轮轨滚动接触疲劳问题研究的最新进展_金学松

第 23 卷第 2 期 2 0 0 1 年 4月
铁 道 学 报 JO U RN A L O F T HE CHIN A R AI LW A Y SO CIET Y
V o l. 23 N o. 2 April 2001
文章编号 : 1001-8360( 2001) 02-009217
[11～ 13 ]
1 轮轨滚动接触基本理论的研究
轮轨滚动接触疲劳问题实际是研究轮轨之间相互 反复作用过程中 , 轮轨接触表面和其体内材料疲劳破 坏现象的发生和发展过程。 无论是理想的均匀轮轨材 料 , 还是带缺陷的轮轨材料 , 它们的力学行为是随轮轨 之间作用力的形式和重复作用的时间而变化的 。 如果 能够建立一个完整的力学模型和有效的数值方法 , 来 确定轮轨之间作用力的形式和轮轨相对运动之关系 , 并且能考虑到轮轨的真实几何型面、 真实的边界条件 、 材料的弹塑性变形和摩擦接触边界条件 (如表面粗糙 度 、不连续的接触表面和温度等 ) , 那么就为解决轮轨 滚动接触疲劳问题在理论上提供有效的方法。 但这是 相当困难的 , 目前在材料的弹性范围内 ,借助于弹性半 空间理论和 Coulom b 摩擦定律所建立的一系列轮轨 滚动接触蠕滑理论模型 , 已经满足车辆动力学仿真的 要求 , 但不适合用来分析和求解轮轨滚动接触疲劳 问题。 90 年代初 , Kal ker 利用经典弹性力学的余能变 分原理 , 建立了三维弹性体非赫兹理论模型 [6 ] , 即 δ C= δ {∑ [ a= 1, 2 [ 5]
Rolling contact fatigue of wheel / rail and its advanced research progress
JIN Xue -song , SHEN Zhi-yun
( Nat ional Traction Power Labo rat ory, South w es t Jiaot ong U niversi t y, Ch engd u 610031, China)
第 2期
轮轨滚动接触疲劳问题研究的最新进展
93
“高速列车轮轨系统动力学的研究 ( 59338150)”和 “ 轮 轨接触表 面波浪型磨损和 滚动接触疲劳的研 究 ( 59935100)” 的资助 ,全面开展了轮轨关系的理论和试 验研究。据笔者调查和不完全统计 , 近 10年来 , 涉及到 该领域研究内容的文章超过 400多篇 。 将其归纳起来 主要是从以下几个方面开展的研究: 三维弹塑性滚动 接触理论模型和数值方法 , 轮轨滚动接触疲劳破坏的 各种因素数值分析方法和试验方法 , 以及轮轨新材料 的研究 。
T a= 1, 2 V
a
T L g λ (L εσ) d T c
∫ [ 2 dεD dε~ g ~ (L λ ε] dA -∫ d p dud A } L p )d
db T du ]dV +
T c
1
A
c
c
ca
( 2)
T
c
A
pa
s. t. d ε = L( Δ) du , du = du x ∈ Aau 式中 , dε 、 db 、d σ和 du 分别表示应变 、 应力、 体积力和 -分别为给定的面力和位移的增 位移的增量 ; d p 和 du 量 ; D 为应力应变关系矩阵 ; λ和 ~ 为控制的参变量 ; λ 带下标 c 的量表示在接触区内的相应物理量 ; g 和 ~ g 表示流动势函数 , 其意义为 : 在物体内表示材料的塑性 流动势面 ,与塑性应变增量各分量有确定的关系 , 在接 触斑内是接触摩擦滑动势函数 , 反映接触质点对滑动 方向。 L( Δ) 为 6 × 3 微分算子矩阵 。 式 ( 2 )在列状态方程的控制下 f ( duc , ~ λ )+ ~ v= 0 x ∈ Aac T~ ~ ~ v λ= 0, ~ v ,λ ≥ 0 f ( dε ,λ )+ v = 0 x ∈ Aa T v λ= 0, v , λ ≥ 0
Abstract : Ro lli ng co ntact f atig ue of w heel and rail system is v ery serio us due to the fi erce actio n bet ween w heel and rail. So f ar , there i s no a ny g ood m ethod to be used to resist i t completely , t he m echa ni sm s of som e phenom ena o f the rolling co ntact f atig ue a re not understoo d yet. Ro lli ng contact f atig ue of wheel and rail no t o nly increases the cost of t racks and vehicles but also th reat en the runni ng saf ety o f railw ay vehicles di rectl y. In thi s paper , t he research prog ress of the ro lli ng co ntact fa ti gue of w heel and rail sy st em are review ed i n detail. T he theo ri es of three-di mensio nal elasti c-plasti c bodies in rolli ng co nt act and thei r numerical m ethods, the numerical methods t o a naly ze mechanisms of the ro lli ng contact f atig ue of w heel / rail and i ts af fecting facto rs, the test result s and t he dev elo pments of wheel /rai l mat erials are di scussed. The m ore than 100 im po rtant science papers publi shed i n recent t en years a re mentio ned. And al so the di recti on o f the further research o n the rolli ng contact of w heel and rail sy st em in the f ut ure i s i ndicated. Keywords: railw ay; v ehicle; w heel / rail; ro lli ng contact; fa tig ue 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。 随着铁路客货 运量的增大和列车速度的提高 , 轮轨滚动接触疲劳所 造成的破坏变得越来越严重 , 尤其是高速 、重载线路 , 情况十分严重 。 它不仅大大增加铁路的运营成本 , 而且 直接危害行车安全 。 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
。 在这些理论模型和数值方法中 ,考虑了非经
[ 14] [ 16]
典的摩擦接触定律
, 接触表面温度的影响
[17 ]
[15 ]
, 接触
表面粗糙度的影响 , 接触冲击大变形 , 但都没有 考虑到接触物体之间滚动行为和由于滚动引起的接触 斑质点对间相对滑动量的改变。 钟万勰利用参变量变 分原理和有限元二次规划法求解了三维弹塑性接触问 题 [18 ]。 他的带参变量三维弹塑性接触系统总势能可表 示为 C= { [2d εD d ε∑∫ 1
S ∫1 2
V
a
ijhk
σij σ hk d Va +
u p dS ] ∫A i i
au
∫
A
ac
[h pz + ( Wf - u′ f) pf] d S } ≤ 0
s. t. d= 0, δ b= 0 ( 1) 式中 , C 表示接触系统余能 ; W ≤ 0 表示系统余能的变 C 分小于等于 0, 接触系统的余能可取得极大值 ; Sijhk 为 弹性常数张量的分量 ; σ ij 为体内应力张量的分量 ; Va ( a -i 分别为接触物 = 1, 2)表示接触物体的体积 ; Aau和 u 体的已知位移边界的面积和位移 ; pi 为边界上的作用 力 ; Aac为接触区域 ; p z 和 pf为接触区上的法向压力和 切向作用力密度 ; h 为接触物体在接触斑处的法向间 隙 ; u′ f为接触物体在接触斑处的质点对间在前时刻的 弹性位移差 ; Wf为质点对间的刚性位移差。显然 , 如式 ( 1 )直接应用于轮轨滚动接触分析 , 则轮轨的边界条 件得到考虑。 为了提高数值分析速度 , Kalker 将轮轨
视为两个弹性半空间 , 忽略轮轨支撑条件的影响 , 并利 用弹性半空间理论中的力 /位 移公式和作用集法及数 学规划法求得了式 ( 1 )的数值解。 其数值结果比任何 赫兹理论的结果精确。 许多研究人员根据这一理论的 数值结果 ,进行了轮轨滚动接触强度分析 , 得到了满意 的结果 [7～ 9 ]。 为了使式 ( 1 )适合求解轮轨之间产生共 形滚动接触问题 (轮缘接触 ) ,李自力和 Kal ker 修改了 式 ( 1 ) [ 10] , 其数值结果说明了按集中接触和共形接触 两种方式处理轮缘接触时数值结果的差异 。 到目前为止 , 人们利用有限元、杂交元和边界元方 法建立了弹塑性接触理论模型 , 确定了有效的数值方 法