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  1. 本书共分为十章,按照新轨上道、裂纹萌生、裂纹扩展的全过程进行编排,主要分为两大块,一是裂纹的萌生研究,二是裂纹的扩展研究;采用的方法为理论解析、仿真分析、实验研究等。具体内容包括重载铁路及铁路钢轨损伤、重载铁路轮轨关系、钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测原理、钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测流程、不同工况条件下的轮轨接触状态、钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测结果、现场观测及相关实验研究、钢轨疲劳裂纹扩展及其路径实验研究、钢...查看更多

  2. 前  言


    重载铁路不仅能够促进先进技术装备的发展,而且能带来巨大的经济效益,自从重载铁路问世以来,诸多国家都着力研究重载运输技术。随着我国经济的发展和社会的进步,煤炭、石油等物资的运输需求越来越旺盛,现有的重载线路已经无法满足这种需求。大秦铁路、朔黄铁路陆续对旧线路进行加固改造,以便适应更大轴重与更大运量的重载运输技术的需求。除此之外,新建的晋豫鲁铁路通道(瓦日铁路)也是按照最新的重载线路标准建设,能够运行300 kN轴重的列车。
    然而,随着轴重的增加和运量的提升,所带来的轮轨损伤问题也越来越严重,其中钢轨的滚动接触疲劳裂纹就是一个比较明显的问题。重载铁路发达的国家都发生过多起因钢轨疲劳裂纹的扩展而导致的断轨事故,造成了巨大的经济损失,甚至导致人员伤亡。除了引发断轨外,疲劳裂纹还会引起轨头的剥离掉块,严重的剥离掉块会引起钢轨型面的变化,影响轮轨的接触,导致轮轨接触应力的急剧变化,加大轮轨磨耗,减少钢轨使用寿命,增加养护维修费用,甚至引发脱轨危险,威胁行车安全。而此前对钢轨损伤的研究主要集中在磨耗问题上,关于钢轨疲劳裂纹的研究文献并不多。因此,研究重载铁路钢轨疲劳裂纹的萌生与扩展机理,预测疲劳裂纹的萌生寿命与特征、扩展速率与扩展方向,已经是重载铁路发展过程中不可回避的问题。
    本书是作者基于其所在研究团队的前期研究,对重载铁路裂纹萌生及扩展进行了深入分析与总结。该研究得到了数项基金的支持,如国家自然科学基金“基于非稳态荷载的重载铁路钢轨三维裂纹群扩展路径演变规律研究”(编号:51708221)、“重载铁路预防性钢轨打磨方法的研究”(编号:50908179);中国铁道科学研究院研究项目“预防性钢轨打磨技术措施和方法的研究”;“十二五”国家科技支撑计划“神华铁路大轴重重载运输成套技术研究”(编号:2013BAG20B01)。此外,该研究还得到了江西省教育厅科技项目(GJJ150508)、江西省自然科学基金(20171BAB206055)、国家自然科学基金资助项目(51268014,51578238)的资助。
    全书共分为十章,按照新轨上道、裂纹萌生、裂纹扩展的全过程进行编排,主要分为两大块,一是裂纹的萌生研究,二是裂纹的扩展研究;采用的方法为理论解析、仿真分析、实验研究等。具体内容包括重载铁路及铁路钢轨损伤、重载铁路轮轨关系、钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测原理、钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测流程、不同工况条件下的轮轨接触状态、钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测结果、现场观测及相关实验研究、钢轨疲劳裂纹扩展及其路径实验研究、钢轨二维疲劳裂纹扩展仿真研究、钢轨的三维疲劳裂纹研究等。
    本书的编写凝聚着作者及课题组多年以来的研究成果,截止到书稿完成之时,相关的研究仍然在继续进行,研究成果将在后期公开发表。作者期望本书的研究成果能对我国重载铁路运输技术以及钢轨养护维修有所指导,以提高重载铁路运输效率,提升重载运输经济效益。
    由于作者水平有限,书中难免有不足之处,敬请广大读者批评指正。


    作 者           
    2017年10月        



     
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  1. 目  录

    1  重载铁路与钢轨损伤 1
    1.1  重载铁路概述 1
    1.2  铁路钢轨的损伤及分类 12
    1.3  铁路钢轨的滚动接触疲劳裂纹 16
    1.4  重载铁路钢轨的主要疲劳损伤 20
    2  重载铁路轮轨关系 29
    2.1  轮轨接触理论 29
    2.2  几种主要轮轨接触状态计算方法 35
    2.3  重载铁路的轮轨结构及关系 42
    3  钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测原理 52
    3.1  钢轨疲劳裂纹的寿命阶段 52
    3.2  疲劳裂纹萌生的破坏原理 53
    3.3  临界平面法 56
    3.4  钢轨疲劳裂纹萌生的预测数学模型 63
    4  钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测流程 65
    4.1  仿真技术的应用 65
    4.2  计算荷载的多体动力学模型 65
    4.3  钢轨的材料模型 75
    4.4  几何模型 76
    4.5  有限元模型 78
    4.6  疲劳裂纹萌生寿命预测流程 84
    5  不同工况条件下的轮轨接触状态 87
    5.1  前后转向架的轮轨接触状态 87
    5.2  不同速度条件下的轮轨接触状态 92
    5.3  不同超高条件下的轮轨接触状态 96
    5.4  不同轨底坡条件下的轮轨接触状态 110
    5.5  不同摩擦系数下的轮轨接触状态 121
    5.6  本章小结 127
    6  钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测结果 128
    6.1  疲劳参量量化分析 128
    6.2  不同速度条件的裂纹萌生寿命预测 130
    6.3  不同超高条件下钢轨疲劳裂纹萌生预测 131
    6.4  不同轨底坡条件下钢轨疲劳裂纹萌生预测 141
    6.5  不同摩擦系数条件下钢轨疲劳裂纹萌生预测 157
    7  现场观测及相关实验研究 170
    7.1  现场观测 170
    7.2  实验研究 181
    7.3  现场观测的分析结果 187
    7.4  室内研究分析 196
    8  钢轨疲劳裂纹扩展及其路径实验 199
    8.1  钢轨疲劳裂纹扩展阶段 199
    8.2  钢轨疲劳裂纹与磨耗的竞争机制 204
    8.3  钢轨疲劳裂纹扩展路径演变特征 210
    8.4  结  论 213
    9  钢轨二维疲劳裂纹扩展仿真研究 215
    9.1  疲劳裂纹扩展特性分析 215
    9.2  I型裂纹扩展速率计算 227
    9.3  复合裂纹扩展速率计算 236
    9.4  本章小结 242
    10  钢轨的三维疲劳裂纹研究 243
    10.1  钢轨裂纹三维形貌的研究方法 243
    10.2  裂纹三维形貌的CT扫描重构 247
    10.3  钢轨三维疲劳裂纹扩展研究 253
    参考文献 258

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