[发明专利]一种高速铁路道岔表面伤损分析方法

说明书

本发明提供了一种高速铁路道岔表面伤损分析方法，通过车辆‑道岔模型和车轮‑道岔钢轨模型耦合计算轮载过岔和轮载转移、道岔组合钢轨局部模型施加上述荷载、计算钢轨材料塑性变形、磨耗和疲劳随着车轮通过次数进行磨耗和疲劳累积、裂纹萌生和形成、裂纹扩展至掉块或深裂纹，最后制订维修策略和参数。本发明通过道岔表面伤损形成和发展，根据列车过岔引起轮载在尖轨‑基本轨、心轨‑翼轨的分担和转移、尖轨‑基本轨、心轨和翼轨在荷载作用下的磨耗变化和廓形变，钢轨材料塑性变形、疲劳累积、裂纹萌生和扩展，体现道岔钢轨在列车荷载作用下的表面磨耗和裂纹发展的交替变化和相互影响。

技术领域

本发明涉及轨道领域，具体涉及铁路道岔伤损分析方法。

背景技术

高速道岔是实现高速列车转换股道的关键线路设备，也是轨道结构中最薄弱的部分，是影响行车安全和限制车速的一个主要因素。目前，我国高速道岔(客专线、CN、CZ)已有10年左右的运营实践，道岔钢轨件接触疲劳伤损问题逐渐凸显出来，大大缩短了钢轨件的使用寿命，甚至威胁了高速铁路的运行安全，岔区尖轨或心轨的接触伤损得不到及时控制，一旦发生折断，可能会使得无扣压的尖轨和心轨处于自由状态，导致重大灾难性事故。

对于高速铁路道岔区钢轨来说，由于尖轨和心轨具有不同截面，尖轨-基本轨、心轨-翼轨在不同位置呈现不同的组合情况，这就导致列车过岔的车辆-轨道相互作用、轮轨接触关系更为复杂，钢轨对接触疲劳伤损更为敏感和显著。针对高速道岔轮轨接触疲劳伤损问题，目前相关部门通过采取材料改良、钢轨打磨、调整轨道几何尺寸等措施进行整治，但接触疲劳伤损仍反复出现，无法从根本上解决。

现有的钢轨疲劳裂纹与磨耗两类伤损的计算大部分是独立考虑的，但从机理上看，裂纹会导致表面材料断裂且脱离母材，形成疲劳磨耗。当钢轨抗磨耗性较差时，裂纹周围的金属会被磨损掉，使得裂纹被消除或抑制；反之，裂纹则会保留在钢轨表层材料中。因此，疲劳裂纹和磨耗在共存中是相互影响的，彼此受到钢轨材料性能、钢轨初始状态、荷载、轮轨几何关系、轮轨接触、钢轨打磨和润滑、摩擦控制、轨道几何参数和系统刚度等因素的影响。

现需一种高速铁路道岔表面伤损分析方法，可以通过模拟车辆过岔时的车辆-道岔动力计算、车轮-钢轨表面接触和位置转移，由此计算轮载分担和转移、接触应力、黏着-滑动效应，分别计算钢轨材料的磨耗和疲劳，进而模拟钢轨组合情况下的廓形变化、材料疲劳损伤累积，从而预测道岔钢轨疲劳裂纹和磨耗发展。

发明内容

本发明考虑了列车通过道岔时的基本轨-尖轨、心轨-翼轨的组合关系、荷载转移和分担以及荷载作用下的道岔组合钢轨的磨耗、廓形变化等特征，同时解决现有技术中钢轨疲劳裂纹与磨耗两类伤损的计算是独立考虑、没有考虑裂纹和磨耗是同时存在、共同发展和相互影响的问题，提供了同时分析钢轨表面疲劳裂纹和磨耗的一种高速铁路道岔表面伤损分析方法，通过在列车过岔时产生的轮轨动力、轮轨接触和位置转移情况，从而使得道岔尖轨-基本轨、心轨-翼轨共同分担荷载、分别发生磨耗并引起各自廓形的变化、分别发生材料疲劳损伤累积，进而反过来又影响车辆过岔动力、轮轨接触和位置转移，形成新的磨耗和疲劳积累和发展的方式，解决了上述问题。

本发明提供了一种高速铁路道岔表面伤损分析方法，包括以下步骤：

S1、提取车辆和轨道的基础数据，应用基础数据建立高速列车道岔耦合动力学模型；

S2、根据高速列车道岔耦合动力学模型进行轮载计算、轮载转移和分担分析，并导出结果；

S3、建立道岔钢轨组合局部模型，在道岔钢轨组合局部模型上附加轮载计算的结果和轮载转移和分担分析的结果；

S4、根据附加轮载计算的结果和轮载转移和分担分析的结果的道岔钢轨组合局部模型，计算尖轨-基本轨、心轨-翼轨组合下各自表面材料在分担的荷载作用下的塑性变形、磨耗和疲劳并随着车轮通过次数进行磨耗和疲劳累积；