油介质下高速轮轨低黏着特性和撒砂试验研究

在车轮-钢轨高速滚动接触疲劳试验机上进行油介质下高速轮轨低黏着特性和增黏试验,研究油介质条件下不同速度、蠕滑率、轴质量以及撒砂对黏着系数的影响,最高试验线速度200 km/h。结果表明:黏着系数随蠕滑率的增加先增大、再微降随后趋于平稳,在蠕滑率3%左右达到最大;随着速度的增加,黏着系数呈快速下降趋势,如速度从50 km/h增加至200 km/h时,最大黏着系数从0.092下降至0.049;当轴质量由12 t增至16 t时,黏着系数仅略微增加了0.01;撒砂后,黏着系数约为未撒砂时的3倍左右,且依然随速度增加而降低;撒砂会使得试验后轮轨表面产生很多麻坑,从而增大了表面粗糙度,对增黏起到了一定作用,但增黏砂会对接触表面造成显著损伤,在极端条件下会促进滚动接触疲劳的萌生,威胁运行安全。     

基于横向蠕滑特性的轮轨黏着试验研究

为提高列车的横向稳定性,研究了轮轨横向黏着特性。利用自主设计加工的横向轮轨滚动振动试验台,在不同介质工况下进行轮轨横向黏着特性试验,分析水、油介质条件以及轴重力、速度对轮轨横向黏着特性的影响。结果表明:相比干态条件,水、油介质条件下会使轮轨横向黏着系数降低;不同介质工况下随着轴重力的增加,横向黏着系数均增加;在干态与水介质下横向黏着系数随着速度的增大而降低,而在油介质下横向黏着系数随着速度的增大而增大,但变化幅度不是很大;在轮轨接触面撒砂能提高横向黏着系数,但对轮轨损伤有一定的影响。     

不同工况下轮轨黏着-蠕滑曲线特性

在轮轨滚动接触模拟试验机上采用均匀连续变化差的试验方法,进行不同工况和不同法向力条件下的轮轨黏着-蠕滑曲线试验,并利用两种数值拟合方法研究不同试验条件下的黏着-蠕滑曲线峰值点位置和初始斜率。结果表明:不同工况下的轮轨黏着-蠕滑曲线有较大差异,与干态相比,水、油工况下不仅导致黏着系数明显降低,还会导致峰值点发生明显左移;水、油工况下撒砂可有效提高黏着系数并使峰值点位置右移;干态下法向力增加对黏着系数和峰值点位置影响较小,但会导致曲线初始阶段斜率的下降;水、油工况下法向力的增加均会使黏着峰值点位置左移,并在水态下导致黏着系数的明显下降;撒砂后法向力对黏着系数及峰值点位置的影响较小,但曲线初始阶段斜率随法向力的增加呈下降趋势。通过试验和数值拟合获得轮轨黏着-蠕滑曲线特征参数的方法可为后续轮轨黏着研究提供参考。     

水介质条件下轮轨黏着特性研究

以Carter二维滚滚接触理论和粗糙面间的稳态部分弹流理论为基础,在考虑轮轨接触表面有相对滑动情况下,应用数值分析方法对水介质条件下轮轨黏着特性进行研究,研究滚动速度、轴重对黏着的影响。研究发现:在水介质条件下,轮轨接触区的区域要比干接触时大,流体动压入口约在Hertz接触半宽的2倍处;相同轴重条件下,随着滚动速度增大,流体动压力值增大,而相应的微凸峰接触压力值减小,导致其与总压力的比值减小,引起轮轨之间的黏着系数下降;相同速度条件下,随着轴重的增大,微凸峰接触压力与总压力的比值增大,引起轮轨之间的黏着系数增大。     

高速轮轨黏着机制进展及模拟试验研究

列车的运行要借助于轮轨之间的黏着和制动,轮轨之间的最大黏着力受到接触斑上黏着系数的限制,因此轮轨关系中的黏着问题是与高速铁路运营密切关联的带有基础性的研究课题。综述国内外高速轮轨黏着的进展及现状,指出研究面临的主要问题。介绍轮轨模拟试验机开展的轮轨黏着试验,结果表明:油水砂介质下的轮轨黏着系数最大,油水介质下的轮轨黏着系数最小,利用此模拟试验机可开展轮轨黏着特性研究。     

油污染工况下轮轨黏着特性研究

利用JD-1轮轨模拟试验机研究新污油、油水混合物以及油水砂混合物介质对轮轨黏着系数的影响.结果表明:在污油、油水以及油水砂工况下,轮轨黏着系数均远远小于干态工况下的轮轨黏着系数;对比3种介质,油水介质工况下轮轨黏着系数最小,约为0.03,污油介质工况下轮轨黏着系数略大,约为0.05,油水砂介质工况下轮轨黏着系数最大,约为0.08.     

空气湿度对轮轨黏着系数影响研究综述

良好的轮轨黏着是列车安全、高品质运行的重要保证,而轮轨黏着又遭受许多外在因素的影响,其中,空气湿度就是其中之一。空气湿度作为轮轨间的第三介质,通过改变轮轨接触表面特性而直接影响轮轨间的黏着,国内外学者就此开展了大量的试验研究、机制分析和数值计算。针对已有的研究成果,阐述空气湿度对轮轨黏着系数影响的试验研究、机制分析和数值计算的研究现状,指出在目前研究中存在未考虑是否形成水膜、试验速度范围较小等问题,并提出今后研究的重点。     

磁场作用下轮轨黏着特性研究

利用JD-1轮轨模拟试验机研究水和油介质工况下磁场对轮轨黏着特性的影响。结果表明:在水和油介质工况下,磁场作用下的轮轨黏着力大于无磁场作用的黏着力,其中加磁水介质黏着力相对增幅达20%,加磁油介质黏着力相对增幅达50%;水和油介质工况下,施加磁场时速度对轮轨黏着力影响不大。     

高速轮轨黏着特性三维简化数值模型研究

通过对轮轨载荷和运行参数的三维膜厚状态图的分析,发现水介质表现出弹性等黏度特性。为此,应用Grubin简化弹性流体动力润滑模型,结合Greenwood Tripp微观固体接触理论,建立水介质存在时的高速轮轨黏着特性的三维简化数值模型。分析表明,该模型能很好地反映轮轨黏着情况,且求解时不需对雷诺方程反复迭代求解,计算过程简单。研究速度、粗糙度、接触压力以及边界摩擦因数对黏着系数的影响。结果表明,相比于其他因素,速度和粗糙度对黏着系数影响较大,随着速度的增加,黏着系数减小,随着粗糙度的增加,黏着系数先增大后达到一稳定值。     

考虑轮轨黏着变化的货运列车纵向动力学仿真

为研究黏着系数对纵向动力学的影响,建立“1+1”型2万吨重载组合列车计算模型,引入剩余黏着力评价机车牵引力的发挥,研究了黏着限制、曲线黏降及曲线润滑因素影响下的黏着系数变化及其可能引发的列车纵向动力学性能差异。结果表明：在直线牵引工况下列车牵引力提升由于黏着限制而变缓慢,所发挥最大牵引力下降,单机车最大牵引力由380 kN限制到272 kN,拉钩力最大值由800 kN减小到595 kN;在R400 m小曲线牵引工况下,牵引力应从第7档位降低到第6档位,确保机车安全通过;考虑曲线润滑时,牵引档位更低：摩擦因数为0.075和0.10时机车降低档位对应为第2,3档位;摩擦因数为0.125时头部和中部机车通过曲线需分别降低到第4,3档位。由于曲线牵引各工况下发挥的最大牵引力相同,拉钩力最大值差异较小。在纵向动力学计算中,列车牵引力利用和黏着系数变化密切相关,轮轨黏着不足将限制机车能发挥的最大牵引力,进而影响车钩力大小。     

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。     

不同介质作用下轮轨粘着特性研究

利用MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机开展介质工况下的轮轨粘着特性试验,研究干态、水、油、砂、树叶等介质对轮轨粘着系数的影响。结果表明:不同介质工况下的轮轨粘着系数明显不同,干态下轮轨粘着系数最大,油水介质下粘着系数最小,加水和油将显著降低轮轨粘着系数,且油介质下的轮轨粘着系数明显小于水介质下的粘着系数;随环境湿度增加轮轨粘着系数明显降低,当湿度从20%增加到100%时,粘着系数将降低约17%;干态和油水介质下,随轴重增加轮轨粘着系数呈明显增加趋势;轮轨接触面间加入新鲜树叶后粘着系数将降低,树叶与水共同作用下的轮轨粘着系数最小;通过撒砂能提高水油介质工况下的轮轨粘着系数,但会加剧轮轨试样表面损伤,导致剥落损伤出现。     

接触角和横向载荷对轮轨粘着的影响

应用多层多支子结构技术建立轮对与轨道的多体接触模型,采用参变量变分原理和数学二次规划法求解轮轨接触力,根据不同的接触角和横向载荷计算得出轮轨接触力分布,分析接触角和横向载荷对纵向摩擦力(牵引力)以及粘着系数的影响。计算结果表明,轮对承受横向载荷时,轮轨接触点对之间摩擦力的方向在粘着区和蠕滑区有明显的不同,在粘着区其方向与钢轨纵向夹角较小,而在蠕滑区其方向与钢轨纵向夹角较大;当接触角较小时,粘着系数随着横向载荷的增加而减小;当接触角较大时,随着横向载荷的增加,粘着系数先增加后减小;在直线段粘着系数随着轮对承受横向载荷的增加而减小,在曲线段选取适当的横向载荷能够提高粘着系数。     

撒砂对轮轨粘着特性的影响

利用JD-1轮轨模拟试验机研究干态/水介质工况下撒砂对轮轨粘着特性的影响,分析砂粒尺寸、撒砂量对轮轨粘着系数的影响.结果表明:干态工况下加水会使轮轨粘着系数大幅下降,撒砂可提高轮轨粘着力;水介质工况下撒细砂可使轮轨粘着系数增加50%左右,水介质工况下撒粗砂可使轮轨粘着系数增加65%左右;干态工况下撒砂对轮轨粘着系数有较小影响;水介质下撒砂的增粘效果主要取决于砂子颗粒的直径及撒砂量,大砂粒直径的增粘效果更佳,当撒砂量小于50 g/min时,随撒砂量的增加轮轨粘着系数呈增加趋势,但是撒砂量超过50 g/min时产生轮轨粘着系数小于撒砂量为50 g/min时产生的轮轨粘着系数.     

Hertz理论与有限元法分析轮轨接触疲劳的差异性研究

采用Hertz理论和有限元分析软件ANSYS,对钢轨表面存在微裂纹的轮轨接触疲劳问题进行研究,在不同轴重和运行状态下,获得不同位置的裂纹尖端应力强度因子。结果表明,随着轴重的增加,应力强度因子KI增加,而KII的变化趋势因车轮运行状态的不同而不尽相同。摩擦力的存在,使得KI、KII明显增加,且明显改变KII的变化趋势;在无摩擦力时,KII所占KI的比例约为6%,纯滚动时,KII所占KI的比例达到将近20%,全滑动时,KII所占KI的比例接近50%,因此,对钢轨进行疲劳断裂机理分析时,KII明显不可忽略。由于Hertz理论不考虑材料的塑性和轮轨间的摩擦力,使得Hertz理论分析轮轨接触疲劳时有适用范围小、计算结果偏大、误差累计等缺点,而有限元法是解决复杂轮轨接触疲劳问题更有效的方法。