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钢轨砂带磨削的残余应力及其影响因素研究

【摘要】:随着我国铁路载运需求的不断提高,钢轨养护问题变得越来越重要。目前钢轨砂带打磨作为钢轨养护的新型手段逐渐被采用,而打磨后的残余应力分布对钢轨的服役有着重要影响,所以开展钢轨砂带打磨后的残余应力及其影响因素的研究对提高打磨效果具有重要意义。本文的主要研究内容如下:首先,研究钢轨砂带打磨过程中的磨削力,根据钢轨打磨的实际工况,对接触状态进行初步分析,讨论磨削力与打磨功率、砂带速度之间的关系,并通过实验得到砂带打磨过程中磨削力比的取值范围。利用赫兹接触理论,对作用在钢轨轨面的接触应力进行理论建模,并推导出接触宽度和接触长度的理论公式,为后续温度场和应力场的理论建模和有限元仿真提供基础。其次,以打磨过程中的磨削力研究为基础,建立磨削区域总热流量的模型,然后考虑实际打磨工艺参数和材料参数,建立磨削热流量的分配模型,进而推导出流入钢轨热流量的理论模型。结合磨削原理中热传导的相关理论,对磨削区域的热源进行积分,建立磨削区温度场的理论模型。根据有限元的瞬态模块,仿真分析不同打磨工艺参数下磨削区的温度分布情况,对理论结果与仿真结果进行误差分析,为磨削温度场对残余应力的影响分析提供基础。再次,根据磨削力和磨削热的分析结果,对钢轨砂带打磨残余应力场进行研究。通过弹性力学原理,分别建立磨削力、热引起应力-应变变化的理论模型,根据叠加原理,对两者引起的应力-应变进行叠加,然后结合田越对钢轨材料真实应力-应变研究,建立力热耦合作用下残余应力的原理模型。利用有限元仿真软件中结构和温度的瞬态模块,对钢轨材料性能和环境因素进行设置,分别仿真力热稱合作用下钢轨表层残余应力分布,对表层残余应力的产生原理和过程进行讨论,并对打磨工艺参数对残余应力的影响进行研究。最后,进行打磨前后残余应力测量试验,在钢轨表面选取不同位置,重复测量钢轨打磨前后的残余应力值,验证打磨工艺参数对钢轨表层残余应力分布规律影响的正确性。钢轨表层残余应力的分布状态是影响钢轨服役的重要因素,为钢轨砂带打磨技术在实际工程应用中工艺参数选择提供理论参考。

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