钢轨波浪形磨损(简称波磨)是铁路工业界难以解决的技术问题。人们对它的观察和研究已有一百多年的历史。虽然人们通过理论和数值方法对钢轨波磨初始形成和发展机理的认识有了很大的进展,但是迄今为止还没有一种广泛认同的统一有效的理论模型来解释波磨初始形成机理和影响波磨发展的因素。随着列车速度、轴重的提高、车流密度的加大和新型机车车辆结构的推广使用,钢轨波磨现象变得日趋严重,因而导致较高的铁路运输成本,直接影响铁路运输安全。钢轨波磨导致车辆轨道结构激烈的振动并产生噪声,不仅影响旅客乘坐的舒适度和装运货物的完整,而且缩短结构部件的使用寿命。因此,开展钢轨波磨的研究具有很强的理论意义和工程应用背景。 受到国家自然科学基金重点项目“轮轨滚动接触表面波浪形磨损和滚动接触疲劳的研究”(59935100)、国家自然科学基金面上项目、高等学校全国优秀博士学位论文作者专项基金和西南交通大学博士生创新基金等项目的资助,本文主要开展了以下几方面的研究工作: (1) 首先对国内外钢轨波磨的研究历史和现状进行了详细论述,明确了钢轨波磨研究的意义和研究方向。 (2) 建立了较为完整的钢轨磨耗型波磨理论计算模型,模型中包含了车辆一轨道垂向横向耦合动力学理论模型、轮轨材料摩擦磨损模型和改进的三维非赫兹滚动接触理论模型,并发展了相应的数值程序。该模型是目前国内外最完整最复杂的钢轨波磨计算模型,突破了已有方法仅考虑轮轨垂向耦合振动对钢轨波磨形成的影响和仅借助赫兹滚动接触理论进行型面损伤计算的局限性。用它不仅可以计算一个车轮和钢轨动力行为与摩擦磨损的循环作用过程,还可以同时计算半个车体一个转向架四个车轮和钢轨动力耦合作用与摩擦磨损的循环作用过程。利用该模型详细分析计算了各种可能的轨道缺陷对钢轨波磨形成和发展的影响,得到了大量的数据结果,这些结果对进一步认识钢轨波磨初始形成与发展机理和解决钢轨波磨问题有重要的参考价值。使用1:1试验装置对钢轨磨耗型波磨计算模型进行了试验验证。钢轨磨耗型波磨理论模型与试验结果吻合较好。 (3) 针对过去人们进行滚动接触应力分析只局限于稳态的情形,本文建立了二维弹塑性非稳态滚动接触有限元模型。模型中材料本构采用能较好描述材料棘轮效应的循环塑性模型。分别研究纯滚动、全滑动、牵引滚动和多步载荷条件下钢轨的残余应力、应变和变形,得出了钢轨材料在反复滚压条件