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钢轨中超声导波模式激励方法研究

铁道学报 2023年第2期45卷 93-99页

作者：胡辰阳陈嵘江文强徐井芒李浩然王平西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室四川成都610031 西南交通大学土木工程学院四川成都610031

超声导波具有传播距离长、探测范围大的优点,可应用于铁路快速、远距离的检测。较为单一导波模式的激发和传播有利于信号处理和损伤识别。本文基于正交模式展开方法对钢轨中较单一波模式的激励方法开展研究,给出考虑切向激励的横截面振... 详细信息

超声导波具有传播距离长、探测范围大的优点,可应用于铁路快速、远距离的检测。较为单一导波模式的激发和传播有利于信号处理和损伤识别。本文基于正交模式展开方法对钢轨中较单一波模式的激励方法开展研究,给出考虑切向激励的横截面振幅因子经验公式,分析不同位置激励时钢轨中不同导波模式的振幅因子;通过有限元仿真对激励方法进行验证,使用上述激励方法对轨头和轨底缺陷进行检测,结果表明该激励方法激励的波模式较为单一,可明显识别伤损回波信号。该方法可用于开发适用于损伤识别的单一波模式激励策略,显示无损检测和结构健康监测应用的潜力。

关键词：钢轨超声导波正交模式展开法激励方法

钢轨轨顶弯钩形滚动接触疲劳裂纹空间扩展特性研究

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铁道学报 2022年第7期44卷 125-134页

作者：李骏鹏周宇梁旭王钲卢哲超程中宁同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海201804 同济大学上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室上海201804 中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所北京100081

采用X射线断层扫描技术测量重载铁路钢轨轨顶面弯钩形滚动接触疲劳裂纹,根据非均匀有理B样条方法实现了曲面裂纹的空间三维重构,建立弯钩形裂纹的双曲面模型,提出基于扩展有限元的弯钩形曲面裂纹扩展预测方法,研究不同深度裂纹在空间上... 详细信息

采用X射线断层扫描技术测量重载铁路钢轨轨顶面弯钩形滚动接触疲劳裂纹,根据非均匀有理B样条方法实现了曲面裂纹的空间三维重构,建立弯钩形裂纹的双曲面模型,提出基于扩展有限元的弯钩形曲面裂纹扩展预测方法,研究不同深度裂纹在空间上的扩展特征。结果表明,在轮轨接触荷载作用下,弯钩形裂纹的扩展是张开、滑开和撕开效应结合的复合开裂;对于深度较浅的裂纹,即尚未发生路径转变的1/3、1/2深度裂纹,其扩展明显;当裂纹扩展到一定深度、发生路径转变后,裂纹的扩展逐渐降低,形成明显的弯钩;裂纹尖端不同位置应力强度因子不同,空间上以一定角度呈“凸”字形不均匀发展;预测得到通过总重在100~150 MGT裂纹扩展长度最大为0.389 mm,扩展最快位置在裂纹尖端中部附近,转向后弯钩形裂纹扩展角度范围为15°~35°,与显微观测的实际裂纹接近。

关键词：重载铁路钢轨滚动接触疲劳弯钩形裂纹三维重构裂纹扩展

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钢轨表面剥离掉块路径预测研究

计算力学学报 2022年第2期39卷 257-262页

作者：孟睿君郑州工业应用技术学院建筑工程学院郑州450001

轮轨滚动接触下,钢轨表面会产生典型的鱼钩形剥离掉块,其形成机理目前暂未明确。为了探究轮轨滚动接触下钢轨表面裂纹扩展机理,基于最大周向拉应力准则,建立轮轨滚动接触疲劳计算模型,提出裂尖扩展路径预测方法,并对不同初始角度裂纹的... 详细信息

轮轨滚动接触下,钢轨表面会产生典型的鱼钩形剥离掉块,其形成机理目前暂未明确。为了探究轮轨滚动接触下钢轨表面裂纹扩展机理,基于最大周向拉应力准则,建立轮轨滚动接触疲劳计算模型,提出裂尖扩展路径预测方法,并对不同初始角度裂纹的扩展路径进行预测。结果表明,钢轨表面微裂纹为I-II复合型裂纹,随着裂纹长度增加,K;先增加后减小,而K;呈现持续增加的变化趋势。当裂纹尖端扩展至一定深度时,裂尖扩展的驱动力由K;向K;转变,此时裂尖在K;的驱动下发生约70°的转折,倾向于向上扩展而导致剥离掉块。钢轨表面萌生的微裂初始角度对剥离掉块的路径影响较为明显,但对剥离掉块深度影响较小。本文研究成果可为钢轨表面打磨维修规程的制定提供理论依据。

关键词：钢轨剥离掉块应力强度因子最大周向拉应力准则扩展路径

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重载曲线缓和段钢轨滚动接触疲劳机理

浙江大学学报:工学版 2023年第9期57卷 1775-1784页

作者：栗杨白彬亨莫日格吉勒赵鑫温泽峰王卓西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031 内蒙古包钢钢联股份有限公司制造部内蒙古包头014010 中国铁路呼和浩特集团有限公司工务处内蒙古呼和浩特010000

某轴重25 t运煤重载铁路半径580~1000 m的曲线入/出缓和段钢轨存在明显的滚动接触疲劳(RCF)差异现象,出缓和段的疲劳更严重.在轮轨现场观测和列车参数调研的基础上,使用Simpack建立包含2节内重联机车与108节货车的重载列车动力学模型,... 详细信息

某轴重25 t运煤重载铁路半径580~1000 m的曲线入/出缓和段钢轨存在明显的滚动接触疲劳(RCF)差异现象,出缓和段的疲劳更严重.在轮轨现场观测和列车参数调研的基础上,使用Simpack建立包含2节内重联机车与108节货车的重载列车动力学模型,利用损伤函数模型数值分析入/出缓和段RCF差异的机理和主要影响因素.结果表明,RCF差异由货车曲线通过行为主导,货车中转向架导向轮对的贡献最显著,非导向轮对与机车的贡献相对轻微.在标准轮轨廓形匹配工况下,RCF差异不显著;待货车车轮磨耗失形后,钢轨磨耗失形对RCF差异的影响并不显著,轮轨蠕滑率/力在出缓和段比在入缓和段高是导致RCF差异的根本原因.磨耗后的货车转向架导向轮对与磨耗轨在小半径曲线上频繁地相互作用,是导致入/出缓和段钢轨RCF差异的主要原因.

关键词：重载铁路钢轨滚动接触疲劳(RCF) 缓和曲线列车动力学损伤函数

基于离散元法的钢轨粗糙型面构造及其分形特性

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铁道科学与工程学报 2023年第6期20卷 2037-2045页

作者：陈宪麦陈楠魏子龙杨飞 Atolagbe Shakirudeen Olabanji 尤明熙中南大学土木工程学院湖南长沙410075 重载铁路工程结构教育部重点实验室湖南长沙410075 中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所北京100081

铁路中常用的钢轨由于制作工艺、轮轨相互作用、腐蚀等多方面的因素,导致其表面是粗糙而非光滑的。为了更加精确地表征钢轨的粗糙程度,提出一种基于离散元法构建钢轨粗糙外表型面的方法。首先,通过钢材抗拉强度试验仿真验证选取的离散... 详细信息

铁路中常用的钢轨由于制作工艺、轮轨相互作用、腐蚀等多方面的因素,导致其表面是粗糙而非光滑的。为了更加精确地表征钢轨的粗糙程度,提出一种基于离散元法构建钢轨粗糙外表型面的方法。首先,通过钢材抗拉强度试验仿真验证选取的离散元力学参数和模型的可靠性,根据规范绘制钢轨的几何轮廓,并在此基础上用不同粒径的球体颗粒填充钢轨的几何图形,实现对钢轨粗糙型面的离散元模拟。其次,对具有粗糙型面的钢轨离散元模型进行图像处理,识别钢轨的粗糙轮廓线。然后,对钢轨轮廓线进行数据提取和坐标标定,获得钢轨粗糙轮廓线的坐标数据,以便进行后续的分析和处理;最后,构造轮轨接触区钢轨顶面的凸峰高度曲线,选定评定长度(40 mm)和取样长度(8 mm),分析其范围内外表型面的粗糙度和分形维度。研究结果表明,运用离散元法建立的具有粗糙型面的钢轨模型具有分形特性;从评定长度和取样长度2方面计算得到的钢轨粗糙度和分形维数分别相差1.46%和0.15%。运用离散元法可以模拟钢轨的粗糙型面,并且该方法是可行的。基于离散元法模拟钢轨的粗糙轮廓的方法,为进一步研究提供了新的思路,具有一定的参考价值和工程意义。

关键词：钢轨钢轨型面粗糙度离散元分形

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不同钢轨材料的风沙冲蚀磨损与损伤行为研究

摩擦学学报 2022年第1期42卷 74-84页

作者：舒康周亮王文健丁昊昊郭俊刘启跃西南交通大学牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所四川成都610031

随着铁路的快速发展,风沙地区的铁路线路分布越来越广,在本文中采用气流喷砂式冲蚀试验机以天然混合沙对不同钢轨材料的风沙冲蚀磨损与损伤行为进行了研究.结果表明:钢轨材料的冲蚀率随着冲蚀角度的增加先增加后减少;最大冲蚀率出现在30... 详细信息

随着铁路的快速发展,风沙地区的铁路线路分布越来越广,在本文中采用气流喷砂式冲蚀试验机以天然混合沙对不同钢轨材料的风沙冲蚀磨损与损伤行为进行了研究.结果表明:钢轨材料的冲蚀率随着冲蚀角度的增加先增加后减少;最大冲蚀率出现在30°~45°之间;抗风沙冲蚀磨损性能依次为热处理过共析钢轨>热处理U78CrV>热轧U71Mn>热处理U75V>热轧U75V;延性对热轧钢轨材料的抗冲蚀磨损性能的影响大于硬度,而硬度对热处理钢轨材料的影响大于延性,在线热处理可以提高U75V钢轨的抗冲蚀磨损性能;钢轨材料冲蚀损伤的主要特征为片屑、蚀坑、塑性流动及裂纹;钢轨材料在风沙冲蚀下展现出延性冲蚀模式,其材料去除机制主要为成片机制.

关键词：冲蚀磨损钢轨损伤形貌冲蚀模式冲蚀机理

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弹性离散支撑钢轨的振动和声辐射特性研究

铁道学报 2022年第6期44卷 99-106页

作者：刘清源成功何远鹏陈宗平韩健圣小珍西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031 华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室江西南昌330013 西南交通大学机械工程学院四川成都610031 上海工程技术大学城市轨道交通学院上海201620

首先,建立有限长铁木辛柯梁单元钢轨模型、有限长实体单元-铁木辛柯梁单元组合钢轨模型和无限长铁木辛柯梁钢轨模型,计算各模型在静止简谐载荷作用下的垂向原点位移导纳和轨道衰减率,对比三种模型的振动特性。然后,分别采用2.5维声学边... 详细信息

首先,建立有限长铁木辛柯梁单元钢轨模型、有限长实体单元-铁木辛柯梁单元组合钢轨模型和无限长铁木辛柯梁钢轨模型,计算各模型在静止简谐载荷作用下的垂向原点位移导纳和轨道衰减率,对比三种模型的振动特性。然后,分别采用2.5维声学边界元法和衰减率与噪声的关系公式,得到钢轨在上述载荷作用下在自由空间的辐射声功率,并对比两种方法的区别。最后,使用2.5维边界元法,计算考虑轨道板反射的钢轨辐射声功率。结果表明,相对于自由空间的钢轨,轨道板的反射使钢轨声功率在多个频率上产生了峰值,揭示出钢轨与反射面所形成的声学空间存在特征波,并进一步分析这些特征波的性质。

关键词：钢轨铁木辛柯梁位移导纳轨道衰减率 2.5维声学边界元法

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液体对钢轨滚动接触疲劳裂纹的作用

同济大学学报（自然科学版） 2022年第2期50卷 253-263页

作者：周宇王钲卢哲超李骏鹏同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海201804 同济大学上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室上海201804

建立基于耦合欧拉−拉格朗日方法的液体-裂纹流固耦合数值模型,分析移动轮轨接触荷载下液体对钢轨滚动接触疲劳裂纹面之间的压力分布情况,研究了不同黏度液体对不同长度、不同角度裂纹的作用。结论发现:高黏度液体对裂纹全长均有压力,对... 详细信息

建立基于耦合欧拉−拉格朗日方法的液体-裂纹流固耦合数值模型,分析移动轮轨接触荷载下液体对钢轨滚动接触疲劳裂纹面之间的压力分布情况,研究了不同黏度液体对不同长度、不同角度裂纹的作用。结论发现:高黏度液体对裂纹全长均有压力,对裂纹面的压力是低黏度液体压力的4.8~5.9倍,且越靠近裂纹尖端的压力越大,算例工况下脂类对裂纹尖端的压力最大值达到约690~751MPa。随着接触荷载通过裂纹开口,高黏度液体仍然停留在裂纹内,对裂纹面压力作用持续时间较长,约占一次荷载周期的80%~90%,在一个荷载周期内对裂纹面的压力分布呈马鞍状。而低黏度液体会随着轮轨接触荷载的运行被挤出裂纹,主要对裂纹开口及中段形成较大压力,对裂纹面的压力作用持续时间仅占一次荷载周期的10%~30%,在一个荷载周期内对裂纹面的压力分布呈山峰状。裂纹角度越大、长度越长,液体对裂纹面的压力作用更大,裂纹扩展趋势更明显。裂纹角度为30°和40°时分别较20°时,高黏度液体对裂纹面压力最大值增大了38.5%~63.8%和1.1~1.2倍。裂纹长度为2mm时较1.5mm时,高黏度液体对裂纹面压力最大值增大了6.1%~8.3%。

关键词：钢轨滚动接触疲劳裂纹液体疲劳伤损

35~40 t轴重重载铁路钢轨验证试验及适应性研究

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中国铁道科学 2022年第3期43卷 26-36页

作者：石彤张银花高振坤冯子凌周韶博杨光中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所北京100081

为研究35~40 t轴重钢轨和焊接接头的适应性,在美国交通技术中心加速测试试验线开展此轴重条件下实车验证试验,分析钢轨伤损变化规律。结果表明:68 kg·m^(-1) U78CrVH钢轨在通过总质量为254 Mt时曲线上股侧磨速率为0.0054 mm·Mt^(-1),... 详细信息

为研究35~40 t轴重钢轨和焊接接头的适应性,在美国交通技术中心加速测试试验线开展此轴重条件下实车验证试验,分析钢轨伤损变化规律。结果表明:68 kg·m^(-1) U78CrVH钢轨在通过总质量为254 Mt时曲线上股侧磨速率为0.0054 mm·Mt^(-1),在近200 Mt时出现1处轨头纵横裂型核伤,与钢质洁净度和轮轨关系相关,在科学养修条件下,U78CrVH钢轨适应35~40 t轴重铁路;由于闪光焊接接头硬度高于母材硬度,接头磨耗不显著,其出现疲劳伤损的主要原因是焊筋尖缺口处存在大的应力集中,综合考虑磨耗和疲劳伤损,闪光焊接接头适应35~40 t轴重铁路;铝热焊接接头出现明显的马鞍形磨耗和低塌,磨耗最大值为0.62 mm,其出现疲劳伤损的最小通过总质量为46 Mt,因初始硬度偏低,易产生磨耗和低塌,且为铸态组织,不适应35~40 t轴重铁路。为此,通过提高钢质洁净度、减少铝热焊接接头数量以及研究更适合的焊接方式,可提高大轴重条件下钢轨和焊接接头的服役寿命。

关键词： 35~40 t轴重重载铁路钢轨焊接接头适应性