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。      

车轮材料对轮轨滚动摩擦磨损行为的影响

为了使轮轨材料更好地匹配,降低轮轨磨损与损伤,利用MMS-2A滚动磨损试验机,研究了3种不同含碳量车轮材料与U71Mn热轧钢轨干态对磨时滚动摩擦磨损与损伤性能.结果表明:车轮材料变化基本不影响轮轨滚动摩擦因数,其摩擦因数保持在0.4左右;随车轮材料碳含量增加,车轮磨损量呈线性下降趋势,钢轨磨损量呈线性增加趋势,总轮轨磨损量呈降低趋势;不同车轮材料与U71Mn热轧钢轨对磨时的磨痕表面形貌具有较大差异,当碳含量为0.57时,车轮损伤以剥落损伤为主,试样塑性变形相对轻微,随车轮硬度降低(碳含量为0.51),表面剥落损伤轻微,但塑性变形严重;对磨钢轨试样以粘着和剥落磨损为主.      

车轮铸钢材料热循环表面氧化特征分析

研究了车轮铸钢在不同温度幅下热疲劳损伤表面及次表层行为。研究发现,表面氧化及剥落现象和氧化物的开裂随循环上限温度的增高而愈加严重;次表层损伤以裂纹为主,附带一些蚀坑。其损伤机理是由于氧化脱碳使铁素体区形成腐蚀坑,腐蚀坑的连接形成微裂纹,热疲劳主裂纹优先通过铁素体区氧化腐蚀坑而向前扩展。     

角接触球轴承微动磨损行为

为了解载荷、摆动角度和循环次数对角接触球轴承微动磨损行为的影响,用自制的轴承微动试验装置对角接触球轴承QJ208在干态下进行了3种摆角(0.88°、1.21°和1.54°)、4种轴向载荷(2.5、5.0、10.0和20.0 kN)、2种循环次数(2和12万次)的摆动微动试验,在此基础上,对轴承磨痕进行分析.结果表明:外圈上微动磨损随载荷增大而减缓,随摆角增大而加重,随循环次数的增加,其磨损增幅趋缓;在摆角为0.88°时,磨损机制以疲劳磨损为主,在摆角为1.54°时,则以磨粒磨损为主;在同一钢球接触处,外圈上的磨痕比内圈上的磨痕严重.     

滚动方向改变对车轮钢摩擦磨损性能的影响

为改善滚动接触条件下车轮钢抵抗磨损的能力,使用滚动接触摩擦磨损试验机,测试了在过渡磨损和稳定磨损阶段改变滚动方向前后试样的摩擦因数和磨损率,使用扫描电镜观察了车轮试样的磨损形貌,使用激光共聚焦显微镜和扫描电镜观察了表层塑性变形形貌.结果表明:不同磨损阶段换向的试样在换向前后摩擦因数均在0.495左右,换向并不改变摩擦副的摩擦因数;试验后在过渡磨损阶段换向的车轮试样磨损率为16.09μg/m,在稳定磨损阶段换向的车轮试样磨损率分别为13.65μg/m和13.94μg/m,过渡磨损阶段换向对车轮试样抗磨损能力的提高程度低于稳定磨损阶段;车轮试样换向前的应变硬化程度越大,换向形成的波状结构的波峰位置越浅,表层组织的珠光体片层间距越小,换向后车轮钢的抗磨损能力提高越明显.     

轮轨高速滚动接触及钢轨疲劳裂纹扩展研究

为研究高速列车轮轨滚动接触疲劳损伤,通过引入应变率效应,获得了轮轨接触作用力的分布,并基于最大周向应力判据,对车轮滚过裂纹过程中裂纹可能的扩展角度进行了统计分析,确定了钢轨表面疲劳裂纹的扩展方向.根据威布尔分布,用可能扩展角度均值作为裂纹扩展方向,获得了裂纹扩展路径.研究结果表明,低速列车钢轨的裂纹扩展为张开型裂纹逐渐变为滑开型裂纹,高速列车的钢轨裂纹扩展基本都是张开型裂纹;高速列车钢轨的裂纹扩展速率快于低速列车钢轨;模拟的裂纹路径与实验测得的裂纹路径吻合,验证了用可能扩展角度的均值作为裂纹扩展方向的合理性.      

高速列车车轮踏面滚压强化有限元分析

为提高镟修后高速列车车轮踏面强度和使用寿命,进行了车轮踏面滚压强化过程的数值模拟,并对滚压强化的工艺参数进行了优化.以CRH3高速列车车轮为研究对象,建立了滚压轮-车轮-钢轨三维滚动接触有限元模型;通过计算不同滚压轮尺寸、滚压力及滚压道次对车轮踏面残余应力和等效塑性应变场分布的影响来分析滚压强化机理;采用Borrow-Miller准则修正的Manson-Coffin公式计算了滚压后轮轨接触时车轮踏面的疲劳裂纹萌生寿命,进而对车轮踏面滚压强化工艺参数进行优化.研究结果表明:随着滚压力的增加,车轮踏面的疲劳裂纹萌生寿命先增后减,且随着滚压道次的增加而下降,即滚压道次的增加反而会降低车轮踏面的疲劳裂纹萌生寿命;滚压道次的增加对残余应力的影响不大,滚压轮圆弧半径的增加会导致疲劳裂纹萌生寿命小幅度增大;综合考虑,以滚压道次为3次、滚压力为1 kN、滚压轮圆弧半径为6 mm时的滚压效果最佳,此时车轮踏面的疲劳裂纹萌生寿命可提升约58%.     

低碳贝氏体钢与碾钢轮钢滚动接触疲劳的研究

在1960N试验负荷、无滑差润滑条件下,测定了一种低碳贝氏体钢和铸造高锰钢与碾钢轮钢滚动接触疲劳寿命.测定结果表明,在相同试验条件下低碳贝氏体钢的滚动接触疲劳寿命约为6×106周次,比高锰钢高两倍.低碳贝氏体钢的接触疲劳失效表面出现麻坑剥落和条状剥落;高锰钢接触疲劳失效表面除出现麻坑剥落和细小点状剥落,还出现铸造缺陷引起的粗大麻坑剥落.低碳贝氏体钢的高强度使之有高的滚动接触疲劳寿命.强度低和形变孪晶引起的微裂纹,特别是铸造缺陷,导致高锰钢滚动接触疲劳寿命低于低碳贝氏体钢.     

车轮次表面裂纹力学特性分析

为了研究车轮次表面裂纹的力学特性,利用ANSYS软件建立了轮轨接触的有限元模型,分析了车轮纯滚动时裂纹尖端应力随车轮运动时的变化规律,研究了轮轨蠕滑系数对裂纹尖端应力的影响.结果表明:当裂纹位于轮轨接触区域上方时,裂纹尖端的von Mises应力和切应力变化十分剧烈,其值分别是无裂纹时的3.2倍和21.7倍;在轮轨初始接触时,最大von Mises应力不是发生在裂纹尖端,而是出现在裂纹尖端的后方位置处;裂纹尖端von Mises应力和切应力峰值随着轮轨蠕滑系数的增大而逐渐增大.研究结果显示车轮次表面裂纹对应力影响很大,因而在车轮制造及检测中要密切关注裂纹状态,以防发生事故.     

纤维角度对CFRP材料超声磨削性能的影响分析

针对碳纤维复合材料(CFRP)单层板建立宏观正交超声磨削有限元模型,研究CFRP材料超声磨削加工中,纤维角度对应力分布、磨屑形貌以及加工表面质量的影响规律.研究结果表明:在CFRP材料超声磨削加工中CFRP,纤维角度为45°时,应力值最大,其次从大到小依次为0°、90°、135°;当纤维角度为0°时,磨屑形状为束状,45°的磨屑为小的条状,135°的磨屑主要为小块状,而90°纤维角度下的磨屑则为更小的块状;在纤维角度为0°时,CFRP材料超声磨削加工后表面有较少凹坑,表面质量最好,90°纤维角度表面质量较好,表面有少量的毛刺和凹坑出现,135°的较差,表面会出现凹坑和高低不平现象,而45°的最差,加工后表面有较多的毛刺及凹坑.     

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。      

高速铁路磨耗车轮与60N钢轨静态接触分析

随着车辆的运行,车轮踏面会出现不同程度的磨耗,为研究磨耗状态下车轮与钢轨之间的静态匹配性能,利用轮轨接触几何关系和非赫兹滚动接触理论,计算不同磨耗程度的车轮对轮轨接触几何参数和接触力学特性的影响,并与CHN60钢轨的计算结果进行对比.分析结果表明:轮对横移小于4 mm时,车轮磨耗程度越大,车轮上接触点的横向分布宽度越大,60N钢轨的接触点横向分布宽度明显小于CHN60钢轨,对提高车辆运行稳定性有利;车轮磨耗程度越大,轮轨磨耗指数越大,60N钢轨的轮轨磨耗指数较小,有利于轮轨廓形的保持能力.车轮磨耗程度越大,位于表面滚动接触疲劳区的范围越大,相比CHN60钢轨,60N钢轨位于表面滚动接触疲劳区的情况较少,相同条件下,能够减少轮轨滚动接触疲劳伤损的发生.      

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...     

中国轨道交通轮轨滚动接触疲劳研究进展

系统阐述了轮轨滚动接触疲劳损伤的分类、萌生机理、影响因素、引发后果及常用萌生预测模型等,总结了其复杂性的根源;梳理了中国轨道交通系统近年来发生的各种轮轨滚动接触疲劳的相关研究成果,分别总结了高速铁路、普速铁路和地铁等系统轮轨滚动接触疲劳的基本特征、萌生机理及治理措施等;展示了在局部和连续型滚动接触疲劳研究中,现场跟踪测...     

表面微喷丸对CuNi2Si合金疲劳短裂纹行为影响

在拉压载荷作用下，分别开展了CuNi₂Si合金微喷丸前后漏斗型圆棒试样的疲劳短裂纹复型试验；试验在预先确定的一系列载荷循环周次中断，以使用醋酸纤维膜对试样表面进行复型，进而采用逆序观察法获取了短裂纹萌生与扩展相关数据。分析结果表明:2种试样疲劳裂纹均萌生于试样表面，裂纹扩展受微观组织影响呈现曲折性增长, 整体表现出初期增长缓慢，后期裂纹长度迅速增长至试样断裂的趋势, 失稳扩展临界尺度约为750.0 μm; 微喷丸处理可以使裂纹增长模式由以晶间为主转为以穿晶为主，微喷丸前后断口形貌表现出巨大差异，相对未喷丸试样，微喷丸试样裂纹萌生位置呈现较大的晶体平面，无明显晶粒特征，裂纹源区面积较小，在疲劳过程中产生的纤维条纹数量较多，瞬断区韧窝形貌更为明显; 经微喷丸处理后，试样平均疲劳寿命提高约31.5倍，裂纹萌生和缓慢扩展阶段占比从整体疲劳寿命的60%增加至80%，可知微喷丸处理对于疲劳寿命的大幅提高主要体现在短裂纹的萌生和稳定扩展阶段，而这种强化效果主要受表面有效应力、硬度、晶界数目的共同影响，但该强化效果对疲劳裂纹扩展后期影响不大。      

铁路钢轨裂纹萌生的键型近场动力学预测模型

为克服经典连续介质力学在解决不连续问题时的困难,采用近场动力学方法预测铁路钢轨的裂纹萌生,以避免数学构架在不连续处的失效问题;建立了考虑轨枕支承作用的钢轨形变分析模型,分析了模型参数合理取值及收敛性,计算了车轮滚动接触荷载下的钢轨位移;根据近场动力学损伤理论,以键伸长率为指标,分别研究了车轮全滑动、粘着-滑动及无摩擦状...