本發(fā)明涉及交通運輸，具體地說，涉及一種重載鐵路鋼軌滾動接觸疲勞損傷函數(shù)的建立方法。

背景技術：

1、隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，重載貨運鐵路已成為我國重要的資源運輸方式。重載列車軸重較大，線路行車頻次提高，極大提升運輸效率，但與此同時，也惡化了鋼軌服役條件，使得小半徑曲線段鋼軌滾動接觸疲勞問題突出。滾動接觸疲勞惡化了輪軌服役狀態(tài)，降低了行車安全性，大幅增加了運維成本。

2、滾動接觸疲勞的最佳治理方式是抑制其萌生，因此在工程上，滾動接觸疲勞萌生預測模型很有必要。損傷函數(shù)模型，作為一種輪軌滾動接觸疲勞的工程預測工具，世界范圍內(nèi)廣為接受。一旦確定了某一材質(zhì)鋼軌的損傷函數(shù)，與充分考慮各種影響因素的列車動力學模型預測結果相結合，可判斷不同路段鋼軌是否發(fā)生滾動接觸疲勞，及發(fā)生滾動接觸疲勞損傷的嚴重程度，即得到該材質(zhì)鋼軌的適用性，為不同路段的鋼軌選材、預防性鏇修等養(yǎng)護策略制定提供指導。但目前的損傷函數(shù)模型的建立較為復雜，不夠準確。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的內(nèi)容是提供一種重載鐵路鋼軌滾動接觸疲勞損傷函數(shù)的建立方法，其能較佳地建立損傷函數(shù)模型。

2、根據(jù)本發(fā)明的一種重載鐵路鋼軌滾動接觸疲勞損傷函數(shù)的建立方法，其包括以下步驟：

3、步驟1、確定滾動接觸疲勞臨界萌生位置；

4、步驟2、確定疲勞萌生臨界磨耗數(shù)；

5、步驟3、滾動接觸疲勞萌生速率估計；

6、步驟4、通過線性關系確定損傷函數(shù)。

7、作為優(yōu)選，步驟1中，裂紋萌生臨界位置的確定方法為：

8、沿著列車運行方向，入緩和曲線上存在滾動接觸疲勞從無到有的現(xiàn)象，而出緩和曲線存在從有到無的變化，其中裂紋剛好發(fā)生的臨界位置即對應著滾動接觸疲勞發(fā)生的第一門檻值a；首先確定裂紋剛好發(fā)生的臨界位置，即緩和曲線段隨著超高的增大，從無裂紋達到裂紋表面2mm長的超高位置處，確定為臨界萌生位置。

9、作為優(yōu)選，步驟2中，通過列車動力學確定裂紋萌生臨界位置處的磨耗數(shù)，即確定門檻值a在損傷函數(shù)中的橫坐標，具體如下：

10、1.1)建立列車動力學模型；

11、在simpack環(huán)境中建立包含兩節(jié)機車和1節(jié)貨車的列車動力學模型，另104節(jié)貨車以等效載荷的形式施加于貨車模型尾部車鉤處；以機車前轉向架的導向輪對對1軸，以此向后類推，內(nèi)重聯(lián)第二臺機車的后轉向節(jié)的最后輪對則為8軸，貨車同理；機車子模型包括1個車體、2個構架和4個輪對，共54個自由度，而貨車子模型包括1個車體、4個側架、4個輪對、承載鞍和搖枕，共68個自由度；機車和機車、機車和貨車間車鉤，以力元模擬；模型中用二系懸掛連接車體與轉向架，用一系懸掛來連接轉向架與輪對間，彈簧和減振器一、二懸掛元件則均由力元模擬；動力學模擬速度取重載列車速度67km/h，時間步長取0.02s，即對應移動距離為0.37m；

12、列車動力學模型的軌道子模型中，相關超高、過渡曲線長度參數(shù)按照線路實際情況設置；模擬的列車通過速度，取為現(xiàn)場實測的列車速度；

13、1.2)基于列車動力學模型輸出的任一時刻下各軸的輪軌滾動接觸參數(shù)，確定曲線軌道任一位置處各軸通過時的磨耗數(shù)。

14、作為優(yōu)選，步驟3中，先確定每列車造成的損傷，具體為：由現(xiàn)場觀測的相應半徑曲線上新軌上線后裂紋萌生天數(shù)、每天列車通過數(shù)量，計算得到萌生時通過的列車數(shù)，而萌生時通過列車數(shù)的倒數(shù)即為每列車造成的損傷。

15、作為優(yōu)選，步驟3中，確定鋼軌滾動接觸疲勞萌生速率，即損傷函數(shù)ab段的斜率；具體為：

16、將機車和貨車造成的損傷分別計算并線性累加起來，并假設機、貨車對應的數(shù)據(jù)點均在ab段上；損傷函數(shù)縱坐標為損傷量d，橫坐標為磨耗數(shù)tγ，ab段的橫截式函數(shù)為tγ＝md+a，其中m的倒數(shù)為ab段斜率，a表示損傷函數(shù)第一段中a點的橫坐標，考慮損傷在接觸斑內(nèi)橫向離散，則，一列車通過造成的總疲勞損傷量d為：

17、

18、其中，nl和nw表示模型中一列車通過疲勞區(qū)的車輪數(shù)，模型中只考慮了單節(jié)貨車，所以整列車中貨車的總損傷為單節(jié)貨車損傷的105倍，bl和bw表示輪軌接觸接觸斑的橫半軸長度，下標l和w表示機車和貨車；

19、利用圓曲線段疲勞裂紋萌生天數(shù)導出的每列車所致總損傷量和模擬計算得到的相應tγ值，通過上述公式即確定不同半徑曲線下對應的m值，再對m取倒數(shù)k即為對應的斜率，進而對得到的所有k取均值，即為損傷函數(shù)ab段的斜率。

20、作為優(yōu)選，步驟4中，具體為：

21、4.1)確定b點的橫坐標：

22、先計算出經(jīng)過疲勞區(qū)的各車輪的磨耗數(shù)在圓曲線段的平均值；考慮到機、貨車間重大差異，再求出經(jīng)過疲勞區(qū)的各機車車輪平均磨耗數(shù)的平均值tγlm，以及經(jīng)過疲勞區(qū)的各貨車車輪平均磨耗數(shù)的平均值tγwm；疲勞區(qū)為模擬預測的磨耗數(shù)最大的區(qū)域；將平均值tγlm和平均值tγwm中最大數(shù)取整作為損傷函數(shù)b點的橫坐標；

23、4.2)確定c點的橫坐標；

24、基于rssb的損傷函數(shù)開發(fā)報告，根據(jù)損傷函數(shù)ab段的斜率推導出磨耗bc段的斜率，進而得到c點的坐標；

25、4.3)根據(jù)門檻值a在損傷函數(shù)中的橫坐標、ab段的斜率、b點的橫坐標、c點的橫坐標，得到相應的損傷函數(shù)模型。

26、本發(fā)明的有益效果如下：

27、本發(fā)明對rssb提出的損傷函數(shù)開發(fā)的原始方法得到了改進，考慮了過渡曲線上發(fā)生滾動接觸疲勞(rcf)的臨界位置，從而更準確、更有效地確定了滾動接觸疲勞(rcf)開始的臨界值。

28、本發(fā)明以重載線鋼軌滾動接觸疲勞的實際觀測為基礎，以考慮實際運營列車的運行工況模擬為核心手段，所以，更適用于重載鋼軌的服役條件，為更精確預測重載鋼軌損傷提供關鍵支撐。本發(fā)明也可以移植到其它重載線路，建立不同運行條件下更多材質(zhì)鋼軌的損傷函數(shù)模型，最終實現(xiàn)基于損傷定量化預測的不同材質(zhì)鋼軌選材，及任一路段的個性化鋼軌選材。

技術特征：

1.一種重載鐵路鋼軌滾動接觸疲勞損傷函數(shù)的建立方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的一種重載鐵路鋼軌滾動接觸疲勞損傷函數(shù)的建立方法，其特征在于：步驟1中，裂紋萌生臨界位置的確定方法為：

3.根據(jù)權利要求2所述的一種重載鐵路鋼軌滾動接觸疲勞損傷函數(shù)的建立方法，其特征在于：步驟2中，通過列車動力學確定裂紋萌生臨界位置處的磨耗數(shù)，即確定門檻值a在損傷函數(shù)中的橫坐標，具體如下：

4.根據(jù)權利要求3所述的一種重載鐵路鋼軌滾動接觸疲勞損傷函數(shù)的建立方法，其特征在于：步驟3中，先確定每列車造成的損傷，具體為：由現(xiàn)場觀測的相應半徑曲線上新軌上線后裂紋萌生天數(shù)、每天列車通過數(shù)量，計算得到萌生時通過的列車數(shù)，而萌生時通過列車數(shù)的倒數(shù)即為每列車造成的損傷。

5.根據(jù)權利要求4所述的一種重載鐵路鋼軌滾動接觸疲勞損傷函數(shù)的建立方法，其特征在于：步驟3中，確定鋼軌滾動接觸疲勞萌生速率，即損傷函數(shù)ab段的斜率；具體為：

6.根據(jù)權利要求5所述的一種重載鐵路鋼軌滾動接觸疲勞損傷函數(shù)的建立方法，其特征在于：步驟4中，具體為：

技術總結
本發(fā)明涉及交通運輸技術領域，具體地說，涉及一種重載鐵路鋼軌滾動接觸疲勞損傷函數(shù)的建立方法，其包括以下步驟：步驟1、確定滾動接觸疲勞臨界萌生位置；步驟2、確定疲勞萌生臨界磨耗數(shù)；步驟3、滾動接觸疲勞萌生速率估計；步驟4、通過線性關系確定損傷函數(shù)。本發(fā)明能較佳地建立損傷函數(shù)模型。

技術研發(fā)人員：趙鑫,邢詠驊,栗楊,張昕,溫澤峰,魯連濤
受保護的技術使用者：西南交通大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/4/28