高速冲击下的轮轨滚动接触疲劳萌生及瞬态裂纹扩展研究

Wheel-rail impact at contact surface irregularities has become the main cause of wheel/rail rolling contact fatigue (RCF). To further improve the safety of high-speed trains and lower maintenance costs, and to provide technical data for the next generation of high-speed trains running above 400 km/h, this project intends to investigate the great influence of irregularities on the RCF at high speeds. The essence is to study the effects of impact or high strain rate on wheel/rail performance. The project is roughly composed of three parts, namely field observations and measurements, scaled twin-disc rig tests, and numerical simulations, which are combined to examine influences of irregularities on contact stresses, strain rates and performance of the surface material. With the explicit finite element method, a 3D high-speed wheel-rail rolling contact model, a 3D rolling contact model of a twin-disc rig and a transient cracking model under impact loads are developed to simulate impact at irregularities and dynamic cracking behavior. The wheel/rail material models used are derived from middle/high strain rate material tests under different temperatures and strain rates. Based on results of twin-disc tests and simulations, wheel/rail wear and RCF models are developed, from which a critical defect size initiating local RCFs is further derived. Afterwards, the critical defect size is validated by twin-disc tests. Finally, mechanisms of RCF initiation and propagation are revealed with a focus on the influence of strain rate, and some counter measures are also proposed.

轮轨接触表面几何不平顺或材料不连续处的恶性冲击是现代高速轮轨滚动接触疲劳的主因。为进一步增强高铁安全性和经济性，也为下一代时速400 km/h及以上高速列车提供技术保障，本项目详细研究高速轮轨间的恶性冲击及其引发的滚动接触疲劳，重点研究冲击或高应变率下的裂纹萌生及动态扩展。采用表面状态现场调研、比例试验台试验和数值模拟相结合的研究思路，探讨不同运行条件下表面不平顺等对接触应力、应变率及表层材料服役行为的影响。建立高速轮轨和比例试验台的三维瞬态滚动接触有限元模型及冲击接触载荷下的动态裂纹模型，数值再现不平顺处的接触冲击和动态裂纹扩展，轮轨材料本构由中/高应变率试验机在不同温度、应变率下测定。对照试验台的试验和模拟结果，建立轮轨磨耗与滚动接触疲劳预测模型，进而确定引发局部疲劳的初始缺陷的临界尺寸，并于试验台上验证之。最终，揭示轮轨局部滚动接触疲劳的机理及应变率的影响，提出相应减缓措施。

赴全国各地测量了不同铁路系统的轮轨几何，确立了不同速度等级、运行里程、材质等条件下的典型表面不平顺。测试了室温下0.001~500 s-1应变率范围内的应力应变关系，并建立了考虑应变率效应的材料本构关系，用于后续数值建模。利用车轮-钢轨高速滚动接触疲劳试验机，详细开展了线速度最高200 km/h下低黏着和撒砂增黏试验，考虑了油、水及树叶三种污染介质，及撒砂量和砂子尺寸的变化，测定了不同速度和介质条件下的黏滑曲线，并依此提出了最佳增黏控制策略。基于上述结果，采用ANSYS-Lsdyna建立了我国典型高铁系统的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型，详细分析了速度、牵引/制动、材料非线性及几何不平顺等对轮轨表层应变率的影响，发现最大应变率仅稍高于100 s-1，且只存在于约2 mm宽、0.2 mm深的表层。进一步在上述模型中引入了磨耗和平面裂纹模型，分别建立了考虑不平顺动态激励和应变率效应的轮轨瞬态磨耗和裂纹动态扩展模型，发现不平顺所致冲击载荷会造成轮轨表面磨耗的明显波动，并显著增加部分裂纹的裂尖强度因子。特征尺寸15 mm的等间距多裂纹模拟结果表明，当裂纹间距大于5 mm时，3条裂纹共存模型足以将裂纹间动力影响精确考虑在内。这些损伤模型，为针对不均匀磨耗、动态裂纹扩展及磨耗与疲劳竞争关系的更深入研究，提供了有力工具。针对硌伤的模拟表明，几何平顺的硌伤及其所激起的轮轨动力作用不足以引发车轮局部型滚动接触疲劳，结合带硌伤的双盘对滚试验，发现局部尖锐几何和残余延性不足才是硌伤处萌生局部滚动接触疲劳的决定性因素，主裂纹在无法被及时磨掉的地方萌生，这很好地解释了很多现象。基于此，提出了硌伤现场管理限值。建立了考虑花键间隙配合的变轨距轮对与轨道间瞬态滚滑接触模型，将上述瞬态接触建模方法拓展至花键副。另外，揭示了大功率机车和城际动车组车轮及地铁轮轨典型滚动接触疲劳的损伤机理，并提出了有效治理措施。最后，综述了我国轮轨滚动接触疲劳领域的最新研究进展。