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30 t轴重重载铁路轨道刚度研究李子睿;李炜红;司道林;刘海涛;王敏【摘要】重载铁路轨道的刚度由钢轨、支点间距和轨下支承刚度共同决定，合理的轨道刚度对延长轨道结构的使用寿命、减少现场养护维修工作量、提高线路的经济效益有着重要的实际意义。
本文结合大秦线重载铁路扣件弹性垫层的使用情况，探讨了在30 t列车轴重作用下，不同钢轨类型及不同道床支承状态所对应的弹性垫层刚度范围。
分析认为：30 t轴重重载铁路轨道宜使用68 kg/m 钢轨或75 kg/m 钢轨；对于新建重载有砟轨道线路弹性垫层刚度选取范围为120～160kN/mm；对于既有有砟轨道重载改造线路弹性垫层刚度选取范围为100～140 kN/mm；对于刚性道床重载无砟轨道线路弹性垫层刚度选取范围为40～60kN/mm。
【期刊名称】《铁道建筑》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】3页(P135-137)【关键词】重载铁路;轨道刚度;弹性垫层刚度【作者】李子睿;李炜红;司道林;刘海涛;王敏【作者单位】中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081;中国铁道科学研究院标准计量研究所，北京 100081;中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081;中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081;中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081【正文语种】中文【中图分类】U213.2+111 国内外重载铁路刚度研究轨道刚度由钢轨、扣件间距及轨下支承刚度共同决定。
在钢轨类型和扣件间距一定的情况下，支点刚度过大，列车通过时会引起扣件节点承受的垂向荷载过大，加速扣件伤损;反之，支点刚度过小，列车通过时轨道变形过大增大了行车阻力。
所以，合理的轨道刚度对延长轨道部件的使用寿命、降低现场养护维修工作量和运营成本意义重大。
世界各国根据各自的使用经验选取不同的弹性垫层刚度指标，目前没有成熟的设计理论和确定的弹性值，弹性垫层的刚度指标均是在理论分析的基础上，经过大量试验和长期实践确定的。
世界铁路重载运输技术的最新进展1. 世界铁路重载运输发展的新水平1.1 重载列车最高牵引重量的世界记录已达10万吨，最高平均牵引重量达3.9万吨世界各国重载铁路借助于采用高新技术，促使重载列车牵引重量不断增加。
2001年6月21日澳大利亚西部的BHP铁矿集团公司在纽曼山—海德兰重载铁路上创造了重载列车牵引总重99734t的世界纪录。
2004年巴西CVRD铁矿集团经营的卡拉齐重载铁路上，开行重载列车的平均牵引重量已达39000t。
南非Orex铁矿重载线是窄轨铁路（1067mm轨距），开行重载列车的平均牵引重量为25920t。
美国最大的一级铁路公司联合太平洋铁路（UP）经营的铁路里程为54000km，其所有列车的平均牵引重量已达14900t，一般重载列车的牵引重量普遍达到2～3万t，其复线年货运量在2亿t以上。
2005年国际重载运输协会（IHHA）的巴西年会上已对重载运输的定义作了新的修订：重载列车牵引重量至少达到8000t（以前为5000t）；轴重（或计划轴重）为27t及以上（以前为25t）；在至少150km线路区段上年运量超过4000万t（以前为2000万t）。
1.2 重载运输推广范围日益扩大，欧洲已在客货混运干线上开行重载列车重载运输技术在越来越多的国家推广应用。
不仅在幅员辽阔的大陆性国家（如美国、加拿大、澳大利亚、南非等国）重载铁路上大量开行重载列车，而目前在欧洲传统以客运为主的客货混运干线铁路上也开始开行重载列车。
德国铁路从2003年开始在客货混运的既有线路（如汉堡—萨尔兹特）上开行轴重25t、牵引重量6000t的重载列车，最高运行速度80k m/h（重车），同时开行200～250km/h速度的旅客列车。
2005年9月开始，法国南部铁路正式开行25t轴重的运送石材的重载列车。
芬兰铁路正在研究开行30t轴重的重载列车。
欧盟经过研究认为，欧洲铁路客运非常发达，每年运送90亿人次、6000亿人公里。
30t轴重重载铁路轨道结构强化改造技术曹海滨【摘要】朔黄重载铁路轨道结构基础设施均按25 t轴重设计与建造,将货车轴重提高至30 t同时开行2万t以上的重载列车,将导致基础设施的强度与疲劳性能发生显著变化.根据朔黄重载铁路既有基础设施现状,对30 t轴重运输条件下基础设施存在的薄弱环节进行了现场调研,并通过大轴重实车试验对直线、不同半径曲线地段轨道部件受力和轨道几何状态进行了测试与分析,给出了铺设新型重载轨枕与重载扣件等结构强化改造技术措施.【期刊名称】《铁道建筑》【年(卷),期】2016(000)007【总页数】4页(P132-135)【关键词】重载铁路;轨道结构;适应性评估;轨道强化技术【作者】曹海滨【作者单位】神华集团有限责任公司,北京 100011【正文语种】中文【中图分类】U239.2;U213.2+11重载铁路运输受到世界各国的广泛重视，美国、巴西、澳大利亚、南非等国已大力发展重载铁路。
目前重载铁路已被国际公认为铁路货运的发展方向，成为世界铁路发展的重要方向之一。
从国外发展重载运输的实践来看，大轴重重载运输具有很好的经济性：一方面其运能大、效率高、运输成本低；另一方面大轴重、高牵引质量重载运输可显著提高机车车辆运转效率，减少机车车辆数量，同时降低牵引能耗，降低机车车辆维护费用和设备占用时间。
目前国外重载煤运铁路货车轴重大多集中在26.5～32.4 t，如澳大利亚昆士兰地区煤运铁路轴重最大为26.5 t，北美地区煤运铁路最大轴重达32.4 t。
随着神华集团各煤炭基地建设步伐的加快和矿区开采规模的扩大，神华铁路骨干网络的运输能力已不能适应发展的需求，通过多种技术途径扩大神华铁路运输能力十分紧迫。
经过近2年的广泛调研、咨询和论证，提出了在既有铁路基础设施强化改造基础上，通过提高轴重，增加牵引质量，规模开行2万t及以上重载列车等技术途径，提高神华铁路的运输效率和能力。
但提高货车轴重至30 t及以上，其荷载将超出轨道结构和部件设计标准。
城市轨道交通钢轨的温度变形与热应力分析城市轨道交通是现代城市交通中不可或缺的一部分，它能够高效地连接城市不同区域，为居民提供便捷的出行方式。
而城市轨道交通的钢轨作为承载列车运行的重要基础设施，其温度变形和热应力的分析具有重要的工程意义。
首先，我们需要了解城市轨道交通的工作原理。
城市轨道交通中，列车通过钢轨行驶，而钢轨的铺设和使用过程中会受到温度变化的影响，从而引起钢轨的温度变形和热应力。
城市轨道交通的钢轨通常由长型钢材制成，常见的材质包括Q235、Q345和U71Mn等。
钢轨在列车行驶过程中，会受到列车的轴重和速度等因素的影响，同时也会受到环境温度的影响。
当城市轨道交通的钢轨处于运行状态时，由于列车的轮轨接触和摩擦，钢轨会产生一定的热量。
同时，夏季高温天气等环境因素也会使得钢轨温度升高。
这种温度升高会导致钢轨膨胀，产生温度变形。
温度变形主要表现在钢轨的纵向伸长和横向收缩。
当钢轨伸长或收缩时，会产生内应力，即热应力。
这些热应力有可能超过钢轨材料的强度限制，从而影响钢轨的使用寿命和安全性。
为了准确地分析钢轨的温度变形和热应力，我们需要考虑以下几个关键因素。
首先是环境温度变化。
环境温度变化会直接影响钢轨的温度升高程度。
在夏季高温天气中，钢轨会受到较大的温度影响，从而产生较大的温度变形和热应力。
其次是列车运行速度和轴重等因素。
列车运行速度越高，轴重越大，钢轨受到的动荷载也会越大，从而引起更大的温度变形和热应力。
因此，在设计和铺设城市轨道交通时，需要合理考虑列车的运行参数。
此外，还需要考虑钢轨的材料特性。
不同材质的钢轨具有不同的热膨胀系数，导致不同的温度变形和热应力。
因此，在实际工程中，应根据具体情况选择合适的钢轨材料，并合理考虑其热膨胀系数。
在进行钢轨的温度变形和热应力分析时，可以采用有限元分析方法。
有限元方法是一种计算工程中常用的数值分析技术，通过将复杂结构划分为有限个小单元来模拟整体结构的力学行为。
30t轴重重载铁路轨下橡胶垫老化对轮轨动力学影响研究30t轴重重载铁路轨下橡胶垫老化对轮轨动力学影响研究摘要：随着经济的快速发展，铁路运输扮演着至关重要的角色。
然而，由于运输需求的不断增加，以及铁路货运的快速发展，重载铁路轨道的负荷也不断增加。
这对铁路轨道结构和材料的性能提出了更高的要求。
橡胶垫是支撑铁路轨道与基座之间的重要部件，但长期使用以后会出现老化现象。
本研究旨在通过对老化橡胶垫的分析，探讨其对轮轨动力学的影响。
1. 引言铁路运输作为一种高效便捷的交通方式，在现代化的交通架构中扮演着重要角色。
随着经济的发展，铁路运输量不断增加，既有铁路路网的承载能力也在不断提高。
然而，重载铁路轨道因运输量的不断增加而承受了更大的负荷，因此，对铁路轨道结构和材料的性能有了更高的要求。
2. 30t轴重重载铁路轨道的负荷30t轴重是目前重载铁路中较常见的参数，它表示一对轴承所承受的静态和动态负荷。
它的增加使得铁路轨道结构面临更大的压力，并对轮轨动力学产生了一定影响。
3. 橡胶垫的作用橡胶垫作为一种重要的轨道支承材料，能够减少噪音、降低振动，并对轨道结构起到保护作用。
它位于轨道底座和铁轨之间，能够均匀分布载荷并缓冲振动。
4. 橡胶垫老化的原因橡胶垫老化的原因有多方面，包括长期负荷的压迫、氧化、紫外线照射和温度变化。
这些因素使得橡胶垫的弹性性能、物理性能和化学性能逐渐下降。
5. 老化橡胶垫对轮轨动力学的影响5.1 弹性恢复能力降低：老化的橡胶垫弹性恢复能力下降，导致轨道变形增加。
5.2 摩擦力变化：老化橡胶垫的摩擦系数变化不稳定，可能导致轮轨摩擦力不均匀。
5.3 声波传导特性变化：老化橡胶垫的声波传导特性会改变，导致噪音产生和扩散。
6. 老化橡胶垫的检测方法6.1 物理性能测试：通过测量老化橡胶垫的硬度、拉伸强度等物理性能来评估其老化程度。
6.2 化学性能测试：通过对老化橡胶垫进行化学成分分析，评估其老化程度。
6.3 动态性能测试：通过模拟实际轨道上的振动负荷测试老化橡胶垫的动态性能。
30 t轴重12号重载道岔交叉渡线轮轨力学行为及安全性研究侯博文;高亮;崔日新;何雪峰【摘要】The turnouts designed for 30 t axle-load wagon have been used on central and southern heavy haul railway corridor in Shanxi province. However, no study has ever been conducted on auxiliary scissors crossover for heavy haul railway. Based on vehicle-turnout coupled dynamics, a No.12 scissors crossover coupled dynamic model for 30 t axle-load wagon is established with multi-body dynamics software SIMPACK. The influences of wagons passing though scissors crossover, wagon speed and rail cant on wagon running safety indexes are analyzed. Reasonable recommendations are proposed for the design of the scissors crossover for 30 t axle-load heavy haul railway.%30 t轴重重载道岔已在山西中南部通道正线上投入使用，但对配套重载交叉渡线的研究尚属空白。
基于车辆道岔耦合动力学，采用多体动力学分析软件SIMPACK建立30 t重载货车12号交叉渡线动力仿真模型，分析重载列车过岔方式、过岔速度及轨底坡设计对行车安全性的影响，为30 t轴重重载铁路交叉渡线的设计提供合理建议。
５．５小结…………………………………………………………………………………………………………一４９结论和展望…………………………………………………………………………………５ｌ致谢………………………………………………………………………………………………………………………．５３参考文献………………………………………………………………………………………５４攻读硕士期间发表的论文及参加的科研项目……………………………………………５９图２．５Ｂｏ轴式重载机车轮轨接触几何关系２．５．２车轮踏面采用ＪＭ３踏面，钢轨采用６０ｋｇ／ｍ钢轨，轮轨接触几何关系见图２－６，轨距采用标准轨距１４３５ｍｍ，滚动圆直径为１．０５ｍ，轮缘厚度３４ｍｍ，轮缘高度２８ｍｍ，ｑＲ值１０．２７ｍｍ，轨底坡１：４０。
形＿７．。
８等Ⅳ）】ｏ‘１（３－１４）式中：肛—－平稳性指标；触动加速度，ｇ；ｆ—振动频率，Ｈｚ；Ｆ（ｆ卜频率修正系数。
按照平稳性指标确定的车辆运行平稳性等级列于表３．１中，垂向和横向采用相同的评定等级。
平稳性指标的测量位置为前后司机室中心点。
表３．１我国机车平稳性指标评定等级计算车辆以不同速度运行于不平顺直线线路时，车辆端部的横向和垂向振动加速度，来进一步评价其平稳性指标。
通过计算车体前后司机室垂向和横向振动加速度的最大值来评价机车的直线运行平稳性，所采用的标准是ＴＢ／Ｔ２３６０．９３（见表３．２）。
表３．２我国机车平稳性指标评定等级机车通过曲线时的情况比较复杂，一般可以通过数值仿真的方法进行研究，并对曲线通过的性能进行优化分析。
具有良好曲线通过性能的机车，意味着在通过曲线时轮轨间的相互作用力要小，这就能减轻车轮与钢轨的磨耗，作用在机车各部件上的力也较小，机车在曲线上的运行阻力也会随之下降。
对线路来说，过大的侧向力将导致轨距扩宽、轨排横移或钢轨翻转。
此外，车轮上较大的侧向力与较小的垂向载荷联合作用时，将使机车的抗脱轨安全性下降。
紧急制动时闸瓦性能对地铁车轮踏面热应力的影响吴涛;李林波;孙智;周辉;唐晓敏【摘要】以成都地铁车辆为研究对象,利用有限元软件ANSYS建立车轮踏面紧急制动时的真实尺寸模型,热分析车轮在连续2次紧急制动时的踏面温度,再将踏面温度作为热载荷,计算分析车轮踏面的结构热应力.重点分析在不同闸瓦宽度条件下,车轮踏面的温度以及对应结构热应力的变化情况;分析不同硬度的闸瓦在连续2次紧急制动时踏面温度与热应力的变化情况.【期刊名称】《现代城市轨道交通》【年(卷),期】2019(000)007【总页数】5页(P57-61)【关键词】地铁;紧急制动;车轮踏面;闸瓦性能;踏面热应力【作者】吴涛;李林波;孙智;周辉;唐晓敏【作者单位】成都地铁运营有限公司,四川成都 610031;成都地铁运营有限公司,四川成都 610031;成都地铁运营有限公司,四川成都 610031;成都地铁运营有限公司,四川成都 610031;成都地铁运营有限公司,四川成都 610031【正文语种】中文【中图分类】U211.50 前言地铁列车需频繁制动，导致车轮踏面与闸瓦间的磨损加剧，温度急剧上升，热应力增大，严重影响了闸瓦使用寿命及列车制动安全性能。
紧急制动是列车制动中最恶劣的情形之一，因此对其研究很有必要。
车轮踏面热应力研究分析是整个问题的关键。
目前，国内外很多研究者不仅对车轮的滑动生热和滚动生热有一定的研究，也对踏面制动的影响因素做了研究。
每条地铁线都有独自的设计，车辆也都有独自的要求。
本文主要针对成都地铁车辆车轮踏面的紧急制动进行研究，分析紧急制动时不同闸瓦的宽度和硬度对车轮踏面温度和热应力影响，并以此优化地铁车轮踏面与闸瓦之间的配合。
1 踏面紧急制动模型1.1 模型建立利用有限元软件ANSYS建立车轮踏面紧急制动时的车轮全尺寸模型。
车轮为新轮，踏面为LM型，最高速度为80 km/h。
划分的单元网格如图1所示。
1.2 模拟过程与假定过程利用ANSYS软件模拟车轮在闸瓦的作用下紧急制动，该过程考虑了车轮与闸瓦间的热传导以及表面换热问题。
30t轴重车单编万吨列车纵向冲动预测与分析从20世纪80年代开始,在提速和重载两个方面对重载运输技术的研究,使我国的铁路运输在有限的线路里程上不断将运量最大化,极大地缓解了运能紧张的矛盾。
目前,我国的铁路重载运输正在向大轴重方向发展,这被公认为是提高重载运输效率的最有效途径之一。
我国重载专线普遍轴重是25t,近期研发了30t大轴重运煤专用敞车C96并进入试验测试阶段。
重载列车在采用空气制动系统进行制动时,受制动不同时性和制动力变化不均匀性的影响,易导致列车纵向冲动过大的问题。
为了保证开行大轴重列车的安全,有必要对其开展纵向冲动的研究。
为此本文使用空气制动与纵向动力学联合仿真系统对30t大轴重敞车C96在单编万吨形式下的纵向动力学性能进行预测分析。
计算在常用全制动和紧急制动时的纵向冲动水平,与单独编组25t轴重C80车的万吨列车进行比较。
在80km/h的初速度下,30t轴重车在常用全制动时最大车钩力为434kN,紧急制动最大车钩力为1262kN,相比25t轴重车常用全制动时最大车钩力减小14.8%,紧急制动时最大车钩力减小2.9%。
通过对影响两种轴重车不同因素分析发现:制动缸升压特性使最大车钩力在常用全制动和紧急制动分别增大27.3%和11%;轴重增加分别增大24.3%和5.9%;列车编组变短分别减小36.5%和13.1%;制动能力变低分别减小25.9%和10.8%。
四种因素影响合计分别减小10.8%和7%。
说明C96车在制动缸升压特性、列车编组车辆数、轴重以及制动能力四个因素的改变是导致编组C96车纵向冲动变化的主因。
对30t轴重C96车编组万吨列车在不同线路类型下制动时的纵向冲动进行预测,与25t轴重C80车编组万吨列车进行对比,相同线路类型下(平道+上坡,平道+下坡)30t轴重车的纵向冲动水平要略优于25t轴重车;对长大下坡道的循环制动进行仿真计算,C96车编组万吨列车可以顺利通过长大下坡道;分析在缓解工况时的纵向冲动水平,同样与25t 轴重车进行了比较,相同缓解工况下,C96车编组万吨列车的纵向冲动水平要略低于C80车编组万吨列车。
重载铁路高密度行车条件下轨温变化规律试验研究罗慧刚【摘要】通过轨温变化现场测试研究重载铁路高密度行车条件下直线和曲线地段轨温变化规律。
试验结果表明：重载列车经过时，钢轨的温度由于受到列车风作用先降低，经过一定时间后升高；钢轨温度增加幅度自轨头、轨腰至轨底依次减小；大气温度不同列车通过时轨温变化也有所差异；列车通过直线段和曲线段的轨温变化趋势基本相同，但是曲线段钢轨的温度要比直线段钢轨温度高2℃左右。
%The paper carries out in-situ measurements on the rail temperature of both straight and curve sections on highly-intense heavy haul lines and endeavours to conclude the changing patterns. The results indicate that as the train passes by,the rail temperature goes down first due to the wind included and then climbs up afterwards,during which the changing range tends to go down as the measurements moves from the rail head to the rail base. At the same time,environmental temperature is also found to be an influential factor. Also,it should be noted that although the changing patterns for straight and curve sections are found roughly consistent,the temperature measured at the latter is approximately 2℃ higher than that of the former.【期刊名称】《铁道建筑》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】5页(P130-134)【关键词】重载铁路;现场测试;轨温变化;直线段;曲线段【作者】罗慧刚【作者单位】朔黄铁路发展有限责任公司肃宁分公司，河北肃宁 062350【正文语种】中文【中图分类】U239.4随着我国经济的发展，铁路货物运量迅速增长，重载运输己成为我国铁路货运的发展方向[1]。
30 t轴重机车车轮结构优化设计赵明成;马呈祥;吕士勇【摘要】随着30 t轴重HXD 2F机车的开发,货运机车轴重从25 t提高到30 t,对车轮的承载能力提出更高的要求,为此,对车轮结构进行优化设计.介绍车轮辐板结构优化,并根据UIC 510-5对车轮疲劳强度校核分析,优化后的车轮结构更优,并通过了车轮实物疲劳试验验证,该设计方法可供设计重载机车车轮参考.【期刊名称】《铁道机车车辆》【年(卷),期】2017(037)006【总页数】5页(P58-61,81)【关键词】HXD2F型机车;30t轴重;车轮;结构优化【作者】赵明成;马呈祥;吕士勇【作者单位】中车大同电力机车有限公司技术中心,山西大同 037038;中车大同电力机车有限公司技术中心,山西大同 037038;中车大同电力机车有限公司技术中心,山西大同 037038【正文语种】中文【中图分类】U260.331+1重载铁路运输能力大，效率高，成本低，是国际公认的铁路货运发展方向,而提高轴重是世界各国重载运输一致采用的举措之一。
我国也大力发展重载技术，如新建的30 t轴重的瓦日铁路是我国距离最长、轴重最大的重载铁路专线。
大同电力机车有限公司研制的30 t轴重货运电力机车现已完成型式试验和综合试验，正在线路运用考核。
车轮是机车工作条件最恶劣的部件之一，在承担机车质量的情况下，还要承受大量过曲线、钢轨接头、道岔、来自车上和轮轨间持续不断的动态载荷产生的机械应力以及制动摩擦产生的热应力的作用。
30 t轴重机车轴重的增加，车轮将处于更加恶劣的工况下，这对车轮设计提出了更高的要求。
主要介绍30 t轴重机车车轮结构优化、并通过疲劳试验对该车轮进行了验证。
1 车轮设计1.1 计算方法及验证标准HXD2F机车车轮强度计算依据UIC 510-5标准进行，只对机械载荷作用下的车轮进行计算和评估。
在机械载荷作用下，共分2种情况：超常载荷工况和常规载荷工况。
常规载荷工况又分为直线工况﹑曲线工况和道岔工况。
重载铁路用道砟垫设计研究郄录朝【摘要】有砟轨道桥隧段线下基础刚度大，在30 t轴重重载列车作用下道砟快速破碎，使道床弹性降低，加剧轮轨冲击，增加养护维修工作量。
在重载铁路桥上采用道砟垫可以减缓道砟破碎，增加道床弹性，减少养护维修工作量。
本文对重载铁路用道砟垫结构及参数进行了研究，研究结果表明道砟垫采用鞋钉式结构，表面用帘子布防止破损，在1250万次疲劳试验后未发现有明显的破损，道床道砟粉碎率很小，轨道弹性保持能力较好，累积变形与有砟轨道类似。
【期刊名称】《铁道建筑》【年(卷),期】2014(000)007【总页数】3页(P133-135)【关键词】重载铁路;有砟轨道;道砟垫【作者】郄录朝【作者单位】中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081【正文语种】中文【中图分类】U213.7有砟轨道结构是散粒体结构，道砟颗粒之间总是存在着空隙，在外荷载作用下，道砟颗粒相互错动，空隙减小，道砟颗粒各接触点(面)之间出现破碎、粉化，使颗粒排列更加紧密。
桥隧地段线下基础为刚性，比路基区段的轨道刚度大，在30 t轴重重载列车作用下道砟更容易破碎脏污，降低道床弹性缓冲功能，加剧轮轨之间冲击，增加养护维修难度和工作量。
其主要表现在以下几个方面:①路基与桥隧过渡段刚度改变，测试表明，桥上轨道模量比路基上轨道模量高出14 000～24 000 kN/m/m;②轨道刚度的差异使轮轨冲击加剧，增加了轨道变形和沉降，导致轨道不平顺;③桥上轨道刚度比路基区段大，而轨道阻尼的相对改变不明显，这会导致轨道部件性能急速恶化，加速道砟的破碎和粉化。
因此，重载铁路桥上有砟轨道结构应采取措施，降低轨道的刚度，减少道砟粉化，延长养护维修周期。
1 重载铁路道砟垫应用概况日本新干线、德国高速铁路、台湾高速铁路均在桥上有砟轨道中使用道砟垫，以提高轨道的弹性，改善道砟的受力状况。
1)国际铁路联盟的717R(UIC Code717R)规范建议，在桥上采用有砟轨道是保持轨道结构连续性最有效的方法，如有需要，可在道砟和桥面之间垫入弹性垫层以降低轨道的刚度，使桥上轨道与相邻路基上轨道有相近的竖向刚度。
30吨轴重重载铁路轨道结构力学特性研究的开题报告一、选题背景随着铁路运输的不断发展，轨道结构的安全和耐久性成为越来越重要的问题。
而大型重载列车的运行，特别是30吨轴重级别的列车，对铁路轨道结构的荷载会带来更大的挑战，因此研究铁路轨道结构在30吨轴重条件下的力学特性具有重要意义。
二、研究目的和内容本项目旨在通过数值模拟和实验研究的方法，探究30吨轴重重载铁路轨道结构的力学特性，包括结构受力特性、应变分布、应力分布、疲劳寿命等方面。
具体研究内容包括：1. 建立30吨轴重重载列车和铁路轨道结构的三维仿真模型；2. 分析列车在行驶过程中对轨道结构的动态荷载；3. 分析轨道结构在动态荷载下的受力分析，研究其应力分布、应变分布等力学特性；4. 对轨道结构的疲劳寿命进行分析；5. 建立实验验证平台，对所得到的仿真结果进行验证。
三、研究意义和创新点本研究对于提高轨道结构的安全、耐久性和经济性具有重要意义。
通过深入了解轨道结构在30吨轴重条件下的力学特性，可以为轨道的设计、维护和规划提供科学的依据和技术支持。
同时，本项目在轨道结构疲劳寿命的研究方面具有创新性，可为相关领域的疲劳寿命分析提供重要的思路和方法。
四、研究方法和步骤研究方法主要采用数值模拟和实验验证相结合的方式。
具体步骤如下：1. 利用ANSYS等有限元分析软件，建立30吨轴重重载列车和铁路轨道结构的三维仿真模型，对列车和轨道结构进行数值模拟。
2. 分析列车全速行驶时对轨道结构的动态荷载，运用动力学理论研究列车和轨道之间的相互作用关系。
3. 运用有限元分析法，对轨道结构在动态荷载下的应力分布、应变分布等力学特性进行分析，并对轨道结构疲劳寿命进行估算。
4. 根据仿真结果，建立实验验证平台，对仿真结果进行误差分析和验证。
五、预计成果1. 深入了解30吨轴重重载铁路轨道结构的力学特性，为轨道的设计、维护和规划提供科学的依据和技术支持。
2. 研究轨道结构的疲劳寿命分析方法和理论，可为相关领域的疲劳寿命分析提供重要的思路和方法。
30t轴重重载铁路轮轨滑动接触引起的钢轨热相变分析杨新文;顾少杰;周顺华;练松良【摘要】轮轨接触热损伤是重载铁路轮轨结构的主要失效形式之一.当重载列车机车加速牵引时,轮轨接触界面间发生相对滑动,轮轨相对滑动会导致轮轨接触区出现较高的接触温升,这种接触温升积累到车轮和钢轨材料的相变时会发生相变,从而导致轮轨接触表面的擦伤、裂纹和剥离等.本文将钢轨看作是弹性半空间体.首先利用轮对切片投影法计算轮轨接触几何关系,然后利用接触弹性方法计算了轮轨接触斑和法向接触应力,最后将得到的轮轨法向接触应力施加到钢轨弹性半空间模型中,利用Matlab软件编制了轮轨接触热效应分析程序,计算分析了轮轨接触的热效应,并研究了钢轨材料马氏体层产生的厚度、位置及其分布.针对不同的轮对横移量、车轮移动速度、摩擦因数和相对滑动速度进行了钢轨的温度场研究.结果表明:轮轨滑动接触热效应剧烈,温升可以达到奥氏体化临界点,形成脆硬的马氏体.计算结果也表明,利用弹性半空间假设研究轮轨接触热效应问题是可行的.【期刊名称】《铁道学报》【年(卷),期】2016(038)007【总页数】7页(P84-90)【关键词】重载铁路;轮轨接触;热效应;温升;相变【作者】杨新文;顾少杰;周顺华;练松良【作者单位】同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海201804;同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海201804;同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海201804;同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海201804【正文语种】中文【中图分类】U255轮轨接触热损伤是重载铁路轮轨结构的主要失效形式之一。
重载列车加速牵引时，车轮和钢轨接触面间容易发生滑动。
轮轨间瞬时接触滑动会急剧增加接触区的温升，甚至可突破材料的临界相变点，从而产生局部奥氏体化，滑动摩擦过后，轮轨接触区的温度会快速下降淬火而形成马氏体组织。
在摩擦热应力和荷载应力的共同作用下，脆硬的马氏体层容易产生裂纹，将成为引起钢轨裂纹与疲劳伤损的主要根源，见图1。
国内外学者对轮轨摩擦温升引起的热应力等问题做了大量的研究。
在滑动体热传导的基本问题方面，Blok[2]和Jaeger[3]做出了首创性的工作。
早期的学者主要利用拉普拉斯变换法以及格林函数法研究轮轨接触温升[4-6]，利用热源移动来模拟轮轨相对滑动，他们的热源模型为瞬态静热源。
由于大部分情况下轮轨接触不是椭圆接触，所以热源为非静热源。
近些年借助计算机的发展，很多学者利用有限元法求解轮轨摩擦温升问题[7-13]，增加工程的可行度，但是有限元法同样存在着一些难以解决的问题，比如在模拟车辆运行速度、轮轨空间位置关系、轮轨蠕滑状态等方面还不能很好的实现。
铁路车辆行驶的过程中车轮是边滚边滑的状态，因此本文研究了不同车速、不同相对滑动速度下的钢轨热效应。
钢轨表层的温升分布在接触表面下大约1.6 mm的范围内[11,14]，热扩散影响的范围有限且轮轨接触是小变形问题，接触斑的大小相对于轮轨曲率半径小很多，故本文将钢轨型面看作是弹性半空间体。
首先利用轮对切片投影法计算轮轨接触几何关系[14]，然后利用虚拟渗透法计算轮轨接触斑，计算了非椭圆斑的接触应力，计算结果能更好的反应轮轨真实的接触状态。
最后将真实的轮轨接触应力加在钢轨弹性半空间模型中，计算轮轨接触的热效应并分析了钢轨马氏体层产生的厚度、位置及其分布。
1 轮轨法向接触应力的计算1.1 轮对切片投影法钢轨是一个无限长柱状体，所有钢轨横截面所得的轮廓线都是一样的。
因此钢轨顶面的形状与竖坐标z和横坐标y有关，而与纵坐标x无关[15]。
而车轮是一个回转体，其踏面是一个回转面，它的形状与x、y、z的坐标位置都有关[16]。
在轮对坐标系Gwx′y′z′中，作平面x′=0切割车轮，该平面与车轮周边的交线即为主轮廓线。
再用平面分别切割车轮(见图2)，便可以得到n个轮廓线[15]。
由于车轮是回转体，在轮廓线上的任意点的竖坐标可以根据横坐标相同的主轮廓线上的对应点的竖坐标求得( 1 )逐点求出轮廓线上各点的坐标，从而构成轮廓线。
故由主轮廓线及所有x′轮廓线构成的车轮踏面的轮廓面。
再将轮廓面上的各点的坐标转换到轨道坐标系Oxyz上，再结合钢轨型面离散点进行扫描，得到轮轨法向间隙曲面[15]。
根据轮轨的法向间隙找到极值点，比较轮轨法向间隙的最小极值点的大小，若相等，则为接触点的位置，否则旋转侧滚角，经过迭代直到极值点相等，这样就计算得到轮轨接触点[17]。
1.2 法向接触应力的计算由上得到的轮轨接触点的坐标，引入轮轨接触实际嵌入量h0，J. Piotrowski[18]经过计算研究得出h0=0.55h，h为轮轨法向弹性压缩量的最大值，在这里，利用这一嵌入量可得到实际的接触斑。
对于出现多点接触的情况，其它接触点同时也分担一部分轮轨力，嵌入量h0就不够准确，此时我们需要对其进行修正。
在根据法向间隙获得接触斑大致范围，如果接触斑是关于车轴与主轮廓线形成的面对称的(忽略摇头角对其接触斑形状的影响)，则接触斑几个半轴的长度分别为OA=b1，OB=b2，OC=OD=a，见图3，面ABCD为接触斑是关于AB轴对称，故将接触斑看作左右两个半椭圆的连接[15]。
根据Hertz轮轨接触理论，接触应力呈椭圆分布[15]，假设最大压缩变形处的接触应力为p0。
将Hertz理论推广到非椭圆斑上，得到接触斑上各点的接触应力为p(x,y)=( 2 )若轮轨法向力N已知，则接触斑上的最大法向接触应力p0为p0=( 3 )把p0代入式( 2 )中就可以得到任意点的接触应力。
2 钢轨接触热效应分析2.1 热流密度轮轨间相对滑动摩擦热流密度确定如下q(x,y)=μp(x,y)v( 4 )式中：q(x,y)为热流密度,J/(m2·s)；μ为摩擦系数；p(x,y)为接触区法向压力分布；v为接触点对的相对滑动速度。
2.2 热传导分析基于各向同性固体的热传导经典方程式[19]为( 5 )式中：θ是温升,℃；κ是热扩散率,m2/s。
热扩散率κ的计算式为( 6 )式中：k是热导率,W/(m·K)；ρ是密度；cP是比定压热容,J/(g·K)。
2.3 接触斑产生的温升设一个接触斑面热源在半无限大固体表面上(z=0)沿x轴的正方向以相对速度V移动，见图4，将接触斑离散成网格，每个网格可视为点热源，点热源释放的热量为dQ=qdxdydt，在本文的模型中假设摩擦功全部转化为摩擦热，摩擦热流平均分配给车轮和钢轨。
用Green函数法求解热传导方程( 5 )，可得钢轨内任一点的温升为θ(x′,y′,z′)=( 7 )2.4 钢轨相变分析本文选取的钢轨钢的完全奥氏体化临界温度为Ac3=735 ℃，钢轨型面的温升超过Ac3的区域形成完全奥氏体化组织，车轮经过以后，过冷的奥氏体完全变成脆硬的马氏体组织，见图5。
3 算例本文以我国重载铁路标准75 kg/m钢轨与标准LM磨耗型踏面为例(见图6)，计算不同横移量下轮轨接触应力，并施加到弹性半空间体上，针对不同车速、摩擦系数和相对滑动速度情况下，进行了轮轨的热效应分析。
分别取车速为1、5、10、20、40、60、80、100 km/h；根据不同的轮轨表面状态(润滑或雨水污染等)取摩擦系数为0.1、0.2、0.3和0.4；相对滑动速度为0.2、0.5、1、2 m/s。
选取车速度为40 km/h、摩擦系数0.3、相对滑动速度0.5 m/s为基本工况。
根据以上的方法可得轮轨接触热效应分析的流程见图7。
本文提出的计算轮轨接触斑和法向接触应力的数值方法，通过与Kalker的CONTACT程序计算结果进行了对比，其有效性与可靠性在文献[20-21]中做了重点阐述。
在计算中，钢轨的材料参数见表1。
表1 材料参数参数数值比热容c/J·kg-1·K-1()470热传导率k/W·K-1·m-1()41密度ρ/kg·m-3()7790泊松比v0.3弹性模量E/Pa2.07×1011环境温度T0/℃20表面换热系数h/W·K-1·m-2()20热膨胀系数α/K-11.5×10-54 计算结果图8表示钢轨表面相变深度随不同车轮移动速度和轮对横移量的变化规律。
从图8可知，车轮移动速度较低时(小于20 km/h)，由于热量的聚集，钢轨温升急剧增大，形成完全马氏体层的厚度大都超过0.1 mm；速度较高时(超过20 km/h)，完全马氏体层的厚度小于0.1 mm。
因此在列车刚启动时发生的车轮空转较运行过程中的空转造成的轮轨表面擦伤更严重[22]。
随着轮对横移量的增大，钢轨表面相变深度有一个先降低后增加的过程，这是由于轮轨从逐渐匹配到轮缘接触过程的反应。
横移量为3 mm时，轮轨最大接触应力最小，对应的热流密度也较小，引起的钢轨表面相变深度也相对较小；横移量到达9.18 mm时，出现两点接触，接触应力高，热流密度大，引起的钢轨表面相变深度就较大。
图9为不同轮轨相对滑动速度和滑动摩擦系数条件下钢轨马氏体层厚度的对比。
由9图可知，相对滑动速度和滑动摩擦系数的增大将导致轮轨接触热流密度增大，从而使钢轨马氏体层厚度也随之增大。
图10表示为温度最高点延后量随行车速度的变化规律。
当一个接触斑面热源在钢轨表面移动时，钢轨表面最大温升点并不在接触斑面热源的中心处，而是在面热源靠后的地方，故把钢轨表面最大温升点至热源中心的距离简称为最高温升延后量。
由于这部分产生的热量更多，温升更高，并且延后量受到面热源移动速度和热扩散速率等因素的共同影响，故研究延后量对钢轨表面热伤损的产生与发展有重要的意义。
由图10可知，车轮前进速度较慢时，热量在接触斑面热源后边积聚，热量来不及扩散出去，延后量较大，故钢轨表面热伤损可能会发生于距离热源中心稍后的地方；前进速度达到60～80 km/h时，热扩散率与车轮移动速度达到平衡，速度更大时，延后量受到车轮移动速度的控制，延后量较小，温升最高点靠近接触中心，故钢轨表面热伤损可能会发生于轮轨接触中心区域。
图11为轮对横移量为0 mm的基本工况下，钢轨表面面热源的热流密度、钢轨面层的温升等值线和相变深度图。
图11(a)为钢轨表面热流密度图，与法向接触应力对应，接触中心处的热流密度值为134.5×106 J/(m2·s)。
图11(b)、11(c)为钢轨表面温升和纵向剖面温升的等值线图，可以看出，由于轮轨滑动摩擦导致接触区域内温升加剧，非接触区温升影响较小。
图11(d)为此工况下相变区域的范围，最大相变深度为0.005 1 mm，如图中红色粗实线所示。
图11(e)为此工况下距钢轨表面不同深度点的温升随时间变化的趋势。
