作者：王建西
导师：练松良、许玉德
年份：2009
摘要：现代铁路运输发展方向是客运高速化和货运重载化。随着客运列车运行速度提高和货运列车轴重增加，钢轨受力状态更加复杂，产生了各种伤损。滚动接触疲劳是其中一种重要的伤损形式。滚动接触疲劳伤损不仅增加铁路的运营成本，而且导致轨面不平顺，影响列车运行品质，同时引起恶性循环使轮轨间冲击力增大，进一步加快钢轨伤损的发展，甚至造成钢轨断裂，直接危及行车安全。因此，钢轨滚动接触疲劳机理及防治措施研究对减缓钢轨伤损，提高列车运行品质，增加铁路运输经济效益和保证行车安全都有重要意义。
滚动接触疲劳伤损主要表现形式是疲劳裂纹。本文以疲劳裂纹为研究对象，以弹塑性力学、损伤力学、概率论、断裂力学为基础，建立了随机荷载作用下疲劳裂纹萌生寿命概率预测模型和疲劳裂纹扩展分析模型；在此基础上，结合疲劳裂纹和磨耗相互关系与寿命周期成本分析原理，提出了钢轨打磨参数确定方法。主要研究内容和创新点为：
(1)建立考虑静水压力影响的疲劳裂纹萌生寿命预测模型。根据弹塑性力学的应变能原理，分析了静水压力对疲劳裂纹萌生的影响，提出了静水压力对疲劳裂纹萌生寿命影响的修正公式。
(2)提出材质参数对疲劳裂纹萌生寿命敏感度分析方法。以疲劳裂纹萌生寿命预测方法为系统数学模型，采用单参数敏感性分析方法，分析了钢轨材质参数(弹性模量、泊松比、屈服强度和抗拉强度)对疲劳裂纹萌生寿命的影响，计算了各参数的敏感度因子。
(3)钢轨材质疲劳性能随机性研究。根据材质敏感性分析结果确定影响疲劳裂纹萌生寿命的主要材质参数，以这些材质参数为变量，利用四点关联法和蒙特卡洛模拟方法，分析了钢轨疲劳参数分散性；根据统计学原理，确定了疲劳参数分布类型。
(4)提出随机轮轨力作用下疲劳裂纹萌生寿命概率预测模型。以重载铁路现场实测数据为样本，利用参数假设检验方法，确定轮轨力幅值和频率特征，进而根据轮轨力分布特征编制荷载谱。根据荷载谱作用下钢轨损伤和疲劳参数分布类型，利用累积损伤理论，建立随机荷载作用下疲劳裂纹萌生寿命概率预测模型。
(5)提出弹塑性状态下疲劳裂纹扩展分析方法。根据试验观察的裂纹尖端特征，建立钝形疲劳裂纹模型；以裂纹尖端滑动位移为断裂参量，依据有限元原理建立节点位移与断裂参量关系，分析弹塑性情况下疲劳裂纹扩展特性。
(6)提出确定钢轨打磨参数方法。根据裂纹长度与深度几何关系、裂纹长度与通过总重关系和裂纹扩展速率与裂纹长度关系图，确定了裂纹深度扩展速率与通过总重关系图。利用裂纹深度扩展速率与通过总重关系图和磨耗速率与通过总重关系图，分析裂纹扩展与磨耗的相互关系。通过对裂纹扩展与磨耗相互关系分析，引入了最佳磨耗速率概念。根据最佳磨耗速率概念，提出了钢轨技术性打磨周期的确定方法。随着打磨技术的发展和应用，钢轨打磨已经成为养护维修的中的日常作业项目。因此，从寿命周期成本角度，提出钢轨经济性打磨周期确定方法。
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