新型CL60钢地铁车轮摩擦磨损试验研究

为了提高地铁车轮的服役性能,对车轮用CL60钢材料中Si、Mn、Cr等元素的质量分数进行重新设计和优化,研发新型CL60钢地铁车轮,通过GPM-60摩擦磨损试验机模拟轮轨磨损试验,研究原CL60钢车轮与新型CL60钢车轮在实验室条件下的磨损特性。基于赫兹模拟准则设计计算了模拟试验采用的轮轨试样尺寸、施加的载荷和转速;通过不同载荷工况下的摩擦磨损试验和轮轨材料微观组织分析,研究2种轮-轨试样的磨损量、磨损率、塑性变形及表面形貌的变化规律及特征,对新型CL60钢车轮的使用性能进行评价。结果表明：与原CL60钢车轮相比,在不同载荷下新型CL60钢车轮试样磨损量、轮-轨试样总磨损量、磨损率及摩擦表面塑性变形层厚度均大大降低,其抗磨损性能和塑性变形能力得到了改善。     

高寒地区列车遭遇暖湿气流后轮轨界面黏着与车轮损伤响应行为研究

利用轮轨滚动试验机模拟了-40℃环境工况下不同湿度（10%～99%）暖湿气流对高速轮轨界面黏着与车轮表面损伤的响应行为。低温环境下轮轨界面遭遇暖湿气流时,黏着系数会迅速减小,且随着气流湿度的增大,黏着系数减小的幅度和恢复时间均增加;同时,与未遭遇暖湿的轮轨界面相比,黏着系数、磨损量、塑性变形层厚度均明显增大,且随着气流湿度的增大,平均黏着系数减小,磨损量和塑性变形层厚度增大。在低温无湿气作用工况下,车轮磨损机制主要为疲劳磨损,剖面裂纹以表层裂纹为主;低温间歇暖湿气流作用下,车轮磨损机制主要以氧化磨损和黏着磨损为主,磨损表面出现氧化磨屑堆积而成的第三体层,剖面裂纹出现了多层裂纹和次表层裂纹。低温环境下,暖湿气流对列车的轮轨界面黏着和车轮损伤影响显著,主要体现在黏着系数的瞬时大幅减小以及车轮材料更为严重的磨耗和疲劳损伤。因此,高寒地区应特别注意暖湿气流对列车轮轨损伤和黏着的影响,以保证列车的安全运行。     

车轮材料对轮轨系统匹配性能的影响

利用MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机研究4种含碳量不同的车轮材料分别与PD3热轧钢轨进行匹配的磨损与疲劳性能。结果表明：随着车轮材料的含碳量增加,硬度增大、耐磨性增强,导致磨损量降低,轮轨系统的磨损量呈现先减小后增大的趋势;车轮试样的塑性变形层厚度随含碳量的增加而减小,抗疲劳性能加强;车轮试样表面由严重剥落损伤向轻微剥落转变,伴随有一定的黏着磨损;钢轨试样表面以剥落磨损为主。     

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。     

4种成分车轮钢与U71Mn钢轨钢间的磨损行为

在轮轨磨损试验机上研究了热轧U71Mn钢轨钢和4种成分车轮钢间的摩擦磨损行为,分析了车轮钢化学成分、硬度对磨损行为及磨损机制的影响。结果表明:随着碳元素含量的提高,车轮钢显微组织中先共析铁素体含量显著减少,珠光体晶粒尺寸增大,珠光体中的渗碳体片层变厚,车轮钢的硬度也逐渐增大;随着车轮钢硬度的增大,车轮钢磨损量减少,其主要磨损机制由磨粒磨损和浅层剥层磨损向深层剥层磨损转变,钢轨钢磨损量增加,其主要磨损机制为浅层剥层磨损。     

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.     

表面微弧氧化镁合金在流动模拟体液中的磨损行为

对AZ91D镁合金进行了表面微弧氧化处理,研究了处理前后合金在流量为2mL·min-1的模拟体液中浸泡5d后的耐腐蚀降解性能;对浸泡5d的微弧氧化镁合金在流动模拟体液中进行了摩擦磨损试验,研究了载荷、转速、磨损时间对其摩擦磨损性能的影响,分析了其磨损形貌及规律。结果表明:微弧氧化膜为多孔结构,局部有细小裂纹。微弧氧化镁合金的耐腐蚀降解性能明显优于镁合金基体的。浸泡5d后的微弧氧化镁合金在模拟体液中进行磨损时,其摩擦因数随载荷的增大而增大,随转速增大、磨损时间的延长而减小;磨损量随载荷、转速增大和磨损时间延长而增大;低速时以黏着磨损为主,高速时以剥层磨损为主。     

不同高温浆体中螺杆钻具定子衬套的摩擦规律

定子橡胶衬套的磨损易导致螺杆钻具工作效率降低或过早发生失效。为研究钻井工况下橡胶衬套的摩擦磨损特性,对定子橡胶衬套在干磨状态以及不同浆体介质中的状态进行了摩擦学试验,并对橡胶磨损量进行称量。试验结果表明：在干磨和各浆体介质中,中低载荷和低转速情况下,橡胶的摩擦因数随着载荷和转速增大而减小,橡胶的磨损量随载荷和转速的增大而增大;在浆体介质中,橡胶磨损量随泥浆密度的增大而增大。衬套的磨损机理主要表现为滞后磨损、氧化降解和微切削作用磨损。     

不同介质下ER8车轮钢滑动摩擦磨损性能

为探讨车轮在不同环境下服役时摩擦因数的变化机制，通过滑动摩擦试验机考察不同载荷下，ER8车轮钢分别在干燥空气、纯水、3.5%氯化钠溶液3种环境下的摩擦磨损性能。利用光学显微镜、扫描电子显微镜、非接触三维表面轮廓仪、X射线衍射仪对磨痕及元素组成进行了分析，探讨不同环境下ER8车轮钢的摩擦磨损机制。结果表明：随着载荷的增大，ER8车轮钢的摩擦因数明显增大；列车的服役环境对车轮的摩擦磨损性能有较大影响，在干燥空气环境下，ER8车轮钢无腐蚀状况，磨痕宽度最小，但摩擦因数最大，可达0.503;在盐水环境下，ER8车轮钢出现腐蚀现象，磨痕宽度最大，但摩擦因数最小；干摩擦下ER8车轮钢的磨损机制为黏着磨损、磨粒磨损和氧化磨损，纯水摩擦和3.5%NaCl溶液环境下的磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损。     

基于ALE法的车轮踏面磨损及疲劳性能研究

基于有限元Arbitrary Lagrangian Eulerian(ALE)方法和Archard磨损理论建立了CRH5型动车组车轮的磨损分析模型。通过静态以及稳态分析结合修型运算,获取了车轮在典型工况下的磨损规律,包括车轮踏面磨损程度和磨损量沿踏面分布的动态变化规律。基于以上工作,又对不同磨损程度的车轮进行了疲劳寿命分析,总结了在磨损过程中,车轮的疲劳损伤速率随磨损的动态规律。结果发现:车轮的疲劳损伤速率在初期时呈显著下降趋势,当磨损超过整个仿真磨损量的70%时趋于平稳。     

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。     

高速和低速工况下列车车轮的损伤行为对比

在轮轨模拟试验机上模拟了列车车轮在高速(350km·h-1)和低速(120km·h-1)工况下的运行过程,对比分析了两种工况下车轮的损伤行为。结果表明:两种工况下车轮试样均出现了非均匀磨损,表面磨痕沿车轮滚动方向交替出现了光滑区域和粗糙区域;低速工况下车轮试样的磨损量明显大于高速工况下的,其粗糙区域和光滑区域的损伤差异性较大,而高速工况下两个区域的损伤差异性较小。     

车轮显微组织对车轮摩擦学性能的影响

利用JD-1型轮轨模拟试验机研究4种不同成分车轮材料微结构对其摩擦学行为的影响。结果表明:随着碳当量升高,车轮材料显微组织中先共析铁素体体积分数逐渐减小,珠光体晶粒大小和珠光体片层间距则有明显增大的趋势;车轮材料显微组织决定其硬度和耐磨性,随着碳当量的升高,车轮材料硬度增加,耐磨性提高,车轮材料的主要磨损机制为疲劳磨损;随着碳当量升高,车轮材料疲劳裂纹萌生的概率越来越大,疲劳裂纹有向长深裂纹扩展的趋势,而且耐磨性的提高也不利于疲劳裂纹的磨除,车轮材料的抗疲劳性能越来越差。     

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。     

利用数值模拟估算TBM刀具磨损量的方法

采用有限元方法建立滚刀与岩石相互做作用模型。模拟了单刀破岩过程中盘形滚刀的受力与运动情况。并依据体积磨损量与摩擦能量之间的关系建立方程,对刀具磨损量以及刀具寿命进行了估算。研究结果表明:利用数值模拟得到的垂直力、滑移量估算刀具使用寿命的方法可行;对于同一种地质条件,滚刀存在一个最佳贯入度使得磨损量最小;安装半径与刀盘转速的增大会使刀具磨损量增大;同条件下单轴抗压强度越大的岩石对刀具磨损越严重。     

高速铁路轮/轨材料匹配性能研究

在研究高速铁路钢轨/车轮材料时,提高钢轨或车轮材料硬度可减少磨损,但单方面提高钢轨或车轮材料硬度,会导致与之配合的车轮或钢轨损伤更为严重,因此研究轮轨的匹配问题十分重要。研究根据赫兹接触理论,在MMS-2A磨损试验机上模拟不同钢轨和车轮匹配时的服役过程,并采用扫描电镜观察磨损表面,分析不同材料轮轨匹配服役后的损伤情况。结果表明:随着钢轨材料的含碳量增加,其磨损量下降,但与其相配的车轮的磨损量却随之增加;随着模拟轮轨硬度比的增加,摩擦副的总磨损量呈上升趋势。因此,为了取得摩擦副整体优良的使用性能,应该选择适当的钢轨钢和车轮钢,以达到轮轨之间最佳的硬度匹配。     

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。     

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。     

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。