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.     

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.     

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。     

车轮钢摩擦副滚动摩擦磨损特性研究

在NENE-2型磨损试验机上利用往复滚动试验装置研究了不同制动状态下车轮钢的滚动摩擦磨损特性。结果表明:不同滚滑状态下的切向摩擦力是变化的,随制动力的增加,滚动摩擦副对应的摩擦因数和摩擦阻力相应增大;平面试样的表面磨痕形貌由于切向摩擦力的变化而明显不同;随切向摩擦力的增大滚动磨损机制亦发生改变,从磨粒磨损逐渐转变为粘着磨损,磨损加剧且磨痕深度变大。     

车轮踏面不圆顺对高速列车轮轨界面黏着与车轮表面损伤的影响

在JD-DRCF/M型滚动接触疲劳/磨损试验台上开展了有/无偏心车轮配副的轮轨滚滑接触摩擦学试验,对比分析了一阶不圆顺车轮和正常圆顺车轮对轮轨界面黏着、车轮表面损伤与滚动接触疲劳特性的影响。结果表明：车轮不圆顺会显著减小轮轨间黏着系数,湿态下不圆顺车轮的轮轨黏着系数不足0.2,影响列车安全运行和牵引效果;车轮不圆顺明显加剧了钢轨磨耗,同时导致车轮沿周向的表面损伤表现出显著差异。具体来说,凸起侧附近疲劳剥落和撕裂断口特征最为明显;迎向凸起侧较背向凸起侧表面剥落更严重、疲劳裂纹扩展角更大;迎向凸起侧表面点蚀现象相对明显,背向凸起侧车轮表面黏着层堆积严重;此外,随着车轮滚动半径rθ由最小值到最大值再到最小值循环变化,不圆顺车轮沿周向的表面粗糙度、表面硬度和塑性变形层厚度大致均呈先逐渐增加、经过凸起侧附近后又逐渐下降的趋势。     

高速下不同车轮的失效损伤分析

根据赫兹接触理论,使用JD-1型轮轨模拟试验机针对不同含碳量的2种车轮材料进行疲劳磨损实验研究和微观形貌分析。结果表明:车轮钢的磨损程度主要由硬度决定,随着车轮钢含碳量的增加,硬度增加,耐磨性也显著提高;2种材料都出现了一定的氧化和剥离现象,且剥离形貌存在明显差异,即含碳量越高,剥离掉块越明显,掉块面积较大,而随着含碳量的降低,剥离块的大小逐渐变小,但剥离的数量会增多,剥落的颗粒存在于接触表面之间,加速表面磨损。     

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。     

CL60车轮表面气体软氮化对轮轨滚动接触条件下界面黏着与表面损伤的影响

在轮轨滚动接触疲劳/磨损试验台上开展了CL60车轮表面气体软氮化对轮轨滚动接触疲劳和表面磨损行为的影响研究,对比分析了车轮表面气体软氮化对轮轨表面损伤的作用机理。结果表明:表面氮化处理可使车轮表面依次形成约3μm～5μm厚均匀致密的白亮层和约20μm后的扩散层;车轮表面氮化处理后,干态下轮轨间黏着系数降低了11. 7%、水态下降低了18. 4%,但氮化处理仍可保持轮轨间较高的黏着系数,可以避免车轮打滑等现象的发生;渗氮处理不仅明显提高了车轮表面的耐磨性,而且也有效降低了钢轨试样的磨损,其磨损量分别减小了58. 05%和10. 77%。简言之,车轮渗氮处理有效降低了轮轨系统的综合磨耗,提高了车轮材料的滚动接触疲劳抗力。该方法有望应用于实际,从而有效提高轮轨系统的服役寿命、减缓重载条件下轮轨材料的损伤。     

低温下高速车轮材料滚动磨损与疲劳损伤行为

利用低温环境轮轨磨损模拟试验装置,研究了高速铁路车轮材料在室温及低温环境下的滚动接触疲劳损伤行为。结果表明：低湿度的低温环境导致车轮材料磨损率、塑性变形及疲劳损伤较室温下明显加重。随试验温度的降低,轮轨摩擦因数、磨损率及表面硬度均呈现先急剧上升后轻微下降趋势。室温工况下磨痕表面有严重的犁沟现象,而低温工况下车轮试样表面以疲劳裂纹及剥落损伤为主。随着温度的降低,磨损形式由氧化磨损、磨粒磨损逐渐向疲劳及粘着磨损转变。车轮材料裂纹主要沿较软的铁素体线扩展,室温下剖面损伤较轻微。低温工况下由于车轮材料发生脆化,珠光体呈现不同于室温下的形貌及分布特性。在低温下,表层裂纹扩展角度及次表层裂纹长度增加,同时表层裂纹易于汇合并产生分支。     

中等强度沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损与损伤影响

为研究戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损和损伤的影响，采用风沙环境双盘滚动接触疲劳试验机对四种不同硬度的珠光体钢轨材料进行了轮轨滚动试验。结果表明，戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下，随着钢轨硬度增加，平均黏着系数均无显著变化，车轮磨损率均先减小后增加，但钢轨磨损率在戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下分别呈下降和上升趋势；这两种中等强度沙尘暴环境下，车轮的磨损机制主要为氧化磨损和疲劳磨损，且车轮氧化磨损随着钢轨硬度的增加而逐渐加剧，而钢轨的磨损机制主要为疲劳磨损；随着钢轨硬度的增加，这两种中等强度沙尘暴环境下，钢轨剖面裂纹深度总体均呈下降的趋势，表明钢轨的疲劳损伤随着钢轨硬度的增加而逐渐减轻；由于疲劳损伤对轮轨运行安全的影响比磨损更大，综合考虑钢轨材料的抗滚动磨损性能和抗滚动接触疲劳性能可以得出，高硬度的热处理钢轨更适合用于中等强度沙尘暴环境。     

水润滑条件下速度对车轮钢磨损特性的影响

在JD-1轮轨模拟试验机上,利用赫兹模拟准则研究了水润滑条件下速度对车轮钢滚动磨损性能的影响,利用扫描电子显微镜等分析了车轮钢磨损表面的变化情况.结果表明:随速度的增加,车轮钢试样磨损量呈现减小的趋势,滚动接触表面间润滑状态从边界润滑转变为部分弹流润滑;车轮钢磨损机制主要由微切削、微断裂磨损向轻微塑性变形磨损转变.     

不同接触参数下车轮多边形形成及发展试验研究

利用WR-1轮轨滚动磨损试验机研究了不同轮轨接触参数(垂向力、蠕滑率、转速)下车轮多边形形成规律，分析了滚动过程中的轮轨振动特性，探索了多边形车轮试样的硬化与损伤规律。结果表明：当垂向力、蠕滑率和转速较小时，轮轨系统振动稳定，车轮试样不产生多边形；随垂向力、蠕滑率和转速增大，系统激发了明显的主振动频率，振动幅值随运行时间不断增大，车轮多边形逐渐产生；且多边形波深随垂向力和蠕滑率增大呈现增大趋势。试验后，车轮试样硬度随深度逐渐降低，未产生多边形的车轮试样硬度在圆周方向上无明显波动，多边形车轮试样硬度随轮廓变化而变化，波峰区域硬度低、波谷区域硬度高，波谷区域塑性变形层厚度明显大于波峰区域。多边形车轮试样波谷区域与未产生多边形车轮试样损伤均以疲劳磨损为主，波峰区域表面存在大量剥落坑，波峰与波谷处裂纹长度与深度相较于无多边形车轮试样都明显减小、裂纹角度显著增大。多边形车轮试样表面会受到反复的轮轨冲击-挤压作用，垂向力与蠕滑率的增加会使冲击-挤压作用更加剧烈，车轮多边形更加严重。研究结果对进一步了解车轮多边形形成机理及抑制措施提供一定的指导意义。     

无碳化物贝氏体钢的滚动接触疲劳磨损行为

通过滚动接触疲劳磨损试验和扫描、透射、X射线衍射等分析方法,研究无碳化物贝氏体钢的滚动接触疲劳磨损行为。结果表明,无碳化物贝氏体钢拥有较为理想的滚动接触疲劳磨损性能,其疲劳磨损失效形式为浅层剥落,试样表面产生的严重塑性变形层,有效地阻碍了疲劳裂纹向深处扩展;经过920℃奥氏体化处理40 min,随后350℃盐浴等温30 min比等温100 min处理的试样的滚动接触疲劳磨损性能更加优异,其滚动接触疲劳磨损寿命可达到8.0×10~6次;残余奥氏体能够有效地提高接触表面硬度,松弛裂纹尖端的应力集中,从而改善滚动接触疲劳磨损性能;在滚动接触疲劳磨损过程中,试样表面的硬度显著的提高,表面合金元素的再分配,对滚动接触疲劳磨损性能的提高有一定的促进作用。     

高转速、不同法向载荷条件下车轮与钢轨间的滚动摩擦磨损及损伤行为

利用滚动接触疲劳试验机研究了高转速不同法向载荷(2 000,5 000,8 000N)条件下,车轮与钢轨(以下简称轮、轨)试样间的滚动摩擦磨损和损伤行为。结果表明:随着法向载荷增大,轮、轨试样间滚动摩擦稳定阶段的摩擦因数以及轮、轨试样的磨损量、塑性变形层厚度均逐渐增大;在相同的试验条件下,轮试样的磨损量大于轨试样的磨损量;轮、轨试样的表面损伤皆表现为典型的滚动接触疲劳特征,并且轮试样的疲劳损伤更严重,表面更易萌生裂纹。     

增黏砂对机车车轮踏面剥离影响的试验研究

随着国内铁路运输需求的增加,轮轨间相互作用导致机车车轮踏面出现不同程度的剥离损伤,严重威胁了列车的安全运行。为研究增黏砂对机车车轮踏面剥离问题的影响,对机务段使用的石英砂及不同类型的河砂进行采样,搭建轮轨接触模拟试验台进行轮轨与石英砂及轮轨与河砂的碾压试验,并对车轮踏面鱼鳞状剥离部位进行金相分析。综合对比分析现场情况、碾压试验结果以及金相分析结果后,得出结论:由于河砂的存在,机车车轮踏面在运用初期形成麻点状损伤;由于河砂的存在,触发了轮轨间滚动接触疲劳的发生,继而在后期导致了机车车轮踏面出现鱼鳞状剥离损伤;不同类型的河砂会在车轮表面造成不同程度的坑状损伤,且破碎均匀性越差的砂粒所导致的车轮剥离损伤越严重;建议使用破碎均匀性较好的石英砂作为增黏介质。     

铁路货车车轮钢滚动接触疲劳性能评估

使用双盘对滚试验机测试了碳含量分别约0.60%、0.70%和0.75%货车车轮钢的滚动接触疲劳寿命,对比分析了三种车轮钢滚动接触疲劳性能的差异。研究结果表明,在轴重为40 t的模拟工况下,碳含量0.75%车轮钢的滚动接触疲劳性能优于碳含量0.60%和0.70%的车轮钢,碳含量0.60%的车轮钢试样发生表面塑性压溃。在轴重为30 t的模拟工况下,碳含量0.60%和0.70%车轮钢试样随均未发生塑性压溃现象,后者的接触疲劳寿命明显高于前者。通过试验结果和车轮实际使用情况可推测,碳含量0.60%的车轮钢适用于轴重低于25 t的货车,碳含量0.70%的车轮钢适用于轴重25～30 t的货车,碳含量0.75%的车轮钢适用于轴重高于30 t的货车。     

脂润滑工况下GCr15钢的冲击磨损实验研究

在重载荷冲击磨损试验机上在一定冲击频率下对GCr15钢试件进行脂润滑工况下的冲击磨损试验,使用扫描电镜以及表面形貌仪等观察分析试件表面损伤及塑性变形情况。结果发现:冲击使GCr15钢试件表面发生了塑性变形和磨损,塑性变形存在于冲击的每一阶段,不同润滑脂接触工况下表层脱落情况不相同,并且伴有微细球形颗粒产生;冲击次数较少时,润滑脂黏度越大,冲击磨损后试件表面凹坑深度越大,形成的凹坑肩部凸起越高,随着冲击次数的增加,不同脂润滑时的凹坑深度趋于相同。     

32Cr3MoVE渗氮轴承钢的高应力滚动接触疲劳性能

对采用双真空熔炼制备的32Cr3MoVE轴承钢进行表面渗氮处理,利用滚动接触疲劳试验机在4.5GPa高应力下研究其滚动接触疲劳性能,分析其滚动接触疲劳破坏机制。结果表明:试验钢的有效渗氮层深度为350μm,随距表面距离的增大,渗氮层残余压应力呈先增大后减小趋势,距表面300μm处的残余压应力最大,为610 MPa;渗氮层中存在沿晶界分布的白色脉状组织;利用双参数Weibull分布计算得到其滚动接触疲劳特征寿命、额定疲劳寿命、中值疲劳寿命分别为3.040×10~8,0.357×10~8,2.083×10~8周次;试验钢的滚动接触疲劳破坏模式包括表面起裂和次表面起裂两种,表面起裂试样剥落坑的平均直径及深度均明显大于次表面起裂试样的;表面起裂试样沿表面点蚀坑或划痕处起裂,次表面起裂试样在长时间循环接触应力作用下,次表面材料性能退化,导致裂纹萌生。     

表面具有焊层的45~#钢冲击磨损的实验研究

使用杠杆原理式冲击磨损实验台及表面形貌仪等研究冲击载荷作用下表面具有不锈钢焊层的45#钢的表面损伤行为。实验工况分干接触及2种不同黏度的润滑油润滑3种接触方式,研究在不同冲击次数条件下,材料表面的损伤情况,并探讨不同黏度润滑油对冲击磨损机制的影响。结果表明:不锈钢焊层对45#钢基体起到了良好的保护作用,润滑油的存在会在一定程度上抑制冲击所造成的塑性变形,使冲击凹坑呈现出与干接触时不同的表面形貌;随冲击次数的不同,材料的损伤机制主要是黏着磨损、疲劳破碎及疲劳剥落;在材料损伤的各个阶段均伴有塑性变形的出现。     

钢轨磨耗对轮轨滚动接触关系的影响研究

钢轨廓形会随着磨耗的发展而发生明显改变,并对轮轨接触关系产生影响。以国内某客货共运干线铁路的小半径曲线为例,跟踪采集钢轨廓形,并测量通过该线路的客车和货车车轮廓形。对不同磨耗阶段的钢轨型面对应的轮轨共形接触和轮轨导向能力进行分析,并结合车辆-轨道动力学模型对多车轮条件下的轮轨接触位置分布特征和钢轨表面滚动接触疲劳损伤系数进行计算。结果表明:随着钢轨的不断磨耗,轮轨共形接触的概率先下降后上升,同时转向架导向轮对的轮轨导向能力先减弱后加强,而从动轮对的导向能力逐渐减弱。上股钢轨的轮轨接触宽度由25 mm扩大到45 mm,下股钢轨由27 mm扩大到45 mm,同时上股钢轨轨顶和轨距角处接触频率逐渐增加,轨肩位置处的接触频率逐渐减小。钢轨表面的累积滚动接触疲劳损伤系数先减小后增大,疲劳损伤区域逐渐向轨顶扩展,甚至达到轨顶外侧位置。