高速钢轨疲劳裂纹形成机理研究

建立理论模型分析高速钢轨疲劳裂纹的形成机制。利用高速列车/轨道系统耦合动力学模型，分析不同机车车辆高速通过曲线时，轮轨作用点位置；利用轮轨三维非Hertz滚动接触理论确定轮轨接触斑作用力的分布，包括切向力和方向、粘滑区的大小和分布；建立弹塑性有限元计算模型，分析塑性应变的累积规律，考虑棘轮效应导致微裂纹；对表面裂纹形成与发展过程中考虑磨损率的影响作用，研究钢轨接触疲劳裂纹的形成机制。利用大型轮轨模拟试验台再现钢轨接触疲劳裂纹形成现象，了解接触疲劳裂纹的形成规律与影响因素，验证理论分析结果。建立滚动磨损率与疲劳裂纹形成耦合关系曲线图。研究滚滑比、循环次数、轴重、曲线半径等参数对模拟钢轨表面微裂纹形成的影响作用。模拟高速铁路的应用工况，试验研究钢轨材料抗接触疲劳损伤的性能，研究高速铁路钢轨材料的选材原则。提出抑制和避免严重滚动接触疲劳裂纹形成的有效措施。

钢轨波磨是目前我国高速客运专线线路钢轨的主要病害，直接关系到高速铁路的运营安全。钢轨打磨技术作为线路轨道养护维修的重要手段，其在高速钢轨的打磨理论及应用研究是当前亟需解决的课题。 项目针对我国高速铁路钢轨波磨这一主要病害和世界性难题，系统开展了高速钢轨打磨技术理论及应用研究。主要研究内容如下：（1）跟踪测试了高速钢轨波磨和车轮多边形磨耗的发展规律与形成机理；（2）分析了GMC-96B钢轨打磨列车的振动特性，开展了钢轨打磨列车动力学行为研究；（3）研究了高速铁路钢轨打磨型面设计及打磨模式，设计了波磨地段钢轨打磨廓形设计方案，构建了高速铁路钢轨打磨工艺参数及打磨模板；（4）研究了高速钢轨打磨过程中的界面行为，阐明了钢轨高速打磨机理及参数优化；（5）开展了高速线路钢轨打磨技术试验研究，验证了打磨对列车振动与噪声控制的有效性，为制定高速铁路钢轨打磨技术标准提供了重要的技术支撑。 项目研究建立了高速钢轨打磨列车动力学模型，设计了波磨地段高速钢轨打磨廓形，优化了高速铁路钢轨打磨工艺参数及打磨模式，阐明了钢轨高速打磨机理，揭示了钢轨打磨廓形的轮轨关系容差性能，构建并完善了我国高速铁路钢轨打磨技术理论体系。研究成果在沪蓉高铁渝利段、贵广客专、成绵乐客专、兰渝客专、成灌快铁等高速线路上开展了钢轨打磨试验及应用。研究成果为延长高速铁路钢轨使用寿命及保障高速列车运行安全提供了重要的理论保障和维护技术。 项目发表（含接收）论文28篇，其中SCI论文11篇、EI论文7篇；申请发明专利2项（授权1项）、授权实用新型专利1项，登记软件著作权1项；培养博士生2名、硕士生8名（优秀硕士论文2人），参加国际学术会议3人次、国内学术会议4人次；论文获第七届四川省博士专家论坛三等奖和四川省机械工程学会第二届学术年会优秀论文二等奖。项目第一主研王文健荣获第十三届四川省青年科技奖并入选四川省学术和技术带头人后备人选。 2100433B

有记载的最早进行疲劳试验是德国的W.A.艾伯特。法国的J.-V.彭赛列首先论述了疲劳问题并提出“疲劳”这一术语。但疲劳研究的奠基人则是德国的A.沃勒，他在19世纪50～60年代最早得到表征疲劳性能的S-N曲线并提出疲劳极限的概念。20世纪50年代P.J.E.福赛思首先观察到疲劳过程中在滑移带内有金属薄片挤出的现象。随后N.汤普孙等人发现这种滑移带不易用电解抛光去掉，称为“驻留滑移带”。后来证明，驻留滑移带常常成为裂纹源。1924年德国的J.V.帕姆格伦在估算滚动轴承寿命时，假设轴承的累积损伤与其转动次数成线性关系。1945年美国M.A.迈因纳明确提出了疲劳破坏的线性损伤累积理论，也称为帕姆格伦-迈因纳定律，简称迈因纳定律。此后，断裂力学的进展丰富了传统疲劳理论的内容，促进了疲劳理论的发展。当前的发展趋势是把微观理论和宏观理论结合起来从本质上探究疲劳破坏的机理。用概率统计方法处理疲劳试验数据，是20世纪20年代开始的。60年代后期，概率疲劳分析和设计从电子产品发展到机械产品，于是在航空、航天工业的先导下，开始了概率统计理论在疲劳设计中的应用。

钢轨波磨是目前我国高速客运专线线路钢轨的主要病害，直接关系到高速铁路的运营安全。钢轨打磨技术是线路养护维修的重要手段，其在高速线路上的理论及其应用研究是当前亟需解决的课题。本项目拟在现场跟踪测试我国高速轮轨表面状态的基础上，建立高速车辆轨道耦合系统动力学模型和高速线路钢轨打磨列车动力学模型，研究高速轮轨磨耗与高速列车-轨道动力学性能之间的关系，提出适合我国高速线路的钢轨打磨策略，包括打磨型面、打磨限值、打磨周期、打磨速度等，并得到实验室和现场试验的验证，从而构建高速钢轨打磨技术理论，为制定我国高速钢轨打磨技术标准提供理论依据。本项目研究对确保我国高速铁路长期运营安全和效益具有重大的理论与实际意义。