世界铁路发展状况及其关键力学问题 全国结构工程学术会议特邀报告

论述了世界部分发达国家和我国铁路发展情况、铁路运输的优点及其在经济建设中所发挥的作用。介绍了世界发达国家和我国铁路发展历史和未来轨道交通发展方向。详细讨论了现有铁路运输存在的问题和未来高速铁路亟待解决的关键力学问题。它们主要是:(1)弓网/列车/轨道(桥梁)大系统耦合动力学; (2)车辆结构强度和可靠度问题;(3)轮轨关系(脱轨、粘着、滚动接触疲劳和波浪形磨损、轮轨噪声);(4)高速列车弓网动力学和高速受流条件下摩擦磨损;(5)轨道结构关键力学和严酷环境下轨道工程破坏问题。这些问题直接危及到行车的安全和运行品质.并提出今后解决这些问题的主要方向。     

一种典型齿形紧配合面微动损伤机理研究

结合对连杆的动力学分析，对16V280ZJ型柴油机连杆齿状紧配合件结合面的损伤进行了分析研究，结果表明，齿面间复杂的微动疲劳作用加速了齿表面裂纹的萌生与扩展，是降低使用寿命的主要原因，研究结果对其它类型的柴油机连杆（如16V240）或其它类似的紧结合面损伤机理研究具有指导意义。     

ZM5镁合金微动磨损特性研究

采用高精度微动试验台研究了ZM5镁合金的微动磨损行为,法向载荷变化范围为50～200N、位移幅位为5～40μm。通过摩擦力-位移-循环次数变化分析,结合显微观测,结果表明:ZM5镁合金的微动磨损行为与微动区城特性密切相关。它的微动损伤形貌主要是磨损,在初期阶段的磨损机制主要是粘着和氧化,中后期是粘着、氧化和磨粒磨损共同作用的结果。     

TBM的刀具改性与辅助破岩技术研究现状

硬岩掘进机(TBM)主要依赖滚刀-岩石界面的滚压作用进行隧道掘进作业,滚刀刀圈磨损严重、更换频繁,严重影响TBM掘进效率.本文介绍了TBM滚刀破岩原理与典型失效形式;从滚刀材料改性和结构优化角度归纳总结了TBM刀具改性的研究现状,指出单纯的滚刀改性优化对TBM掘进效率的提升作用有限;进而介绍了水射流、超声、激光和微波等外加物理场辅助破岩技术的研究进展;最后,从岩石力学性能化学弱化角度探讨了辅助破岩技术的新思路.     

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。     

TiC/Ti(C,N)/TiN复合涂层在滑移区的高温微动磨损特性

采用化学气相沉积（CVD）技术，在1Cr13不锈钢基体上制备TiC／Ti（C，N）／TiN复合涂层，研究了该涂层从室温（25℃）到400℃的微动磨损特性，并与无涂层的1Cr13不锈钢基材比较。结果表明：在滑移区．温度对1Cr13不锈钢微动磨损影响较显著；随着温度上升1Cr13不锈钢摩擦系数减少，磨损体积下降；而温度对TiC／Ti（C，N）／TiN复合涂层磨损体积影响不大．且磨损量均很小．TiC/Ti（C，N）／TiN涂层表现出比1Cr13不锈钢优异的抗微动磨损性能。但当该涂层被磨去后，产生的硬质磨屑形成磨粒磨损，反而对基体造成更大的损伤。     

-35℃低温下珠光体/贝氏体钢轨磨损与滚动接触疲劳行为研究

高寒地区铁路钢轨面临着低温服役环境,低温下钢轨的滚动磨损与损伤行为是影响其服役安全的重要因素。通过轮轨滚动接触模拟试验研究了-35℃温度下珠光体（亚共析钢和共析钢）和贝氏体钢轨磨损与滚动接触疲劳（RCF）损伤行为。结果表明,贝氏体钢轨在-35℃试验温度下硬化程度较低,导致磨损程度高于珠光体钢轨,珠光体钢轨中亚共析钢轨磨损程度低于共析钢轨;三种钢轨存在不同程度的RCF损伤,疲劳裂纹主要以小角度（<10°）扩展。磨损和RCF存在竞争关系,磨损较小的亚共析钢轨RCF损伤严重,共析钢轨次之,磨损最严重的贝氏体钢轨RCF损伤最轻微。     

有机相对人牙釉质力学性能影响的有限元分析

人牙釉质是最硬的人体组织,对咀嚼磨耗有较大的抵抗力,其由羟基磷灰石晶体和有机物相间排列而成,显微组织结构与纤维增强材料类似。采用有限元方法分别建立原始牙釉质和去除有机相牙釉质2种模型,研究牙釉质中的有机相对其力学性能的影响。研究结果表明,牙釉质具有各向异性的力学性能,随着偏离羟基磷灰石晶体C轴方向的角度增加,釉质的压缩弹性模量和压缩屈服应力降低,在45°方向达到最小值;牙釉质中的有机相会显著影响其力学性能,当有机相被去除后,牙釉质的压缩弹性模量、剪切弹性模量和剪切屈服应力均降低,压缩屈服应力无显著变化。研究结果有助于揭示牙釉质化学组成和微观结构对其力学性能的影响,为牙科修复材料的仿生设计提供理论依据。     

轮轨粘着面积的数值研究

利用非Hertz滚动接触理论,应用数值方法CONTACT,分别计算了我国列车常用的两种车轮踏面(磨耗型和锥形)在列车静态接触情况下曲线半径、横移量和轮对摇头角对接触斑总面积和粘/滑区占接触斑总面积比重的影响.经过计算分析表明:在各种工况下,锥形踏面的接触斑总面积都大于相应磨耗型的,随着钢轨曲线半径的增大,接触斑面积无变化,粘着系数增大,接触斑中粘着区所占面积比重减小;当横移量增大到10 mm时,接触斑面积骤减,粘着占总面积比重亦骤减,进入全滑动区,出现爬轨;随着轮对摇头角的变化,接触斑面积几乎无变化,当轮对摇头角大于0.4°时,接触斑处于全滑动状态,粘着占总面积比重骤减.     

TiAlN涂层往复滑动的摩擦学性能研究

为研究硬质合金表面沉积的TiA lN涂层的摩擦学行为,在不同介质(干态、乳化液、冷却油)条件和试验参数(法向载荷和位移幅值)下,进行了往复滑动摩擦磨损试验。在动力学分析基础上,结合光学显微镜(OM)、激光共焦扫描显微镜(LCSM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子能谱(EDS)等微观分析手段对摩擦学性能进行了研究。结果显示:在同样条件下,涂层在试验初期的摩擦因数较小;法向载荷增大,涂层的摩擦因数降低,而位移幅值对涂层摩擦因数的影响不明显;基体的磨损机制主要为磨粒磨损,而涂层剥落是剥层和氧化磨损共同作用的结果;在润滑条件下,涂层的摩擦学性能得到了很大的改善,使涂层寿命得到显著延长,其中冷却油的效果最明显。