的影响因素1）轮轨接触状态。车辆运行中车轮与钢轨之间的接触状态可能有两种，即一点接触和两点接触。轮对相对轨道的移动量不大时，一般出现车轮踏面与钢轨顶面相接触，称为“一点接触” ；当轮对相对轨道的横移和摇头角位移量超过一定范围，根据不同轮轨形状特点可能引起车轮踏面和轮缘同时与钢轨顶面和侧面接触
8、，即“两点接触” 。轮轨形面设计时应尽量避免两点接触并尽可能减小两接触点之间的垂向距离以减少轮轨磨损。2）与轮对的横向和偏转运动有关的瞬时接触点。如果接触点被局限在一个有限的区域，会使这个区域出现局部磨耗。3）接触应力。踏面的接触应力大，磨耗就快。接触应力过大时，踏面会发生片状剥离，磨耗更为加快 810。1.3.3 滚动接触疲劳损伤机理 根据著名的赫兹理论，接触面大小和其上的压应力可以用下式求得 2152.RELFb21max2式中： b接触面半宽；L滚子宽度；F法向力；R滚子半径；E综合弹性模量；最大压应力。maxz可推导得到最大剪应力 （ ）处于表面下 处(max45maxax453.0.
9、zmZ=0.786 )， 是脉动循环。另外，平行于接触表面且为对称循环交变切mZax45应力 的最大值 位于接触表面下 、 处，0m0bZ.0by85.。两圆柱体接触时，接触疲劳裂纹萌生的深度以及 引起 裂 axmax26.z纹形 成 的应 力 目前 主 要认 为是 由 于 、 引起的，但是对于这max45ax0两个不同的应力所起的作用还存在着争议。由 Lunberg paimgren 理论分析可知，接触疲劳源是在最大对称循环正交切应力 作用下产生的而后又在脉动循环max0切应力 和 联合作用下产生次生裂纹，逐渐向表面扩展。接触面之间max45ax0有不同的接触状态，赫兹解 和 是针对接触面上
10、无切向摩擦力的静接maxzax45触问题做出的，用赫兹解来描写各种运动状态下的接触特征就不太合适。但是也有观点认为 起主要作用疲劳裂纹萌生于接触表面下 0.786b 处。在这些力max45的交变作用下导致微观组织结构的塑性变形，在距接触表面下一定位置处的夹杂、第二相、晶界等处小裂纹萌生，由于组织塑性变形，疲劳抗力下降，导致各小裂纹贯通相联，从而产生初期裂纹，并逐步蔓延，经过损伤的积累导致接触疲劳损伤 1114。1.3.4 研究动向解决轮轨滚动接触问题应该要研究两个关键问题 ： 1 ) 轮轨新材料的研究；2 ) 降低轮轨之问的动力作用。过曲线时为了减少轮对对轨道的横向冲击作用，导向径向转向架 、
11、迫导向转向架 、独立轮对和转向架后轮对悬挂系统纵向刚度不对称等技术的应用，可达到此目的，高阻尼合金钢钢轨的使用和保持轨道结构良好的弹性，可以降低轮轨接触刚度和缓冲轮轨间的作用，而且也可以有效地降低轮轨接触应力 57。1.4 本课题研究内容及意义本课题依据轮轨实际滚动接触状态，利用 NURBS 曲线描述轮轨外形，用Matlab 自编程序计算不同轮轨匹配、不同轨底坡下的轮轨接触应力曲线，分析踏面外形、钢轨外形、轨底坡对轮轨接触应力的影响。然后根据 NURBS 曲线的特点，改变踏面外形不同区域上的曲线形状，再次进行接触应力计算，分析踏面外形不同区域对接触应力的影响程度。研究过程中的数值计算结果还将对
12、我国城轨车辆轮轨结构的合理选择及降低轮轨疲劳损伤和磨耗提供重要的理论参考依据。第 2 章 轮轨踏面外形的 NURBS 表示及其几何特性2.1 轮轨踏面外形的 NURBS 表示2.1.1 国内外主要轮轨踏面外形简介多年来，我国铁道车辆车轮踏面一直采用锥形踏面，即 TB/T449-1976机车车辆用车轮轮缘踏面外形 。目前应用比较广泛的有：我国机车用 JM、JM 2、JM 3踏面系列，车辆用 LM 踏面，高速动车组用 LMA 踏面，欧洲铁路联盟（UIC）的S1002 踏面，日本的 N 型踏面等。我国磨耗型钢轨主要有 43kg/m、50kg/m、60kg/m 和 75kg/m 四种类型，俗称“43
13、轨” 、 “50 轨” 、 “60 轨 ”和“75 轨” 。43 轨主要用于地铁、轻轨等城市轨道交通车辆段内线路，50 轨主要用于地铁、轻轨等城市轨道交通正线及大铁车辆段内线路，60 轨广泛用于铁路既有客货混跑线路和高速铁路线路，75 轨主要用于铁路重载货运线路 1819。2.1.2 NURBS 简介NURBS 是 Non-Uniform Rational B-Splines 的 缩 写 ， 即 非 统 一 有 理 B 样 条 。NURBS 是 一 种 非 常 优 秀 的 建 模 方 式 ， 在 高 级 三 维 软 件 当 中 都 支 持 这 种 建 模 方式 。 在 3D 建 模 的 内 部
14、 空 间 用 曲 线 和 曲 面 来 表 现 轮 廓 和 外 形 。 它 们 是 用 数 学表 达 式 构 建 的 ， NURBS 数 学 表 达 式 是 一 种 复 合 体 20。2.1.3 NURBS 表示踏面外形原理1、NURBS 曲线方程及有理二次贝齐尔曲线k 次 NURBS 曲线由式（2-1 ）表示：（2-1）nik,ii,iuNu0dp式中 （ ）称为权或权因子（weights） ； （ ）称为控制in,10 idn,10顶点，顺序连接成控制多边形。 是由节点矢量uk,i（2-2）10kniu,U决定的 k 次规范 B 样条基函数。对于 NURBS 开曲线，常将两端节点的重复度取为
15、 k+1，即 ， 。在实际应用中，端点值分k10 121knnu别取为 0 和 1。因此，有曲线定义域 。特殊地，当 时，0,2kn有有理二次贝齐尔曲线表示形式，如式（2-3）所示。（2-3 ）1121202 u,uubbp式中 、 、 是控制顶点， 、 、 0 为相联系的三个权因子。节点矢0b201量为 。一U若固定首末权因子 ，就只剩下一个可调的内权因子 ，这样给201出的有理二次贝齐尔表示称为有理二次贝齐尔曲线的标准型。对于标准型有理二次贝齐尔曲线，可按内权因子 的取值范围直接判别有理二次贝齐尔曲线的1形状类别： 一一一一一一一 一0-1,20 1210b bb2、直线及圆弧的有理二次
16、NURBS 表示（1）直线的有理二次 NURBS 表示直线段 如图 3-1 所示。令 ， ，公式20b201/b1210（2-3）可以写为（2-4 ）21021bptttt,t其中节点矢量 。一T图 2-1 直线段的有理二次 NURBS 表示（2）圆弧的有理二次 NURBS 表示如图 2-2 所示，从 到 扫过一段中心角等于 的圆弧。 为控制多0b22210b边形， 、 分别为圆弧端点的切线方向，且 。 为等腰三角形10b2 210b的底角，权因子分别取 ， ，公式（2-3）可以写为2 120cos（2-5 ）1cs22tttt bbp 1,0t其中节点矢量 。0一T图 2-2 圆心角小于 90 圆弧的有理二次 NURBS 表示
