往复滚动工况下车轮钢磨损机制研究

利用往复滚动试验装置,对不同制动状态和频率下的车轮钢摩擦磨损机制进行了研究.结果表明:随切向摩擦力的增加,滚动摩擦副间的相对滑动量、摩擦因数和线接触区域的拉压应变相应变大,车轮钢平面试样表面的损伤形式呈现从擦伤到磨粒磨损再到粘着和疲劳剥离的变化规律;摩擦因数一定时,随频率的增加,磨损形式由磨粒磨损逐渐向疲劳磨损转变.     

金属磁记忆信号评定磨损现象与磨损状态的基础实验

采用40CrMo块试样与316L销试样组成销-块摩擦副,在干摩擦条件下进行摩擦磨损试验,研究整个摩擦磨损过程中磁记忆信号切向分量与试验表面磨损现象以及磨损状态之间的关系。试验结果表明:在摩擦磨损过程中,40CrMo试样表面磁记忆信号出现信号突变,并且突变后的信号可以准确地反应磨痕的长度与位置;整个摩擦磨损过程试样表面磨痕处磁记忆信号切向分量均值随摩擦次数的变化可以分为4个阶段,各个阶段间的转变点分别为点G、点H以及点I,并且通过现场观测、电镜扫描以及能谱分析发现磁记忆信号转变点处试样表面的磨损现象和磨损状态亦发生转变。     

GCr15微动磨损转向往复滑动磨损特性的研究

对GCr15金属球和平面试块在300N的法向力作用下作了从微动磨损向往复滑动磨损转变的试验研究，对摩擦磨损过程中的磨损系数、摩擦力变化特性、磨痕的轮廓进行了分析研究。结果表明，在微动磨同往复滑动磨损转变前后，除磨损系数出现突变外，摩擦系数和磨痕的轮廓形貌也发生了比较大的变化，磨损转变过渡区的范围为70－100μm。     

高温下轴向柱塞泵滑靴副干滑动摩擦磨损性能*

采用Rtec摩擦磨损试验机模拟不同温度、载荷和转速等工况,研究轴向柱塞泵滑靴副在高温下干滑动的摩擦学规律。通过试验测得的摩擦因数、磨损体积和借助白光干涉三维表面轮廓仪所测得的表面形貌以及磨痕截面曲线,分析其润滑行为及摩擦磨损规律。结果表明：高温下滑靴副的摩擦因数随温度和转速的增大逐渐减小,随载荷的增大而增大;磨损体积随温度的升高先增大后减小,随载荷的增大逐渐增大,随转速的增大先减小后增大;温度和载荷对高温下磨痕的深度影响显著,转速对磨痕的深度和宽度都有影响。研究表明：在高温条件下,在温度为300 ℃、载荷为50 N、转速为75 r/min工况下滑靴副的减摩抗磨效果最好。     

四种核电用包壳材料的微动磨损性能研究

在切向微动磨损试验机上对4种核电用包壳材料(Zr合金、Zr/Cr涂层、FeCrAl和ODS-FeCrAl)进行切向微动磨损试验,考察不同包壳材料的微动磨损特性。研究结果表明:不同包壳材料的摩擦因数、耗散能曲线和形变有显著差异;4种包壳材料在切向微动过程中均处于部分滑移区。通过分析磨痕微观形貌和磨痕轮廓,发现ODS-FeCrAl相比FeCrAl具有更好的耐磨性;在常温环境下,Zr/Cr表现出更加优异的抗磨损性能。     

TC4合金微动磨损过渡区摩擦行为

为研究TC4合金微动磨损过渡区摩擦行为特点,采用SRV-IV微动摩擦磨损试验机,对球/平面接触的GCr15钢球/合金TC4摩擦副在100 N法向载荷下进行微动磨损试验,得到TC4合金微动磨损过渡区的范围,分析不同状态下摩擦因数演变及磨痕表面形貌特点,研究磨损机制的变化。结果表明:微动状态下,摩擦因数在磨合阶段波动剧烈,达到稳定磨损阶段后趋于稳定,且稳定状态下的摩擦因数随着位移幅值的增加而增加;往复滑动状态下,不同位移幅值下的摩擦因数曲线近乎重合且波动剧烈;微动磨损过渡区的摩擦因数变化处于2种状态的转变阶段。微动状态下,磨痕表面轮廓线粗糙,损伤轻微,磨损机制以黏着磨损和疲劳剥层为主;往复滑动状态下,轮廓线更光滑且损伤严重,磨损机制以磨粒磨损及塑性变形为主;微动磨损过渡区轮廓线由粗糙变为光滑,磨损深度及宽度突增,磨损机制由黏着磨损转变为磨粒磨损。     

海水环境下2507超级双相不锈钢微动磨损性能研究

采用SRV-IV微动摩擦磨损试验机研究在干摩擦和水溶液介质中微动振幅对2507超级双相不锈钢微动磨损行为的影响,利用三维轮廓仪和扫描电子显微镜分别对试样的磨痕深度、磨损体积和磨痕表面微观形貌进行表征分析。结果表明:在干摩擦下,随振幅增加微动运行区域发生了由部分滑移区向滑移区的转变,摩擦因数随振幅的增加先增大后趋于稳定,磨痕深度和磨损体积随振幅的增加而增大,磨损机制由局部氧化磨损、局部疲劳磨损转变为氧化磨损、黏着磨损和剥落磨损;水溶液中,海水中摩擦因数随振幅的波动较去离子水中的大,且海水中由于存在腐蚀与磨损交互作用,磨痕深度和磨损体积也都比去离子水中的略大,磨损机制主要是轻微氧化磨损、磨粒磨损伴随疲劳磨损。     

车轮钢的滚动剥离损伤

利用往复滚动试验装置研究了车轮钢在不同往复循环次数和频率条件下的滚动剥离损伤行为,分析了其损伤机理。结果表明:车轮钢的滚动剥离损伤是伴随疲劳磨损而发生的;随往复循环次数的增加,滚动剥离损伤逐渐出现并加重,磨损表面变得光滑并有明显的剥离痕迹,在此过程中磨损形式由磨粒磨损逐渐向疲劳磨损转变,磨损深度明显增大;频率对车轮钢的滚动剥离损伤表面磨痕形貌无显著影响,与磨损深度成正比。     

干摩擦下速度与载荷对AISI 1045钢磨损行为的影响

为探讨AISI 1045钢的切削、磨削加工过程中材料的磨损机制随加工参数的变化规律,采用CFT-1型多功能材料表面综合性能测试仪对AISI 1045钢进行干摩擦磨损实验,研究干摩擦条件下不同摩擦速度、不同载荷对AISI1045钢磨损行为的影响,并用扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)对磨痕表面进行分析。结果表明:随着摩擦速度增大,AISI 1045钢的摩擦因数显著减小,磨痕深度先增加后减少,磨损机制由黏着磨损、磨粒磨损与轻微氧化磨损共同作用转变为氧化磨损、磨粒磨损和局部疲劳剥落;随着载荷增大,摩擦因数均值变化不大,磨痕深度依次增加,磨损机制由轻微黏着磨损和磨粒磨损转变为黏着磨损、磨粒磨损和轻微氧化磨损的共同作用。     

人股骨皮质骨轴面微动摩擦磨损特性研究

采用高精密微动试验台外加体液恒温循环装置,在一定法向载荷和不同位移幅值条件下,研究了天然活性人股骨皮质骨对纯钛的微动摩擦磨损行为。试验结果显示：随位移幅值的增加,股骨皮质骨的微动运行状态从部分滑移向完全滑移状态转变,详细讨论了不同位移幅值下摩擦因数随循环次数的演变规律。微观观察表明：接触表面处于部分滑移状态时损伤轻微,而在完全滑移状态下磨损较严重。人股骨皮质骨的磨损机理主要表现为磨粒磨损和微骨折导致的剥层剥落。微动磨痕的深度随位移幅值的增加而增加,而且磨痕深度与摩擦因数有很好的对应关系。研究认为控制植入体/骨界面的微动幅度有利于提高皮质骨抗微动损伤的能力。     

水介质润滑下车轮钢磨损机制研究

利用往复滚动试验装置,研究了水介质作用下车轮钢的往复滚动摩擦磨损机制.结果表明:接触界面存在水介质条件下的车轮钢摩擦因数明显低于干态工况下的摩擦因数;水介质润滑条件下车轮钢磨损以磨粒磨损为主,水介质的存在减小了车轮钢表面的磨损,同时减轻了车轮钢表面的剥离损伤.     

Experimental investigation on the effect of tangential force on wear and rolling contact fatigue behaviors of wheel material

The study aims to explore the effect of tangential force on wear and rolling contact fatigue (RCF) behaviors of wheel material using a JD-1 wheel/rail simulation facility. The normal, tangential and lateral forces between the wheel/rail rollers are controlled, and the magnetic power brake was used to generate the tangential forces (16–330 N). The results indicate that the surface hardness and wear loss of wheel rollers increase with the tangential force increasing. The surface cracks mouths are perpendicular to the resultant directions of the frictional forces. There are visible secondary cracks and multilayer cracks and the interlayer material of multilayer cracks are easy to break. The compositions of wear debris consist of Fe₂O₃, Fe₃O₄ and iron.     

Experimental study on wear and spalling behaviors of railway wheel

The current researches of the wear and spalling behaviors of wheel/rail materials focus on the field investigation rather than the mechanism. However, it is necessary and significant for clarifying the mechanism and relationship between the wear and spalling damage of railway wheel to test and reproduce the wheel damages in laboratory. The objective of this paper is to investigate the wear and spalling damage behaviors of railway wheel using a JD-1 wheel/rail simulation facility, which consists of a small wheel serving as rolling stock wheel, and a larger wheel serving as rail. The damage process of wheel roller is explored in terms of the creep ratio, axle load, and carbon content by means of various microscopic examinations. The experimental results show that the wear volume growth of wheel roller is proved to be proportional to the increase of the creep ratio and normal load between simulating wheel and rail. The increase of carbon content of wheel material causes a linear reduction in the wear volume. The microscopic examinations indicate that the rolling wear mechanism transfers from abrasive wear to adhesive and fatigue wear with an increase of tangential friction force, which results in the initiation of fatigue crack, and then aggravates spalling damage on the wheel roller surface. The surface hardness of material depends strongly upon its carbon content. The decrease of the carbon content of wheel material may alleviate spalling damage, but can cause a significant growth in the wear volume of wheel roller. Therefore, there is a competitive relationship between the wear and spalling damage of wheel material. This research proposes an important measure for alleviating or preventing the wear and spalling damage of railway wheel material.     

铁路钢轨损伤机理研究

钢轨损伤一直是铁路运输中的一个关键问题，损伤类型主要是钢轨压溃、侧磨、波磨和剥离，占钢轨损伤量的80％以上。探讨了这几种钢轨的损伤形式，认为钢轨损伤加剧主要是因为轮轨之间表面摩擦力的增加所致；提高钢轨材质是预防钢轨损伤的最主要方法。     

车轮滚动接触疲劳与磨耗耦合关系数值模拟

滚动接触疲劳和磨耗是车轮失效的主要方式。通过三维弹性体非赫兹滚动接触理论得到接触斑内的法向、切向应力和材料上不同深度处的最大切应力分布,以CL60钢和贝氏体车轮钢为例,基于"layer"滚动接触疲劳失效模型和Zobory车轮磨耗模型,分析LM型车轮踏面和75 kg.m–1钢轨型面匹配时轮轨接触条件和车轮材质对车轮滚动接触疲劳和磨耗竞争关系的影响。计算结果表明,摩擦因数为0.3时,CL60钢在小蠕滑条件下会发生滚动接触疲劳损伤,在大蠕滑条件下只有轴重大于30 t时才会出现滚动接触疲劳损伤,而贝氏体车轮钢只有在大蠕滑条件且轴重为30 t时,载荷循环次数小于1×105的情况下才会出现滚动接触疲劳损伤;摩擦因数为0.6时,CL60钢和贝氏体车轮钢在各种工况下的滚动接触疲劳损伤速度都小于相同条件下的磨耗速度。     

ANALYSIS OF THERMAL-ELASTIC STRESS OF WHEEL-RAIL IN ROLLING-SLIDING CONTACT

A coupling thermo-mechanical model of wheel/rail in rolling-sliding contact is put forward using finite element method. The normal contact pressure is idealized as the Hertzian distribution, and the tangential force presented by Carter is used. In order to obtain thermal-elastic stress, the ther-mal-elastic plane stress problem is transformed to an elastic plane stress problem with equivalent fictitious thermal body force and fictitious boundary distributed force. The temperature rise and ther-mal-elastic stress of wheel and rail in rolling-sliding are analyzed. The non-steady state heat transfer between the contact surfaces of wheel and rail, heat-convection and radiation between the wheel/rail and the ambient are taken into consideration. The influences of the wheel rolling speed and wear rate on friction temperature and thermal-elastic stress are investigated. The results show the following: ① For rolling-sliding case, the thermal stress in the thin layer near the contact patch due to the friction temperature rise is severe. The higher rolling speed leads to the lower friction temperature rise and thermal stress in the wheel; ② For sliding case, the friction temperature and thermal stress of the wheel rise quickly in the initial sliding stage, and then get into a steady state gradually. The expansion of the contact patch, due to material wear, can affect the friction temperature rise and the thermal stress during wear process. The higher wear rate generates lower stress. The results can help under-stand the influence of friction temperature and thermal-elastic stress on wheel and rail damage.     

辗轧工序对车轮摩擦磨损和接触疲劳性能的影响

为研究辗轧工序对车轮使用性能的影响,选择经辗轧工序成形和直接钢水浇筑成形的2种车轮材料,利用GPM-30试验机开展摩擦磨损和接触疲劳性能研究,采用光学显微镜、扫描电子显微镜、ASPEX分析仪、EBSD分析2种车轮材料在不同接触应力状态下摩擦磨损和接触疲劳裂纹萌生扩展行为。结果表明:辗轧工序能够有效地细化车轮材料晶粒,减小珠光体片层间距,从而改善车轮微观组织,减少不均匀塑性变形,抑制裂纹的萌生和扩展,减少磨损量,延长接触疲劳寿命;同时发现夹杂物的形态影响接触疲劳试验亚表面裂纹的萌生。     

纵向力对列车车轮磨损特性的影响

列车在加速和减速过程中车轮将承受纵向力的作用,随着纵向力的增加,车轮的损伤也随之加重,其中车轮的磨损成了迫切需要研究的课题。通过磁粉制动器在JD 1轮轨模拟试验机上设定不同的纵向力,研究其对车轮磨损特性的影响。结果表明,车轮试件的磨损量随着轮轨间纵向力的增大而增大;同时磨痕表面伴随着明显的氧化,且随着纵向力的增加,试件磨痕的氧元素含量有增加的趋势;磨痕的表面裂纹数量随着纵向力的增大而增多,但表面裂纹的长度却随之减小。试件在试验过程产生的磨屑均为片层状,其形状大小与试验条件无关,这种片层状的磨屑表明试件磨痕表面的材料损失主要以层离磨损为主。     

钢轨滚动磨损性能试验研究

在JD-1型轮轨摩擦试验机上研究了轴重与曲线半径对钢轨滚动磨损性能的影响。结果表明：轴重与曲线半径是影响钢轨磨损的主要因素。试样磨损量随着载荷的增加而增加，也随着曲线半径的减小而增加；试样表面磨损形貌随着载荷与曲线半径的改变而表现出不同的变化，其中大载荷和小曲线半径试验使钢轨试样磨损程度严重，表面容易产生较明显的塑性形变以及龟裂现象；制动力条件下滚动试样磨损更为严重。     

水润滑条件下转速对车轮钢滚动接触疲劳和磨损性能的影响

为探究水润滑条件下转速对车轮钢滚动接触疲劳和磨损性能的影响,利用滚动接触摩擦磨损试验测试不同转速下车轮试样的剥离寿命、摩擦因数和磨损率,并结合磨损形貌和裂纹扩展形貌观察,对比分析不同转速下摩擦磨损和剥离寿命的影响因素。结果表明:随转速提高,车轮材料氧化程度加剧,导致摩擦因数逐渐增加;当转速由250 r/min增至500 r/min时,摩擦因数增幅较小,应变速率增加导致磨损率下降,当转速由500 r/min增至1000 r/min时,摩擦因数急剧增加,导致材料磨损率增加;随转速提高,剖面塑性流动层厚度、裂纹扩展角度、裂纹分叉深度和最大扩展深度均呈现减小趋势。转速增加带来的摩擦因数的增加,一方面缩短裂纹萌生寿命,另一方面减小了裂纹发生向上转折的深度,最终导致滚动接触疲劳寿命随转速的增加而减小。