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随着铁路的高速化和重载化,轮轨工作环境日益恶化,其破坏也变得越来越严重。本论文根据轮轨间作用特点,从轮轨摩擦热响应的角度对轮轨关系作了研究。具体计算中使用改进的热流有限元分析软件TJ-2D和接触有限元分析软件JCM-2D,两个软件的结合可以用来计算轮轨间由摩擦引起的温度、热应力场分布。 首先,用热流边界条件模拟轮轨接触界面的摩擦热源,考虑轮轨间的非稳态热传导、轮轨自由表面与环境的热对流、热辐射的影响,建立轮轨滚动接触热耦合有限元计算模型,分析计算轮轨滚、滑工况下的摩擦温升;其次,以求得的轮轨温度场结果作为求解轮轨应力场的已知条件,轮载以集中力形式直接加载于轮心处,将摩擦温升引起的热载荷等效为假想体力和热边界面力,施加于相应的单元节点上,建立了轮轨热—机械载荷耦合作用的热弹性平面应力模型,分析热—机械载荷作用下的轮轨应力场。热弹性平面应力模型中的轮轨接触载荷可以根据二维Hertz接触理论确定,也可使用接触单元法来求解。 使用上述模型,本文着重分析了滚、滑动工况下轮轨摩擦温度场和应力场的分布特点;滑动工况下材料磨损、滑动速度等因素对温度场和应力场的影响;滚动工况下轮重、蠕滑率以及摩擦系数等因素对温度场的影响以及滚动速度对温度场和应力场的影响;接触表面不平顺对滚、滑工况下温度场的影响。分析结果显示:1)在滚、滑动工况中,轮轨摩擦热响应主要分布在接触表面大约2mm的深度范围以内,且随着深度的增加其影响越来越小;2)接触表面以下存在一个区域,其等效应力水平因热载荷的存在而减小,其分布深度随着热传导的进行不断增加;3)材料的磨损,即接触斑的不断扩大,对磨损过程中的温度场、应力场分布有较大影响,但对最终车轮稳态时的温度场、应力场分布影响很小;4)表面不平顺使得接触表面的温度分布出现振荡,从而使材料的局部工作环境较光滑表面时更加恶化;5)滚动工况下,摩擦热响应随着纵向载荷、蠕滑率以及摩擦系数的增大而增大;6)轮轨间的相对滑动速度越大,其热响应就越大。