4种车轮材料与U71Mn热轧钢轨匹配特性

为研究车轮材料对轮轨匹配行为的影响,在MMS-2A型轮轨磨损试验机上模拟研究了U71Mn热轧钢轨和4种不同车轮材料的摩擦磨损行为.采用电子分析天平测量试样磨损量,采用SEM对试样进行微观分析.结果表明:随着车轮含碳量升高,车轮硬度升高,车轮的磨损量逐渐降低,而与之匹配的钢轨磨损量逐渐升高;轮轨试样的磨痕粗糙程度与磨损程度相关,磨损越严重,磨痕越粗糙;轮轨试样的硬度比决定轮轨试样的磨损机制,轮轨硬度比较低时,主要以磨粒磨损为主,磨损最严重,当轮轨硬度比继续升高,主要以疲劳磨损为主,磨损降低,当轮轨硬度比接近1.1时,轮轨氧化达到最严重,主要以氧化磨损为主.      

滑差对重载列车轮轨黏着特性与表层损伤的影响

在自行研制的小型轮轨滚动磨损实验机上,以CL60车轮钢和U71Mn钢轨钢配副为研究对象,通过控制轮轨的转速,研究滑差对重载列车轮轨黏着特性与表层损伤的影响。结果表明:滑差对轮轨黏着特性存在显著影响,在所测试的若干工况下,随滑差增大,轮轨黏着系数增大;滑差影响轮轨的磨损量,随滑差增大,轮轨磨损量增加;轮轨表面硬度随滑差增大提高;不同滑差下轮轨表面磨损机制不同,纯滚动摩擦时轮轨以疲劳损伤为主;随滑差的增加,轮轨表面磨损机制由轻微的疲劳磨损转变为黏着磨损。此外,在相同滑差下,车轮表面损伤程度较钢轨严重。     

基于非线性超声的CL60车轮和U75V钢轨磨损检测方法

针对早期轮轨滚动磨损变化过程难以通过无损手段进行表征的问题，提出了非线性超声技术对不同磨损程度的CL60车轮与U75V钢轨试样进行检测评估；建立了基于轮轨试样表面磨损特征的Murnaghan模型，并利用非线性超声有限元仿真，通过塑性变形层厚度变化情况模拟不同程度的摩擦损伤，分析了其相对非线性系数变化规律及其产生原因。试验结果表明:轮轨的早期磨损会导致材料表面产生塑性变形层，随着塑性变形的加剧，材料损伤将以微裂纹为主，车轮角加速度越大，轮轨间相对滑动作用时间越短，塑性变形层越薄，且CL60车轮较U75V钢轨磨损程度更为严重；CL60车轮试样在车轮角加速度分别为10、250、1 500 r·min-2时，对应的相对非线性系数分别为12.19、8.43、5.68，U75V钢轨试样在车轮角加速度分别为10、250、1 500 r·min-2时，对应的相对非线性系数分别为7.57、6.09、5.04，与CL60车轮试样相比，U75V钢轨试样的相对非线性系数变化缓慢。可知，相对非线性系数与塑性变形层厚度呈正相关，微裂纹产生的非线性效应比塑性变形层更强，相对非线性系数增幅更大，因此，可通过材料的相对非线性系数变化判断材料的磨损阶段。      

城市轨道交通钢轨磨耗和裂纹萌生分析与选型建议

分析了基于能量密度法和临界平面法的滚动接触疲劳裂纹萌生预测理论与Archard法的磨耗预测理论, 提出了城市轨道交通钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗共存发展预测模型; 针对城市轨道交通常用的U71Mn热轧、U75V热轧和U75V热处理等3种不同硬度的钢轨, 预测其表面滚动接触疲劳裂纹的萌生寿命、相应的钢轨型面变化和磨耗发展率; 分析了3种硬度钢轨的疲劳裂纹萌生和磨耗发展特征; 基于安定极限理论, 结合城市轨道交通常见坡度和常用ER9型车轮, 从轮轨硬度匹配的角度提出了城市轨道交通的钢轨选型建议。研究结果表明: 随着硬度的增大, 钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命延长, 磨耗发展率降低, U75V热轧和U75V热处理钢轨的磨耗发展率分别比U71Mn热轧钢轨低3.2%和12.1%, 裂纹萌生寿命分别比U71Mn延长14.8%和31.1%;在城市轨道交通常用坡度情况下, 3种不同硬度的钢轨材料都处于弹性安定极限范围, 但随着坡度增大, 钢轨材料趋向于塑性安定极限; 考虑与ER9车轮的硬度匹配情况, 建议钢轨踏面较车轮踏面的硬度高些, ER9车轮与U75V热轧钢轨和U75V热处理钢轨的轮轨硬度比分别为0.87~1.04和0.71~0.84, 这2种钢轨均适合于中国的城市轨道交通系统。      

曲率半径对钢轨滚动接触疲劳性能的影响

在JD-1型轮轨模拟试验机上,通过改变冲角,研究了干态工况下曲率半径对PD3和U71Mn钢轨滚动接触疲劳性能的影响．结果表明,随曲率半径减小,钢轨磨损量增大,流变层增厚且不均匀．PD3钢轨有较好的抗磨损性能,但疲劳裂纹损伤严重;U71Mn钢轨有良好的抗疲劳性能．     

宽温域下高速轮轨界面粘着与车轮表面损伤行为

搭建了高低温服役环境轮轨滚动试验台，在实验室条件下成功再现了哈大线等高寒铁路冬季车轮表面剥落和麻点严重、夏季异常光滑的季节性损伤特征；研究了宽温域(-50 ℃~60 ℃)下高速列车轮轨界面粘着和车轮损伤行为，系统探讨了不同服役温度下轮轨滚动接触界面的粘着系数演变规律，分析了车轮表面磨损形貌和表层材料塑变行为等重要特性。研究结果表明:随着服役温度的提高，轮轨界面粘着系数总体呈下降趋势，同时，车轮表面的凹坑尺寸减小，在高温60 ℃时，凹坑特征消失，磨损表面变得较为平整；在低温-40 ℃时，车轮表面最为粗糙，算术平均粗糙度为3.74，而随着服役温度的上升，磨损表面粗糙度显著下降，在高温60 ℃时，车轮表面算术平均粗糙度较小，为0.97；随着服役温度的升高，轮轨接触界面的磨损区域内Fe元素含量与O元素含量之比逐渐减小；低温低湿环境抑制了轮轨界面的摩擦氧化作用，增强了摩擦剪切作用，加剧了车轮表面的剥落、严重的塑性变形和表面疲劳裂纹的萌生与扩展，因此，磨损表面较为粗糙；而高温环境加速了轮轨界面的摩擦氧化作用，氧化磨屑的形成一定程度上起到了固体润滑作用，从而降低了轮轨界面间的粘着，车轮表面相对光滑；磨损机制由低温(-50 ℃~-20 ℃)服役工况下的疲劳磨损逐渐转变为常温(20 ℃)工况下的磨粒磨损和氧化磨损与高温(40 ℃~60 ℃)工况下的粘着磨损。      

轮轨系统的现状与展望

总结了现有传统钢轮钢轨式轮轨系统的工程问题、研究现状和工程处理方法;分析了钢轨波磨和车轮不圆的形成和发展机理,对困扰高铁的踏面凹磨问题提出了创新性治理设想;拟通过轮轨系统的廓形设计-磨损评价-磨损治理的系统化革新思路,获得既安全又经济的线路条件个性最优化方案;总结和展望了目前轮轨系统的打磨和镟轮,讨论了轮轨系统的检测方...     

地铁列车车轮踏面磨耗规律探讨

为了研究地铁车辆踏面磨耗的变化规律,持续跟踪测试了某线路地铁列车车轮踏面磨耗数据,并统计分析了运用工况下车轮踏面磨耗的数据特征.与CN60KG钢轨匹配,对比分析了踏面磨耗对诸如等效锥度和接触点等轮轨匹配参数的影响趋势.轮轨匹配特性分析表明:踏面磨耗将造成等效锥度增大.特别是右侧车轮踏面磨耗偏大,且呈现了轻微的轮对偏磨现象.根据地铁线路条件,有必要考虑地铁列车转调运用以合理延长镟轮修程.     

滚动方向对CL60车轮材料接触疲劳损伤的影响

为研究车轮滚动方向对车轮材料接触疲劳损伤的影响机制，利用WR-1滚动磨损试验机进行了车轮单向和双向运行滚滑磨损试验，使用光镜和扫描电镜分析了试验后车轮试样的表面磨损形貌、剖面疲劳裂纹形貌及磨屑尺寸，探究了换向运行工况下车轮表面损伤、裂纹扩展、磨屑尺寸随反向循环次数的演变规律. 研究结果表明:车轮表面损伤以起皮剥落为主，反向循环次数从1万次增加到12万次时，初始剥落逐渐消失，继而形成与原滚动方向相反的新剥落，相同循环次数下改变车轮滚动方向有利于减轻车轮材料疲劳损伤；车轮换向改变了表面微裂纹的扩展方向，形成4°～8° 的反向疲劳裂纹，并出现了裂纹扭曲和分支现象；单向滚动时，随循环次数增加，磨屑尺寸先增大后减小，反向后磨屑厚度先增大后减小，反向1万次时，磨屑厚度增大到10～12 μm，为单向时的两倍.      

地铁直线段轮对横移量对轮轨磨耗的影响

利用轮轨型面测量仪对北京地铁六号线轮轨型面进行现场实测,采用样条曲线拟合方法获得并选取磨耗轮轨型面,利用有限元分析软件ABAQUS建立四组轮轨三维有限元模型,计算并分析了不同轮对横移量下轮轨间接触斑和最大等效应力分布状态,研究轮对横移量对直线段轮轨磨耗的影响,分析结果表明:地铁直线段不同轮对横移量下标准轮轨接触斑较规则,多数非标准轮轨接触斑呈"斑条"状,接触斑面积一般在轮对横移量-8、4和6 mm时较大;轮对横移量8 mm处,标准车轮与磨耗钢轨接触应力过大,钢轨轨距角处易产生应力集中,发生塑性变形;不同轮对横移量下磨耗车轮/标准钢轨匹配接触斑面积较大,最大等效应力较小,对减缓轮轨磨耗十分有利.     

轮轨塑性变形与安定状态的关系研究

运用弹塑性理论分析了轮、轨接触工况时的塑性变形,提出了轮轨材料在弹塑性状态下安定极限值的概念,并依此进行了轮轨接触计算,预测了轮轨廓形的塑性变形值。     

车轮踏面缺陷引起的轮轨动态响应综述

从滚动接触理论、试验与数值模拟三方面概述了轮轨关系研究现状，强调了轮轨滚动接触行为中轮轨材料动态力学性能的影响；总结了轮轨材料静动态力学性能与本构关系的相关成果；介绍了由车轮扁疤、踏面剥离/剥落、车轮多边形等典型踏面缺陷引起的轮轨动态响应研究，分析了车轮踏面缺陷对轮轨滚动接触行为和列车系统动力学性能的影响，以及车轮踏面缺陷的形成原因、影响规律与演变机理，重点关注了轮轨动态效应对高速轮轨滚动接触行为的影响；概括了车轮踏面缺陷的检测技术与减缓和防治措施。研究结果表明:车轮踏面缺陷致使轮轨冲击力显著增大，导致轮轨部件损伤和车体异常振动，严重影响车辆-轨道系统部件的使用寿命和列车动力学性能，甚至威胁列车运行安全；车轮踏面缺陷的成因与机理仍需进一步探究，车辆异常制动、轮轨低黏着状态均会导致车轮扁疤的产生，轮轨材料特性、轮轨间接触载荷、轮对共振、列车制动系统性能与线路运行条件/环境等均是导致车轮踏面发生剥离的主要影响因素，轮轴共振、轮轨摩擦振动、车轮制造镟修工艺等均与车轮多边形的形成有密切联系；改善轮轨材料的性能，控制轨道系统的支撑刚度/阻尼及轮轨间摩擦因数等均是抑制车轮踏面缺陷产生的有效途径。      

车轮剥离性能试验研究

在JD-1型轮轨摩擦模拟试验机上，在赫兹接触条件下，对4种不同含碳量车轮轮箍钢的剥离和磨损性能进行了试验研究．结果表明：磨损量随含碳量的增加而减小；含碳量越高，剥离程度越严重，剥离块越大；降低含碳量，可减轻剥离的发生，但同时会增加车轮的磨损量．     

两种焊接工艺下过共析钢轨接头的冲击磨损性能

为研究闪光焊、铝热焊两种焊接工艺下过共析钢轨焊接接头的冲击损伤演变行为以及性能差异,在自制的冲击磨损试验机上对过共析钢轨焊缝、热影响区软化部位及母材进行了不同冲击次数下的模拟实验. 研究结果表明:随着冲击次数的增加,钢轨焊接接头的冲击磨损均经历着塑性变形、点蚀破坏和疲劳剥落的过程,冲击损伤是疲劳磨损和氧化磨损共同作用的结果;由于焊接工艺导致的接头组织结构和力学性能的差异,热影响区软化部位冲击时塑性变形最严重,磨损体积和磨损率最大,抗冲击性能最差;由于对闪光焊焊接接头进行了焊后正火热处理,其组织结构及抗冲击性能明显优于铝热焊;硬度对焊接接头的抗冲击性能有显著影响,硬度越高,抗冲击性能越好,疲劳剥落出现的时间越晚.      

表面不平顺对轮轨摩擦温度场的影响

为揭示轮轨表面破坏与摩擦温升的内在联系,利用有限元和有限差分混合算法,建立了轮轨滚动接触热耦合计算模型,模拟轮轨滚动、滑动接触温升过程。模型中考虑了轮轨间非稳态热传导、与环境的热对流、热辐射,针对轮轨光滑和不平顺两种接触表面情形,分析了滚动、滑动工况下轮轨界面问的摩擦温升状态。计算结果表明轮轨表面不平顺能使经历短时间滑动的轮轨表面倾向于产生宽点状剥离,长时间滑动与滚动工况下表面不平顺对温度场的影响可忽略,滑动工况的温升较滚动工况的大。