高速列车车轮多边形磨耗的形成机理及影响因素探究

目的研究高速列车车轮多边形磨耗的形成机理以及轮轨系统结构参数对车轮多边形磨耗的影响。方法基于轮轨间蠕滑力饱和引起轮轨系统摩擦自激振动从而导致车轮多边形磨耗的理论,建立了包含车轮、钢轨、轨枕和道床的实体模型,然后导入到有限元软件ABAQUS中,钢轨和轨枕之间采用点对点的无质量弹簧阻尼单元组进行模拟,轨枕和道床之间采用绑定约束连接,道床底部支撑采用点对地的无质量弹簧阻尼单元组。采用复特征值方法研究高速线路上发生制动滑动时轮轨系统的运动稳定性。结果在饱和蠕滑力的作用下,高速线路轮轨系统产生的不稳定振动频率为f=495.01 Hz,列车轮对容易产生18阶多边形磨耗。在一定范围内,扣件的垂向刚度对抑制车轮多边形磨耗影响较小,适当提高扣件的垂向阻尼,可以有效抑制轮轨系统的摩擦自激振动,从而达到抑制车轮多边形磨耗的目的。不同偏心形式对轮轨系统不稳定振动几乎没有影响。结论在高速线路上,列车制动滑动容易引起车轮多边形磨耗,适当提高钢轨扣件的垂向阻尼,可有效抑制车轮多边形磨耗。     

车轮多边形幅值对侧向通过道岔区振动传递特性的影响

道岔区的动力学性能是决定行车速度和安全的主要因素之一,而车轮多边形磨耗会显著影响轮轨相互作用力及转向架关键部位的振动特性。以18号可动心轨道岔作为研究对象,建立车辆-道岔耦合动力学模型。分析列车侧向过道岔区的实测振动数据,并分析不同多边形幅值车轮对车体各部位振动传递的影响。结果表明:列车通过道岔心轨区段时,增加多边形幅值对各关键部位减振效果影响较大;多边形幅值为0.14 mm时,动力学响应幅度较大,横向力接近侧向通过道岔的限值;脱轨系数最大值发生位置随多边形幅值增加而变化;一系悬挂不能有效降低多边形车轮引起的振动,二系悬挂可以消除一部分的振动能量,但在心轨区段,横向减振效果仍不理想。     

热处理对高速车轮组织和断裂韧性的影响

以ER8车轮钢为对象,采用预处理+终处理方法改善车轮组织状态,并分析了工艺参数对晶粒尺寸及分布的影响。结果表明:经过870℃×1.5 h预处理+840℃×1.5 h终处理,晶粒平均尺寸及分布均匀性明显改善,断裂韧性得到显著提高;在保温1.5 h的终处理中,900℃时异常晶粒快速长大,平均晶粒尺寸出现局部峰值;随着初始组织均匀性的提高,异常晶粒尺寸与正常晶粒尺寸相对差(RD)达到峰值的温度有提高趋势。     

工艺因素和组织对高速动车车轮断裂韧性的影响

针对欧洲高速动车使用的DB920车轮进行了工艺实验和实验室实验。结果表明,DB920车轮轮辋部位组织主要为少量铁素体和细珠光体,当组织中的铁素体比例较高且呈网状分布时,在进行断裂韧性评价实验时易出现撕裂状断口,在撕裂带侧面有大量韧窝,断裂韧性值(KQ)较高;相反,当铁素体比例较低时,断面相对平整,断裂方式以沿晶断裂和解理断裂为主,断裂韧性较差。组织分析和有限元模拟分析结果表明:喷水冷却时,轮辋处的冷却速度自踏面向内不断降低,冷速越慢,相变后生成铁素体比例就越高,断裂韧性也就越好。结合连续冷却实验的结果估算,对此成分车轮钢而言,当冷速大于1℃/s时,相变后不能获得足够的铁素体以保证此区域的断裂韧性。     

扣件参数对小半径曲线钢轨波磨的影响

目的 研究扣件参数对小半径曲线钢轨波磨的影响,获得抑制钢轨波磨的有效措施。方法 建立小半径曲线DTVI2扣件的轮轨系统有限元模型,对扣件系统进行实体化建模,考虑轨下垫板之间的接触情况,同时模拟扣件系统中弹条预紧作用。采用复特征值分析和瞬时动态分析研究轮轨系统的摩擦自激振动特性,并将预测结果与现场测试结果对比,揭示该区段钢轨波磨产生的原因。最后开展轨下垫板材料属性以及扣件结构参数的影响分析,获得其对钢轨波磨的影响。结果 轮轨间饱和蠕滑力引起轮轨系统发生频率为500 Hz的不稳定振动,会导致波长为30 mm的钢轨波磨。轨下垫板杨氏模量在10~50 MPa区间,等效阻尼比先从‒0.015 2减小到‒0.016 9又增大到‒0.014 2;阻尼系数在0~0.000 1区间内,等效阻尼比从‒0.016 9增大到‒0.010 2;轨下垫板泊松比的变化没有引起系统等效阻尼比发生明显的变化;扣件间距在575~675 mm区间内,等效阻尼比从‒0.016 3降低到‒0.019 0;等效阻尼比随着弹条预紧力的增大而增大。结论 选取合适的轨下垫板杨氏模量可以减轻由轮轨摩擦自激振动导致的钢轨波磨;提高阻尼系数对轮轨系统的自激振动具有较强的抑制作用;而轨下垫板的泊松比对钢轨波磨的影响较小;适当减小扣件间距可以略微降低钢轨波磨的产生趋势;增大弹簧预紧力可以抑制由轮轨系统摩擦自激振动导致的钢轨波磨。     

山地城市地铁制动/轨道结构参数对钢轨波磨的影响

目的 山地城市地铁相较于平原城市地铁具有爬坡大且曲线多的复杂线路特点,其钢轨波磨问题更加严重。探究山地城市地铁制动区间钢轨波磨的形成机理,提出相应钢轨波磨的控制方法。方法 首先,结合现场调研建立了轮对-轨道-制动系统的有限元模型。然后,采用复特征值分析法研究了轮对-轨道-制动系统的摩擦自激振动特性,进而对制动闸片的表面织构及扣件参数进行参数化分析。最后,基于最小二乘法,采用2种拟合方程对扣件参数进行多参数拟合,并采用遗传算法与粒子群算法确定抑制钢轨波磨扣件参数的最优解。结果 发现轮对-轨道-制动系统存在2个不稳定振动频率,分别为653.73 Hz与584.76 Hz,其中653.73 Hz的复特征值实部较大,为46.53。对比不同表面织构,采用正六边形织构表面闸片的轮对-轨道-制动系统复特征值实部最小,为19.46。对比扣件参数优化前后,采用优化后的扣件参数的轮对-轨道-制动系统复特征值实部较小,为0.49。结论 轮轨子系统与制动子系统的摩擦耦合作用导致轮对-轨道-制动系统摩擦自激振动,是诱导山地城市地铁制动区间钢轨波磨产生的重要因素。当采用正六边形表面织构闸片或设置扣件参数中垂向刚度为36.2 MN/m,垂向阻尼为2 800 N.s/m,横向刚度为25 MN/m,横向阻尼为2 000 N.s/m时能有效抑制钢轨波磨的产生。     

不同路堤下携沙横风对高速列车气动特性的影响

为研究携沙强横风在不同路堤下对高速列车气动特性的影响,建立简化的高速列车模型,采用三维、定常、不可压雷诺时均Navier-Stokes方程和标准κ-ε两方程湍流模型,数值模拟高速列车在单线路堤、双线路堤、半堑路堤的气动性能,分析列车在不同路堤倾角的流场结构,计算列车的侧力系数、升力系数、倾覆力矩与路堤倾角之间的关系。结果表明：不同类型的路堤下,在列车背风侧近地面处,都生成一个形状不规则的漩涡,漩涡的大小与路堤倾角正相关,且负压的最大值是漩涡的中心;在列车的头车处,不同路堤下的侧力系数相差很小,尤其是半堑路堤,携沙风环境下和净风环境下侧力系数基本一致,说明有沙风对半堑路堤下高速列车侧力系数的影响很小;在各个倾角下,双线路堤的倾覆力矩系数最高,半堑路堤的倾覆力矩最小。     

车轮辐板阻尼涂层对钢轨波磨的影响

目的研究车轮辐板涂敷有阻尼性能的涂层对小半径曲线钢轨波磨的影响,并根据试验结果提出减缓或抑制钢轨波磨的建议。方法基于摩擦自激振动导致钢轨波磨机理,利用ABAQUS有限元仿真软件,建立轮对、钢轨、轨枕、车轮辐板涂层有限元模型,模拟曲线半径为300 m的工况,采用ABAQUS中内置的复特征值分析方法,分析轮轨系统在小曲线半径工况下的稳定性。结果在曲线半径为300 m的工况下,轮轨间因存在饱和蠕滑力引起自激振动,于频率f=502.32 Hz时产生不稳定振动,从而引起钢轨波磨。通过在车轮辐板内侧和双侧涂敷有阻尼涂层,可有效增强轮轨系统的稳定性,减缓钢轨波磨的发生趋势。只在车轮辐板外侧添加涂层会增加钢轨波磨的发生概率。车轮辐板双侧和内侧涂层模型中,涂层厚度的增加会提高系统稳定性;外侧涂层模型中,涂层厚度的增加会降低系统的稳定性。涂层的阻尼系数对钢轨波磨有较大影响,提高涂层阻尼系数可有效减缓钢轨波磨发生趋势。结论在地铁小半径曲线上,通过在车轮辐板内侧涂敷有阻尼涂层,可有利于减缓钢轨波磨现象,当涂层阻尼系数增大至1.5e–3时,可有效抑制钢轨波磨。     

表面沟槽与润滑剂协同作用对摩擦振动和噪声特性的影响

目的 提升表面沟槽的减振降噪性能,延长其寿命,通过试验方法探索合适的优化方式。方法 借助数控加工方法在蠕墨铸铁材料表面加工出一定尺寸沟槽,并在沟槽填充固体润滑剂MoS2,以获得具有不同时变特性的表面。采用球-平面接触方式进行摩擦对比试验,研究沟槽与固体润滑剂MoS2协同作用对界面摩擦振动及噪声特性的影响。结果 沟槽与MoS2固体润滑剂协同作用时,不仅有效地缓解了过沟冲击振动,还进一步抑制了摩擦振动及噪声的产生。与光滑表面相比,填充MoS2的表面噪声主频幅值降低约13.4 dB。结论 该试验条件下,接触表面粘着撕裂和犁削作用等产生的“不平顺”界面因素是激发摩擦振动及产生噪声的主要诱因。沟槽与MoS2结合不仅维持了界面的完整性,还能保持其时变特性,能减缓并削弱“不平顺”界面因素的产生,进一步优化表面沟槽减振降噪的功能,并能减小磨损,延长沟槽的使用寿命。     

高速列车铝合金型材MIC焊电流阶跃对缺陷的影响

针对高速列车4 mm厚6N01大型铝合金挤压型材,进行四种形式的脉冲MIG焊电流阶跃试验,电流分别阶跃15A、20A、25 A和30A.研究铝合金脉冲MIG焊电流阶跃对缺陷的影响,焊后对比分析焊缝的宏观成形、X射线探伤结果以及显微组织.试验结果表明,对于铝合金脉冲MIG焊,在平均电流185 A的基础上进行电流阶跃,当电流阶跃小于20A时,焊接接头无明显缺陷;当焊接电流达到25 A时,由于焊接热输入突然增大,会出现气孔缺陷,伴随着电流的增大,气孔缺陷逐渐增多.     

A356/SiC_P与列车实用中的有机闸片的滑动摩擦磨损特性

以铝基复合材料作为列车制动盘材料的实用化为目的,选用A356/SiC 20%(体积分数,下同)复合材料和AISI D2工具钢为摩擦材料,以中速列车实用中的有机闸片为对偶材料,进行对比干摩擦磨损试验,并分析比较了磨损特性.结果表明:铝基复合材料在小于200 N(3.98 MPa)的低载荷下,只存在轻微的氧化磨损,耐磨性比实用中的铁合金材料更好;而超过该载荷时,开始发生磨削磨损,磨损量逐步超过铁合金材料,当载荷达到400 N(7.96 MPa)时,由于严重的磨削磨损,磨损量剧增.而铁合金材料则随载荷和滑动速度增加,磨损率缓慢增加;磨损过程中的复合材料的摩擦系数平均值与载荷、滑动速度无关,始终保持0.3～0.4,同时随磨损距离的波动也非常小,而工具钢的摩擦系数平均值则对试验参数的敏感度相对大些,且摩擦系数平均值也比复合材料略小,即摩擦系数方面复合材料具有更好的特性.     

蠕墨铸铁制动盘体表面黑斑的防止措施

介绍了大功率机车蠕墨铸铁制动盘表面产生黑斑的原因及危害,并分析了黑斑的形成机理,最终通过控制CE、蠕化剂的加入量、孕育剂的加入量、改善浇注工艺、增加涂料的涂刷厚度等措施,使盘体表面黑斑基本消除,蠕化率达到85％,制动盘铸件合格率达到90％以上,大大降低了生产成本.     

利用数值模拟解决灰铸铁制动盘缩松的问题

运用数值模拟软件对DISA线生产灰铸铁制动盘3种不同工艺方案的铸造过程进行模拟。通过对充型温度场和热节点分布进行对比分析,发现仅仅加冒口或者局部设置冷铁不能够彻底解决缩松问题,需要同时加冒口和局部设置冷铁,局部冷铁的厚度要按照经验公式L/H3来决定,这样可以彻底解决制动盘的缩松问题。利用同时加冒口和冷铁配合的方法生产一批铸件后,经X射线探伤机检测的11件铸件,全部未发现缩松缺陷存在,表明对缩松缺陷的预测是准确的。     

超高速激光熔覆Ni625/WC复合涂层的耐磨性能

目的 提高高铁制动盘用24CrNiMo铸钢的耐磨性和高温性能。方法 在24CrNiMo铸钢表面,通过超高速激光熔覆技术,制备Ni625/碳化钨（WC）复合涂层,并设计多层梯度熔覆,使得WC颗粒在涂层中呈均匀分布。通过X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等分析涂层的物相组成、微观组织结构和元素分布。分别采用显微硬度计、摩擦磨损试验机、三维形貌仪等测试涂层的硬度、室温及600℃的摩擦系数和耐磨性,分析涂层的摩擦磨损机理。通过同步热分析仪（TGA-DSC）测试涂层的抗高温氧化性能和组织的高温稳定性能。结果 涂层主要由γ-Ni固溶体、WC以及含W增强相W2C和M23C6等组成。WC分布较为均匀,涂层平均显微硬度达440HV0.2～610HV0.2,是基体硬度的1.25～1.7倍。在室温条件下,体积磨损率仅为基体24CrNiMo铸钢的4.2%～20.8%,摩擦系数略低于基体;在600℃条件下,体积磨损率为基体24CrNiMo铸钢的80.1%～180.8%,摩擦系数高于基体,且稳定性好,熔覆涂层显著提高了24CrNiMo铸钢基体的耐磨性。磨痕分析表明,涂层在室...     

湿式离合器对偶钢片磨损机理研究

目的 研究某车型湿式DCT对偶钢片在给定工况下的磨损机理.方法 在长度为2 km、坡度为30％的坡道上,对某车用湿式离合器进行道路试验,取磨损最严重的对偶钢片,采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)对滑摩表面不同区域及其剖面进行形貌观察,并检测剖面成分演变,表征其磨损表面和剖面的微观形貌特征及由于摩擦热和塑性变形而产生的氧化物剥落现象.结果 对偶钢片沿周向均匀磨损,沿径向不同区域出现深浅不一的划痕和犁沟,摩擦副微凸体接触区域在高温下产生撕裂现象,中径区域承受应力较小部分生成约1μm厚的薄氧化层,应力较大区域氧化层厚度约为8.5μm,且氧化层在高温高压下产生裂纹,并扩展,氧化物剥落,形成不同程度的凹坑.整个磨损过程中,对偶钢片的主要磨损机制为粘着磨损、磨粒磨损、氧化磨损及疲劳磨损.结论 对偶钢片表面温度和应力越大,磨损程度越高;距离磨损表面越近,氧化程度越明显.滑摩初期,氧化层较薄,磨损表面轻微氧化,主要磨损机制为粘着磨损伴随轻微磨粒磨损;滑摩后期,生成的大量摩擦热引起氧化物增多,以氧化磨损和疲劳损伤为主.     

陶瓷结合剂CBN砂轮磨损与磨削比的研究

通过对国产陶瓷结合剂CBN砂轮磨削45淬硬钢的试验,研究了磨削参数对CBN砂轮磨损与磨削比的影响规律,获得了磨削参数的最优水平,并建立磨损与磨削比的经验公式,探讨了冷却液流量对磨损与磨削比的影响规律。     

废旧轮胎内钢丝对合成灰铸铁制动盘性能的影响

介绍了采用不同配比的废旧轮胎内钢丝和回炉料作为主要原材料,使用增碳剂进行增碳,使用75硅铁孕育剂和硅钡钙铝长效孕育剂进行随流孕育,并加入Cr、Cu等合金元素进行组织强化。在相同铸造工艺下,制备化学成分基本相同的灰铸铁制动盘和准30 mm的单铸试棒,然后对试件的金相组织、硬度、抗拉强度进行检测分析。结果表明,不同的原材料配比对金相组织中的石墨的类型、长度以及珠光体的片间距有着较大的影响,珠光体含量未发生明显变化;对硬度和抗拉强度影响较大,当废旧轮胎内钢丝的加入比例由70%变为80%时,抗拉强度与硬度变化明显。随着废旧轮胎内钢丝的比例不断增加,A型石墨的比例不断升高,由93.7%增长至99.2%;珠光体含量由95.3%增长至99.1%,珠光体石墨与珠光体逐渐细化,抗拉强度及硬度逐渐升高,满足了高性能制动盘的性能要求。