轮轨摩擦接触下钢轨多裂纹相互作用研究

利用热机耦合有限元法,建立了轮轨摩擦接触时钢轨表面多裂纹的热弹性平面应变有限元模型。数值模型中,考虑轮轨摩擦温升对轮轨材料参数的影响,通过移动载荷和热源来模拟运动车轮对钢轨的作用。分析了轮轨滑动接触时多裂纹相互作用和表面裂纹数量对钢轨疲劳裂纹扩展特性的影响。计算结果表明:与单个裂纹相比,多裂纹有降低钢轨疲劳裂纹扩展的作用;钢轨裂纹尖端应力强度因子K1和应力强度因子范围?K2均随裂纹数的增多而减小;钢轨表面裂纹数为5条时可以反映更多裂纹时的裂纹扩展特性。     

不同介质下的轮轨摩擦噪声和磨损特性试验研究

基于MMS-2A型轮轨滚动摩擦磨损试验机的双轮对滚试验,研究轮轨摩擦磨损过程中滚动噪声、摩擦系数和磨损量与介质的关系。结果表明:轮轨间添加不同介质时,轮轨噪声发展趋势基本一致,总体来看,都是先增大,到达首个峰值后开始降低,随着循环次数的增加,噪声声压值会趋于平稳,但在声压级上却存在明显差异。相较于常规干态情况,水介质会使轮轨材料摩擦时的噪声声压级降低1.5 dB,轮轨间摩擦系数则显著下降49.4%,车轮和钢轨试样的磨损量分别降低52.4%和44.4%;而撒砂则会使轮轨材料摩擦时的噪声声压级增加2.5 dB,轮轨间摩擦系数上升12.7%,车轮和钢轨试样的磨损量则显著增加,分别增加了105%和289%。以上研究可为轨道交通减振降噪措施提供依据,并指导线路的运营维护保养。     

石墨烯的改性及其环氧树脂基复合材料的摩擦磨损性能

以硅烷偶联剂KH560为表面活性剂对石墨烯进行表面改性,以改性石墨烯为增强体,环氧树脂为基体制备了改性石墨烯/环氧树脂复合材料,研究了改性石墨烯含量、载荷对复合材料的摩擦磨损性能的影响。结果表明,硅烷偶联剂KH560成功嫁接至石墨烯表面;改性石墨烯降低了环氧树脂的磨损量和摩擦系数,且改性石墨烯/环氧树脂复合材料的磨损量和摩擦系数随改性石墨烯含量增加均减小,当载荷为150 N、改性石墨烯含量为0.5%时,复合材料的磨损量和摩擦系数分别降低了44.9%和17.4%;随着载荷增加,改性石墨烯/环氧树脂复合材料的磨损量和摩擦系数均减小;低载荷下,纯环氧树脂及改性石墨烯/环氧树脂复合材料的磨损形式主要为疲劳磨损,改性石墨烯能抑制微裂纹的产生及扩展;载荷增加后,纯环氧树脂及改性石墨烯/环氧树脂复合材料的磨损形式主要为磨粒磨损,且复合材料磨损表面的犁沟相对较少。     

电流密度对Ni-W合金镀层摩擦磨损性能的影响

现有的Ni-W合金镀层摩擦磨损性能研究较少涉及镀层制备条件的影响。在不同电流密度下采用脉冲电沉积法在45钢表面制备了Ni-W合金镀层,测试了Ni-W合金镀层在干摩擦及油润滑摩擦条件下的摩擦磨损性能,并观察磨损形貌,分析其磨损机理。结果表明:在干摩擦状态下,随着电流密度增加,Ni-W合金镀层的磨损量逐渐降低,但摩擦系数逐渐升高,45钢的磨损主要是黏着磨损中的擦伤磨损,Ni-W合金镀层主要为磨粒磨损,个别存在少量疲劳磨损;在油润滑摩擦状态下,随着电流密度增加摩擦系数保持稳定,磨损量逐渐降低,Ni-W镀层与45钢的磨损形式均为磨粒磨损,45钢存在少量疲劳磨损。     

纤维增强复合材料界面疲劳裂纹扩展的模拟研究

脱粘是纤维增强复合材料界面裂纹扩展的主要表现形式。基于剪切筒模型和常用的实验加载方式,研究了纤维增强复合材料中纤维与基体界面在拉-拉循环荷载作用下的裂纹扩展。借助描述疲劳裂纹扩展的Paris公式,得到了疲劳裂纹扩展速率、扩展长度以及界面上摩擦系数与加载次数的关系。在分析中,考虑了疲劳加载引起的脱粘界面的损伤及损伤分布的不均匀性,同时还考虑了材料的泊松效应。     

激光淬火对重载轮轨磨损与损伤性能的影响

利用MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机研究了激光表面淬火对重载轮轨磨损与损伤性能的影响,分析了激光淬火对重载轮轨表面损伤的作用机理.结果表明:激光淬火处理后轮轨试样存在一定厚度的淬火处理层,其组织主要为均匀致密的马氏体层;激光淬火可明显提高车轮和钢轨试样的表面硬度,其硬度分别增加35.7%、33.5%;激光淬火基本不改变轮轨试样的滚动摩擦系数;激光淬火可增强轮轨试样的耐磨性,相比淬火前车轮和钢轨试样磨损量分别降低62.9%和66.0%;未处理轮轨试样表面损伤主要表现为明显的剥落损伤,激光淬火后轮轨表面损伤相对轻微,主要表现为小麻点式剥落损伤,重载工况下激光淬火处理使轮轨试样具有较好的抗表面损伤能力.     

PTFE/MoS_2改性聚酯纤维织物复合材料摩擦性能

将各种填料加入树脂中,制备环氧树脂和聚氨酯复合材料,将树脂复合材料与聚酯纤维织物复合制备环氧/聚酯纤维织物、聚氨酯/聚酯纤维织物复合材料,采用Amsler摩擦磨损试验机考察复合材料的摩擦磨损性能,采用SEM分析磨损表面形貌,并分析其摩擦机制。结果表明:聚四氟乙烯改善环氧/聚酯纤维织物复合材料摩擦磨损性能,降低其摩擦系数,减小磨损量;MoS_2改善PU/PET复合材料摩擦磨损性能,降低复合材料的摩擦系数,减小磨损量;摩擦试验时方向对聚酯纤维复合材料的干摩擦磨损性能有一定影响,对于粘合性能好的环氧/聚酯纤维织物复合材料,偏轴方向(30°、45°和60°)上具有较低的摩擦系数和磨损率;摩擦试验时方向对酚醛聚酯纤维织物和酚醛棉纤维织物复合材料干摩擦磨损性能也有一定影响,摩擦性能与纤维性能、基体树脂性能及二者粘接性能等因素密切相关。     

Fe3Al基摩擦材料的结构与摩擦磨损性能

采用热压烧结方法制备了一种适用于重载高速工况下的新型Fe3Al金属间化合物基摩擦材料,并对其微观结构、力学性能以及干滑动摩擦磨损性能进行了试验研究.结果表明,Fe3Al金属间化合物基摩擦材料密度低,强度高,摩擦系数高而稳定,高温耐磨性好.不同条件下摩擦磨损机制不同,轻载荷下主要是磨粒磨损和疲劳磨损,表现为微犁沟和凹坑;重载荷下摩擦初中期表现为严重塑性变形、裂纹扩展和疲劳断裂,摩擦后期以氧化磨损为主.     

磷酸二氢铝粘结固体润滑膜性能研究

无机粘结固体润滑膜与有机粘结膜相比耐高温性能优良。喷涂制备了磷酸二氢铝粘结石墨固体润滑膜,在M-2000磨损试验机上测试了涂膜在载荷100N干摩擦条件下的环块接触磨损性能并通过扫描电镜观察了磨损前后表面形貌。磨损试验表明,涂膜经过高温烘烤有利于脱除部分水分,组织更致密,其中纯石墨涂膜经过高温烘烤之后磨损量和磨损率均最低,在50min试验周期内磨损率为0.038mg/m(单位行程磨损量);在涂膜中适当添加无机颗粒有利于形成海岛结构增强体,阻止裂纹扩展。     

轮轨噪声发展机理的材料硬度试验

基于MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机的双轮对滚实验,从时域和频域的角度分析摩擦磨损过程中轮轨噪声与轮轨状态（材料硬度、摩擦系数和磨损量）的关系。结果表明车轮材料的硬度对于轮轨噪声具有显著影响。虽然不同硬度匹配时轮轨噪声发展趋势基本一致,但在声压级上却存在明显差异。轮轨硬度比越大,其轮轨噪声声压级越大。因此,对轮轨材料硬度的研究除了能够在一定程度上降低轮轨磨损量,延长轮轨的使用寿命外,还对研究降低列车运行时的噪声具有一定的指导意义。     

轮轨磨耗状态下悬挂参数失效对车辆动力学性能影响

为了研究悬挂参数失效对车辆系统动力学性能的影响,建立高速车辆系统动力学模型和悬挂参数失效模型,针对新轮轨、磨耗后轮轨进行轮轨接触几何关系和动力学仿真计算,分析当悬挂参数正常工作和失效时,车辆动力学性能的变化。结果表明：与新轮轨相比,轮轨磨耗状态下的等效锥度、滚动圆半径差和左右轮轨接触角度差变大;轮轨磨耗造成蛇行失稳临界速度下降,运行平稳性和曲线通过能力变差;悬挂系统失效方式不同,对车辆系统动力学的性能和车体的动态响应影响程度不同;车辆的悬挂参数优化应考虑轮轨磨耗的影响。     

高速轮轨钢超声振动辅助激光熔覆涂层的滚动摩擦磨损性能

目前有关高速轮轨钢超声振动辅助下的激光熔覆研究鲜有报道。在高速轮轨钢表面施加超声振动辅助激光熔覆制备了铁钴基复合涂层来改善其耐磨性能,借助扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能量色散谱仪(EDS)等手段分析熔覆层的微观结构、物相成分和元素分布,采用GPM-30轮轨滚动接触疲劳试验机对比研究轮轨钢超声振动辅助作用下激光熔覆前后涂层的滚动摩擦磨损性能。结果表明:熔覆层主要由Fe-Cr的马氏体组织、Co-Cr的γ相固溶体、Fe-Ni固溶体以及弥散析出的含MxCy(M=Cr、W)的碳化物、硼化物、硅化物等硬质相组成;超声激光熔覆强化处理后,轮轨表面的平均显微硬度分别为539 HV3 N和582 HV3 N,磨损速率分别降低59.1%,37.3%,轮轨试环熔覆层的抗磨损性能大幅提高,磨损机制由剥落磨损和严重的疲劳磨损转变为轻微的磨粒磨损和疲劳磨损。     

轮轨试样Co基合金激光熔覆层组织及磨损性能

为提高轮轨材料的耐磨性降低轮轨磨损,利用CO2多模激光器在轮轨试样表面获得Co基合金熔覆层,测试分析了其组织结构性能和显微硬度,利用MMS-2A微机控制摩擦磨损试验机对比研究了激光熔覆处理与未处理轮轨试样的抗磨损性能.结果表明:激光熔覆处理后在轮轨试样表面获得与基体良好结合厚度约1 mm的熔覆层;熔覆层主要由枝晶(γ-Co)和共晶组织(Cr23C6+γ-Co)构成,初生相为γ-Co过饱和固溶体,富含Cr元素,共晶组织中富含Co元素;结合区为粗大柱状晶,从中部到表层出现胞状晶、树枝晶等多种形态.离界面越远组织越细密,组织生长方向紊乱;结合区存在元素扩散,尤其是Fe、Cr和Co含量变化显著;激光熔覆Co基合金后轮轨试样硬度分别提高约52.98%和43.44%,能有效降低对摩副磨损,轮轨抗磨损能力提高约为原来的5倍.     

轴重对轮轨材料滚动磨损与损伤行为影响

利用WR-1轮轨滚动磨损实验机研究不同轴重下轮轨材料滚动磨损与损伤性能。结果表明:轮轨试样磨损率均随轴重增加呈现线性增加趋势,且钢轨试样磨损率大于车轮试样磨损率。轮轨试样硬化率均随时间呈现先增加后趋于稳定的变化趋势,轮轨试样塑变层厚度和硬化率均随轴重增加而增大,且车轮试样硬化率大于钢轨。车轮试样和钢轨试样表面损伤形貌不同,车轮试样表面表现为垂直于滚动方向的疲劳裂纹,钢轨试样表面表现为裂纹和块状剥落,轮轨试样表面损伤均随轴重增加而更加严重;车轮试样表面裂纹疲劳断裂和钢轨试样表面块状剥落形成磨屑,成分主要为Fe2O3和马氏体,随轴重增加,磨屑尺寸呈现增大趋势,但成分与含量无明显变化。     

Investigation on the damage mechanism and prevention of heavy-haul railway rail

The objective of this paper was to investigate wear and damage behavior of heavy-haul railway rail. Furthermore, the mechanism and preventive measures of heavy-haul rail damage were explored in detail. The results show that the rail side wear and surface spalling are dominating damage mechanism for Datong-Qinhuangdao heavy-haul railway. With the annual transport volume increasing, average wear volume and maximal wear volume of rail side each month reach 1.98 mm and 4.16 mm, respectively. Rail side wear has become the decisive factor of replacing of heavy-haul curved rail. The hardness of damage rail is higher than that of new rail due to severe work hardening and plastic streamline deformation. Fatigue cracks initiate from wear surface of damage rail and there are different propagation path on the crack growing process. The intergranular and transgranular growth are dominating propagation modes for the heavy-haul rail cracks. Furthermore, there is a competitive and restrictive coupling relationship between fatigue crack damage and rail wear. Large axle load and unreasonable matching of wheel/rail profiles would cause serious wear and spalling damage of heavy-haul wheel/rail. New wheel profile with good matching ability for CHN75 rail should be designed and optimized. The laser quenching can increase surface hardness and improve wear-resistance of wheel/rail materials. The surface damage of wheel/rail specimens with laser quenching is relatively slight. In a word, laser quenching can be used to treat rail side and wheel flange for prolonging wear life of heavy-haul wheel/rail in the field.     

轮轨横向滑动稳定性对曲线啸叫噪声的影响

车轮相对于钢轨发生横向滑动时,轮轨接触面上的摩擦力变化会引起曲线啸叫噪声。因此首先建立了车轮的状态空间模型和轮轨接触摩擦模型,对轮轨横向接触过程采用4阶Runge-Kutta法进行了时域分析,研究了如横向滑动速度、接触力、阻尼等因素对滑动过程稳定性的影响,并结合实例计算进行了验证,最终得出结论:轮轨横向滑动过程出现不稳定的主要原因是接触面间摩擦系数变化引起的自激振动;当车轮阻尼大于等效阻尼临界值时会使滑动过程稳定;轮轨间的垂向刚度和阻尼会使系统不稳定频率与车轮模态频率产生偏移。     

地铁车轮磨耗对轮轨接触特性及动力学性能的影响

对某地铁线路轮轨磨耗进行测试,分析实测型面与CN60钢轨匹配的轮轨接触几何关系,并利用Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论对轮轨接触力学特性进行分析。利用UM多体动力学软件建立某B型地铁车辆动力学仿真模型,分析轮轨磨耗对车辆动力学性能及轮轨接触损伤特性的影响。结果表明:该线路车轮踏面磨耗较均匀,存在明显轮缘磨耗现象。不同运行里程下实测车轮踏面外形基本相似,导致车轮磨耗对轮轨接触几何关系、轮轨接触力学特性及车辆动力学性能的影响较小。实测轮轨匹配下的动力学性能略有下降。随着运行里程增大磨耗指数变化不大,表明车轮磨耗稳定。车轮磨耗后表面疲劳指数大于标准型面,出现滚动接触疲劳的可能性增大。     

在线钢轨断裂原因分析

U75V热轧钢轨铺设在曲线地段使用超过3a(年),其中一支钢轨发生断裂,部分钢轨出现剥离掉块。当查找断裂原因,对断裂钢轨进行了理化检验。结果表明:轮轨接触应力过大,超过了钢轨接触疲劳强度,由于疲劳裂纹萌生和扩展的速率大于磨耗速率,在钢轨塑性变形层表面萌生并形成了疲劳裂纹,并沿变形流线方向疲劳扩展,在轮轨接触圆角处距表面2 mm处形成了疲劳核伤,在车轮的反复作用下发生了断裂。