大秦铁路重载钢轨踏面摩擦控制试验

介绍摩擦控制技术在大秦线铁路试验情况。论述和分析涂覆方式及涂覆量、试验曲线钢轨与非试验钢轨表面接触疲劳和磨损对比、试验曲线钢轨与历史情况对比、轮轨冲击加速度测量和有效涂覆距离。试验结果表明,重载铁路实施钢轨踏面摩擦控制可延缓疲劳裂纹萌生和扩展,减少踏面碾压变形和磨耗,减少轮轨冲击负荷和降低轮轨接触应力。     

摩擦因数对地铁小半径曲线轮轨接触特性的影响

建立车辆-轨道系统耦合动力学模型,结合Kalker三维非赫兹弹性体滚动接触理论及其数值程序CONTACT,分析轮轨间摩擦因数对地铁小半径曲线轮轨接触应力及轮轨滚动接触伤损的影响。结果表明:车辆通过圆曲线段时不同摩擦因数下整个接触斑均为滑动区;摩擦因数改变对轮轨接触斑内正应力影响很小,但对切向力和Mises应力影响显著;随着摩擦因数增大,纵向及横向蠕滑力显著增加,磨耗指数及表面疲劳指数明显增大。可通过定期对钢轨打磨并对车轮进行镟修,有效降低轮轨接触应力,以减缓轮轨磨耗和轮轨滚动接触疲劳的发生。     

地铁车辆频繁启停工况加速钢轨滚动接触疲劳损伤行为

列车启停过程中轮轨接触应力复杂交变,近站点附近车辆频繁启停运行工况加速了钢轨滚动接触疲劳损伤。为深入了解地铁车辆频繁启停工况下的钢轨滚动接触疲劳损伤特性,利用轮轨滚动接触疲劳/磨损试验台(JD-DRCF/M)开展频繁启停工况下轮轨滚动接触疲劳试验。对比研究4种不同加/减速度工况下(0,400,800和1 200 r/min²)轮轨滚动接触界面黏着、钢轨磨耗和疲劳裂纹行为。研究结果表明：在干态环境中,加速工况显著降低了轮轨界面的黏着系数,其中：800 r/min²加速度下降幅最为明显;而进入水介质环境后,黏着系数出现瞬时极低值、加速度工况下的黏着系数降幅程度差异显著。加速度工况未引起钢轨的过高磨耗,但其对钢轨磨损形貌、表面粗糙度等的影响均较为显著,过高的加速度极易诱发钢轨以剥层机制失效并伴随表面粗糙度的大幅提升。钢轨磨耗与轮轨界面的剪切作用密切相关,加速度的存在往往不同程度地加剧了近表层钢轨材料的塑性变形和疲劳裂纹的萌生与扩展,使得裂纹扩展角、裂纹长度与数量均有不同程度地增加。因此,有必要开展实验条件下钢轨试样滚动接触损伤与实际现场钢轨损伤间的...     

随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测仿真

以现场实测轮轨力为样本,利用参数假设检验方法,确定轮轨力幅值和频率特征,进而根据轮轨力分布特征编制荷载谱。建立轨道结构的多跨连续梁模型,分析群载作用下钢轨受力情况,确定最大弯曲应力所在位置;利用子模型技术,取最大弯曲应力所处的一跨钢轨为研究对象,建立子模型,分析不同幅值下轮轨接触斑内局部应力情况。根据临界平面法思想,建立随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型。结合具体实例分析表明:在一定速度范围内,轮轨力符合正态分布;根据随机轮轨力作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型,预测U75V钢轨通过约560万吨总重时轨面萌生裂纹,与现场观察结果吻合。     

重载铁路钢轨疲劳裂纹萌生影响因素

基于临界平面理论的钢轨疲劳裂纹萌生预测模型,建立轮轨三维瞬态滚动接触有限元模型;模拟重载铁路的轮轨接触状态;分析不同轨底坡(分别为1∶40,1∶30,1∶20,1∶10)和不同摩擦系数(分别为0.25,0.30,0.35,0.40,0.50)对轮轨接触状态和钢轨疲劳裂纹萌生的影响。结果表明:轨底坡为1∶40时,采用以上钢轨预测模型得到的钢轨疲劳裂纹萌生位置与现场观测结果基本吻合;轨底坡对轮轨接触斑的位置及应力状态影响较大,LM型踏面车轮与75 kg·m-1钢轨在轨底坡为1∶20时更为匹配;随着轨底坡增大,钢轨疲劳裂纹萌生时的通过总重先增大后减小,轨底坡为1∶20时达到最大;随着摩擦系数增大,钢轨疲劳裂纹越容易萌生。     

通过轮轨界面的摩擦管理降低轮轨磨损

作为探讨轮轨相互作用系列文章的第3篇,介绍轮轨界面材料磨损的基本机理及接触压强、蠕滑率和摩擦系数等因素对轮轨磨损率的影响,着重分析采用摩擦管理技术降低轮轨磨损的基本原理,并结合国内外客运和货运铁路实际应用案例介绍摩擦管理降低轮轨磨耗的具体效果。     

车轮滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测

利用有限元软件ABAQUS建立带缺陷孔的车轮二维有限元模型,循环塑性本构关系采用LemaitreChaboche非线性各向同性/随动硬化循环塑性模型,通过在滚动接触表面上施加移动法向分布压力和切向分布力模拟反复滚动过程。采用Jiang-Sehitoglu损伤参量和基于临界平面法的疲劳裂纹萌生寿命模型,分析循环载荷大小、缺陷孔深度和摩擦因数等因素对车轮缺陷孔处损伤参量及滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的影响规律。结果表明:经过反复施加10次循环载荷,车轮材料缺陷孔处应力应变响应逐渐趋于稳定。循环载荷大小、缺陷孔深度和摩擦因数等因素对车轮缺陷孔处损伤参量和滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的影响比较明显。疲劳裂纹萌生寿命随着循环载荷与摩擦因数的增加而增大,随着缺陷孔深度的增加而逐渐减小。     

轮轨滚动接触疲劳与磨损耦合关系及预防措施研究

随着我国重载与高速铁路的快速发展,轮轨滚动接触疲劳与磨损问题变得越来越严重,已成为影响铁路运输安全的重要因素.因此,采用轮轨试验装置,借助表面分析测试设备,利用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及数值程序CONTACT,研究轮轨滚动接触疲劳与磨损机理、轮轨接触斑行为及预防措施,以减轻对轮轨的损伤.主要研究内容和结果如下.     

轮轨硌伤诱发滚动接触疲劳机制的材料影响

利用GPM-30滚动接触疲劳磨损试验机，在油润滑条件下试验研究轮轨材料对丝锥硌伤诱发局部滚动接触疲劳(LRCF)的影响，涉及ER8高速车轮钢、U71MnG高速钢轨钢，以及1 280 MPa和1 380 MPa级的贝马复相、PG4、PG5等4种新开发的重载钢轨钢。发现硌伤诱发的剥离掉块仅发生在硬度低于300 HV的ER8和U71MnG高速轮轨材料，且只有在硌伤深度超过150～200μm的临界值时发生，对于硬度高于400 HV的重载钢轨材料，表面硌伤不太可能诱发局部滚动接触疲劳。试样表面和剖切观测显示，初始疲劳裂纹可萌生于硌伤内部和前、后沿，底部萌生的裂纹更容易导致包含深裂纹和大块剥离的局部滚动接触疲劳，后沿比前沿更容易萌生初始裂纹。与U71MnG高速钢轨相比，硬度更低的ER8高速车轮钢试样上硌伤引发剥离掉块的可能性更高，但U71MnG钢轨钢试样上萌生的初始裂纹可扩展得更宽、更深，更易引发大块剥离，局部滚动接触疲劳造成的后果更严重。     

轮轨接触区内摩擦功的计算

本文应用Ｋａｌｋｅｒ理论将轮轨作为三维滚动体进行研究，建立了法向接触数学模型和切向接触数学模型；采用经典的摩擦定律；针对三维滚动接触的特点，进行半空间近似，计算了影响函数。     

轮轨滚动接触疲劳问题研究的最新进展

由于轮轨之间的剧烈作用，轮轨滚动接触疲劳的破坏现象是非常严重的，这是至今尚未得到根本解决的难题，而且有些破坏机理尚不清楚。轮轨接触表面的疲劳破坏不仅使铁路运营成本增大，而且直接危害列车的行车安全。本文详细综述了轮轨滚动接触疲劳问题在近10年的研究进展情况，其中包括三维弹塑性滚动接触理论模型和数值方法，轮轨滚动接触疲劳破坏的各种因素数值分析方法和试验方法，以及轮轨新材料研究进展。涉及近10年来国内外发表的100多篇重要文献，并在此基础上提出了今后的研究方向。     

函数型摩擦系数对轮轨滚动接触行为的影响分析

为研究函数型摩擦系数对轮轨滚动接触行为的影响,建立三维轮轨高速滚动接触有限元模型,针对钢轨表面平顺和存在波磨两种工况,通过与库伦摩擦模型的结果对比,详细分析函数型摩擦系数对轮轨力、黏滑分布和接触区域滚动接触应力等接触行为的影响,为进一步研究轮轨材料的损伤机制提供依据。研究发现:(1)无论钢轨表面平顺还是存在波磨,函数型摩擦系数均不会影响法向接触解;(2)函数型摩擦系数会显著影响切向应力的分布,进而影响von Mises等效应力的幅值;(3)基于安定理论,非稳态滚动条件下,相比库伦型摩擦系数,函数型摩擦系数使轮轨表面材料更易遭受疲劳破坏。     

道旁轮轨踏面摩擦调控设备研制与应用

介绍轮轨摩擦调控技术原理,轮轨踏面摩擦调控设备现场布设、组成和工作原理.从喷头功能先进、动态响应快、输出模式独特和流量控制精准4个方面阐述轮轨踏面摩擦调控设备特点,分析轮轨踏面摩擦调控设备在大秦铁路和侯月铁路的试验性应用,并与国外设备应用试验对比,提出在不降低机车牵引及制动需要的黏着系数下,可有效抑制钢轨波浪磨耗,改善轮轨接触状态和轮轨表面接触应力,减少冲击,降低脱轨系数,延长钢轨使用寿命等结论.     

基于轮轨法向间隙的道岔钢轨廓形优化方法

针对道岔转辙器区钢轨容易出现磨耗和滚动接触疲劳的问题,根据轮轨接触理论,以轮轨法向间隙最小为目标对道岔区钢轨廓形进行优化,获得了钢轨打磨的目标廓形。优化结果表明:优化后的轮轨界面之间有较好的共形特征,能有效降低轮轨接触应力,从而降低轮轨磨耗和滚动接触疲劳损伤,且优化后的轮轨接触点分布更加均匀。     

基于蠕滑理论的钢轨临界平面疲劳参量仿真

为考虑轮轨蠕滑对钢轨疲劳裂纹萌生的影响,通过车辆-轨道多体动力学模型和钢轨有限元模型,分析不同线路条件下的轮轨接触压力和切向力对钢轨轨头(包括轨距角)的应力-应变响应,定量研究钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生疲劳参量FP中的正应力-应变部分与剪应力-应变部分对裂纹萌生的影响,并比较导向轮和非导向轮对FP的影响。仿真结果表明,考虑轮轨蠕滑的情况下,钢轨轨头绝大部分节点处于三向受压状态,疲劳参量FP主要是由剪应力-应变部分作用产生,对裂纹萌生预测应采用剪切型裂纹公式;FPmax所在的临界平面在钢轨横断面的投影线与横向水平轴呈105°~140°夹角,在水平面的投影线与纵向水平轴呈20°~50°夹角;导向轮作用下的FPmax要远远大于非导向轮作用下的FPmax。     

轨道振动对轮轨接触压力影响的数值分析

轮轨滚动接触振动是产生轮轨噪音、波浪形磨损和滚动接触疲劳的主要原因。本文采用数值方法分析全尺寸滚振试验台和原形尺寸单轮对试验装置进行轮轨滚动接触振动对轮轨需滑力影响的试验现象，确定了影响轮轨滚动接触正压力的主要因素。分析中采用了“集中质量法”对用来模拟轮轨关系的轮／轮物理模型进行了离散，论／轮接触表面的法向变形满足Hertz接触条件。     

重载铁路车轮磨耗和滚动接触疲劳研究

基于车辆动力学、非Hertz轮轨滚动接触理论和Archard磨损模型建立车轮磨耗预测模型.利用该模型和安定图对重载铁路车轮磨耗和滚动接触疲劳性能进行定性分析.在数值计算中,主要考察轴重为25 t和30 t货车的车轮硬度对车轮磨耗和滚动接触疲劳性能的影响.研究表明,轮轨间高应力水平的出现频次、车轮磨耗和疲劳破坏的几率随着轴重的增加而增大;随着硬度的增加,车轮磨耗和疲劳破坏现象得到改善.结合国外重载铁路轮轨匹配经验,建议轴重为30 t车轮的硬度大于340 HB.     

非对称轨底坡条件下地铁车辆动力学分析

利用多体系统动力学软件SIMPACK建立地铁车辆-轨道系统耦合动力学模型,结合轮轨滚动接触疲劳预测模型,分析非对称轨底坡对车辆动力学性能、轮轨磨耗及滚动接触疲劳的影响。研究结果表明:减小外轨侧轨底坡会降低车辆的曲线通过性能,加剧轮轨磨耗,恶化表面疲劳性能;设置非对称轨底坡时,外轨动态响应主要与外轨侧轨底坡有关,受内轨侧轨底坡的影响较小;为减缓外轨磨耗及滚动接触疲劳,建议内轨侧轨底坡采用1/40、外轨侧轨底坡采用1/20。     

用新方法解决老问题

美国铁道协会所属的运输技术研究中心对轮轨接触进行了新的研究 ,从而为解决轮轨磨损和滚动接触疲劳等常见问题提供了更加有效的解决方法。     

机车整体轮轮辋缺陷疲劳行为滚动台架试验研究

为了研究机车车轮轮辋缺陷疲劳扩展规律,选择包含轮辋表面缺陷和内部缺陷的机车车轮,在1∶1高速轮轨关系试验台上进行试验。经5万km滚动接触疲劳试验,所考察的轮辋内、外缺陷均未明显疲劳扩展,由此推测机车轮辋缺陷疲劳扩展速度较为缓慢。根据试验结果,提出制定合理的检修机车车轮超声波探伤缺陷判废标准的建议。