钢轨制造残余应力在车轮滚动作用下变化机理的研究

Railway development is related to the national economy and people's livelihood, and the modernization of railway high-speed, heavy-load and high-density transport organization need high quality of rail. The different stress state leads to the different damage form of rail, and the residual stress has large effect on wear resistance, fatigue strength and fracture resistance, therefore, it is the key factor to cycle fatigue and mean stress. The stress distribution states of working rail are decided by residual stress generated from rail manufacturing and the stress generated from the wheel rolling that is working on rail repeatedly. Considering the initial residual stress of rail, the support of sleepers and the constraints of fasteners, a 3D wheel-rail rolling contact model was built according to the actual parameters of wheel-rail so to study the changing rules of rail stress and strain generated from the wheel rolling repeatedly, and the factors of the stress and strain state were studied including the axle weight, wheel working speed, coefficient of friction, the radius of curvature, the outer rail superelevation and rail bottom slope. The paper reveals the changing mechanism of residual stress causing by the wheels rolling in the process of rail manufacturing, and it achieves the comprehensive and systematic cognition of generation, changing and influencing factors of rail's residual stress in the process of manufacturing to using. The paper provides scientific basis on rail's stress state for the furthermore research of fatigue and fracture.

铁路发展事关国计民生，现代化铁路高速、重载和高密度的运输组织方式，使钢轨的使役条件更趋恶化。钢轨的应力状态决定钢轨的损伤形式，钢轨残余应力对使用过程中的耐磨性、抗疲劳强度和抗断裂能力等有重要影响，是决定循环疲劳平均应力的关键因素。钢轨在使役中的应力分布状态是由钢轨制造过程中产生的残余应力和车轮在钢轨上反复滚动接触作用产生的应力状态共同决定的。在考虑钢轨初始残余应力、轨枕支撑和扣件约束条件下按轮轨实际参数建立与钢轨实际使用情况更加相符的轮轨三维滚动接触模型，研究钢轨在车轮反复滚动作用下的应力和应变变化规律，以及轴重、速度、摩擦系数、曲率半径、外轨超高和轨底坡等对应力和应变状态的影响，揭示钢轨制造时产生的残余应力在车轮反复滚动作用下的变化机理，实现对钢轨从制造到使用整个过程中残余应力的产生、变化及其影响因素全面、系统的认知，并为钢轨进行疲劳和断裂研究所需的应力状态提供科学依据。

随着现代化高速、重载铁路的不断发展以及铁路运输系统高密度组织方式的影响，在役钢轨的滚动接触疲劳破坏现象愈加严重。钢轨在服役过程中所形成的残余应力对其疲劳破坏过程有重要影响。本项目在着重考虑钢轨复合矫直过后的残余应力的基础上，对车轮循环滚动作用下钢轨内部残余应力的变化和分布规律进行深入研究。主要研究成果如下：基于双线性随动硬化材料模型，建立了钢轨弹塑性复合矫直残余应力分析有限元模型，获得了钢轨经过复合矫直过后的残余应力及其分布规律。在综合考虑矫直残余应力、棘轮效应和轨下弹性支撑以及轮轨真实踏面形状等因素的基础上，分别建立了直线轨道轮轨循环滚动接触有限元模型和非线性稳态曲线通过轮轨循环滚动接触有限元模型。基于直线轨道轮轨滚动接触有限元模型，获得了有、无矫直残余应力情况下直线钢轨在车轮20次循环滚动作用过程中的应力、应变变化规律以及轴重、速度、蠕滑率和摩擦系数等因素对钢轨应力、应变状态的作用规律，并得到了矫直残余应力对直线钢轨循环滚动接触应力、应变的分布规律的影响。基于非线稳态曲线通过轮轨滚动接触有限元模型，获得了有、无矫直残余应力情况下曲线钢轨在车轮20次循环滚动作用下的应力、应变变化规律以及轴重、速度、摩擦系数、曲率半径等因素对应力、应变状态作用规律，并得到了矫直残余应力对曲线钢轨循环滚动接触应力、应变的分布规律的影响。利用移动式线路动态加载试验车对钢轨进行20次循环加载试验，获得了20次循环加载后的钢轨特定位置的纵向残余应力数据，在一定程度上验证分析结果的正确性。通过本项目的研究，揭示了钢轨制造时产生的残余应力在车轮反复滚动作用下的变化机理，实现对钢轨从制造到使用整个过程中残余应力的产生、变化规律系统全面的认知，并为钢轨进行疲劳和断裂研究所需的应力状态提供科学依据。