磨损对钢轨滚动接触疲劳损伤的影响

通过对广深铁路钢轨疲劳斜裂纹与钢轨侧磨的现场调查及钢轨滚动疲劳模拟试验,研究了钢轨滚动接触疲劳损伤与磨损之间的作用关系,分析了轮、轨滚动疲劳过程中钢轨磨损率对疲劳裂纹形成及裂纹扩展寿命的影响。结果表明:钢轨磨损严重时,疲劳斜裂纹损伤就表现轻微,钢轨滚动疲劳损伤与磨损之间表现为相互竞争与制约的耦合作用关系;通过增加磨损率能减轻钢轨的滚动疲劳损伤,有利于延长钢轨的疲劳裂纹扩展寿命。     

地铁钢轨滚动接触疲劳损伤研究

钢轨滚动接触疲劳损伤在地铁线路上较为常见。建立包含地铁车辆系统动力学模型、基于安定图的疲劳指数和基于磨耗数的损伤函数为一体的钢轨滚动接触疲劳预测模型,分析车辆在通过三种典型曲线时钢轨的受力状态、接触点位置和损伤情况。研究结果表明,车辆通过曲线时低轨侧钢轨蠕滑力的合力指向直角坐标系的第四象限,接触点主要位于轨顶区域;高轨侧钢轨蠕滑力的合力主要指向直角坐标系的第三象限,接触点主要位于高轨内侧轨距角处。钢轨表面疲劳指数大于0的概率较大,材料易处于棘轮效应区,同时根据损伤函数得到钢轨的损伤值大于0,即属于疲劳裂纹损伤。容易导致钢轨表面在轮轨常接触区产生与蠕滑力合力方向相垂直的裂纹,其方向与现场观察到的裂纹方向相一致。随着曲线半径的减小,轮轨蠕滑力合力显著增大。磨耗后的车轮和磨耗后的钢轨在小半径曲线上频繁地相互作用,易使钢轨材料产生棘轮效应,是导致钢轨表面产生裂纹和剥离掉块的主要原因。     

钢轨磨耗对轮轨滚动接触关系的影响研究

钢轨廓形会随着磨耗的发展而发生明显改变,并对轮轨接触关系产生影响。以国内某客货共运干线铁路的小半径曲线为例,跟踪采集钢轨廓形,并测量通过该线路的客车和货车车轮廓形。对不同磨耗阶段的钢轨型面对应的轮轨共形接触和轮轨导向能力进行分析,并结合车辆-轨道动力学模型对多车轮条件下的轮轨接触位置分布特征和钢轨表面滚动接触疲劳损伤系数进行计算。结果表明:随着钢轨的不断磨耗,轮轨共形接触的概率先下降后上升,同时转向架导向轮对的轮轨导向能力先减弱后加强,而从动轮对的导向能力逐渐减弱。上股钢轨的轮轨接触宽度由25 mm扩大到45 mm,下股钢轨由27 mm扩大到45 mm,同时上股钢轨轨顶和轨距角处接触频率逐渐增加,轨肩位置处的接触频率逐渐减小。钢轨表面的累积滚动接触疲劳损伤系数先减小后增大,疲劳损伤区域逐渐向轨顶扩展,甚至达到轨顶外侧位置。     

钢轨踏面斜裂纹扩展寿命的预测

利用断裂力学理论建立了钢轨踏面斜裂纹扩展寿命预测模型;以CRH2型动车组为研究对象,计算了轮轨接触时钢轨内部的应力分布,然后利用预测模型估算了钢轨踏面斜裂纹的扩展寿命,并分析了摩擦因数、裂纹倾斜角、钢轨磨损率等因素对钢轨踏面斜裂纹扩展寿命的影响。结果表明:倾斜角在30°～40°时,斜裂纹扩展寿命随摩擦因数的增大而降低;裂纹倾斜角增加到50°～60°时,斜裂纹扩展寿命先增加后减小;随裂纹倾斜角的增大,斜裂纹扩展寿命先增后减;斜裂纹扩展寿命随磨损率增大先缓慢增加,当磨损率达到一定值后急剧增加;实际使用数据间接证明了模型预测的准确性。     

基于热力耦合的钢轨接触疲劳裂纹扩展特性分析

采用热弹塑性有限元法和裂纹尖端位移法,对轮轨全滑接触状态下的钢轨表面斜裂纹的扩展特性进行分析.热力耦合有限元模型中,考虑轮轨自由表面与环境热对流、裂纹表面间热传导和温度对材料参数的影响,通过移动边界条件模拟轮轨接触区的移动,计算轮轨摩擦因数、裂纹表面间的摩擦因数和裂纹角度对钢轨表面裂纹扩展特性的影响.计算结果表明:在热...     

地铁浮轨式减振扣件轨道的轮轨接触有限元分析

为了探究浮轨式减振扣件轨道存在的短波长钢轨波磨问题,采用有限元软件ABAQUS建立三维轮轨静态接触的数值模型,探讨轨道扣件系统垂向刚度和支撑方式对轮轨接触时接触斑、接触压力和钢轨位移等接触参数的影响。结果表明:轨下结构(扣件实体、轨道板等)对浮轨式减振扣件轨道的轮轨静态接触参数影响很小;采用轨腰支撑的浮轨式减振扣件的最大接触压力大于DTVI2型扣件,接触面积小于DTVI2型扣件;浮轨式减振扣件轨道钢轨垂向位移为与DTVI2型扣件的5倍左右,横向位移比DTVI2型扣件轨道小5.2%～13.2%,钢轨翻转角比DTVI2型扣件大146.3%～206.1%;浮轨式减振扣件的垂向刚度对轮轨接触压力分布、接触面积、钢轨横向位移及钢轨翻转角基本没有影响,而对钢轨垂向位移影响较大,垂向刚度越大钢轨垂向位移越小。浮轨式减振扣件较大的钢轨垂向位移及翻转角,降低了轮轨接触的稳定性,易导致波动的轮轨力,萌生钢轨波磨现象,因而需改进该类型扣件的设计,以降低钢轨翻转角。     

中等强度沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损与损伤影响

为研究戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损和损伤的影响，采用风沙环境双盘滚动接触疲劳试验机对四种不同硬度的珠光体钢轨材料进行了轮轨滚动试验。结果表明，戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下，随着钢轨硬度增加，平均黏着系数均无显著变化，车轮磨损率均先减小后增加，但钢轨磨损率在戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下分别呈下降和上升趋势；这两种中等强度沙尘暴环境下，车轮的磨损机制主要为氧化磨损和疲劳磨损，且车轮氧化磨损随着钢轨硬度的增加而逐渐加剧，而钢轨的磨损机制主要为疲劳磨损；随着钢轨硬度的增加，这两种中等强度沙尘暴环境下，钢轨剖面裂纹深度总体均呈下降的趋势，表明钢轨的疲劳损伤随着钢轨硬度的增加而逐渐减轻；由于疲劳损伤对轮轨运行安全的影响比磨损更大，综合考虑钢轨材料的抗滚动磨损性能和抗滚动接触疲劳性能可以得出，高硬度的热处理钢轨更适合用于中等强度沙尘暴环境。     

地铁线路曲线段磨耗状态下轮轨滚动接触有限元分析

基于城市轨道交通曲线段不同磨耗程度的典型钢轨和车轮的实测型面,利用有限元分析软件ANSYS建立曲线段轮轨三维弹塑性接触有限元模型,对三种不同轮轨磨耗型面匹配工况下的地铁车辆的曲线通过性能以及轮轨接触应力进行计算分析,分析不同磨耗状态下车轮和钢轨接触时的接触应力和轮轨应力的分布状态,并研究其对钢轨磨耗的影响。发现钢轨使用初期,由于轮轨廓形不一致,轮轨间易出现应力集中,应力集中部位易出现磨损;随着钢轨侧磨的增加,轮轨接触状态逐渐由一点接触变为两点接触,且接触点的塑性变形部分和弹性部分的过渡区间易出现裂纹;两点接触状态下,外侧轨距角处接触面积及应力集中区域远大于钢轨侧面部分,轨距角易出现较大的接触压力,易加速钢轨磨耗与疲劳伤损的产生。     

轮轨接触参数对钢轨波磨的影响

基于轮轨间蠕滑力饱和引起轮轨系统摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论,建立由车轮-钢轨-轨枕组成的有限元模型,采用复特征值方法研究小半径曲线轨道低轨上轮轨接触参数对钢轨波磨的影响。结果表明:小半径曲线轨道低轨上轮轨间蠕滑力饱和可能导致钢轨波磨;轮轨接触角对波磨的波长及产生趋势几乎没有影响;轮轨牵引角对波磨的波长几乎没有影响,但对波磨的产生趋势有较大影响,随着牵引角的增大,产生波磨的趋势逐渐降低。研究表明:在小半径曲线轨道低轨上,牵引角随着曲线半径的减小而减小,系统发生摩擦自激振动的趋势增强,低轨上更容易出现波磨,这就是曲线半径越小钢轨波磨越严重的原因。     

基于ANSYS的轮轨摩擦滑动接触应力分析

以Hertz接触理论为依据,利用ANSYS建立2D有限元计算模型,模拟原地打滑、完全制动等轮轨滑动摩擦接触行为。分析了轮轨静接触和滑动接触时接触应力分布情况,研究了接触状态、轴重、滑动速度、载荷类型和钢轨轨顶圆半径对接触应力的影响。结合Hertz接触理论计算结果、剥离损伤理论和自激振动理论进行了轮轨损伤分析。     

车轮多边形激励下的滚动接触疲劳裂纹瞬态扩展行为研究

利用ANSYS/LS-DYNA建立带车轮多边形的三维轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展模型,将真实轮轨间瞬态滚滑和高频动力作用考虑在内,分析车轮多边形和连续钢轨裂纹造成的瞬态接触载荷对钢轨裂纹动态扩展行为的影响。速度250 km/h牵引工况的结果表明:零间隙多裂纹对法向轮轨力的影响甚微,但会造成切向轮轨力不可忽略的波动;车轮多边形会造成法向和切向轮轨力显著的周期性波动,如0. 1 mm波深23阶多边形会使得各裂纹面最大法向和切向接触力较圆顺工况分别增长19. 6%、34. 1%;任一裂纹面内法向和切向接触应力在接触斑滚过的0. 22 ms内发生了复杂的瞬态变化,进一步导致各裂纹的最大裂尖应力场强度因子的周期性波动,影响裂纹动态扩展行为;随着车轮多边形波深和阶数的增加,上述各种波动的幅度均会变大,加速裂纹扩展。     

Numerical analysis of rolling-sliding contact with the frictional heat in rail

Thermal damage caused by frictional heat of rolling-sliding contact is one of the most important failure forms of wheel and rail. Many studies of wheel-rail frictional heating have been devoted to the temperature field, but few literatures focus on wheel-rail thermal stress caused by frictional heating. However, the wheel-rail creepage is one of important influencing factors of the thermal stress In this paper, a thermo-mechanical coupling model of wheel-rail rolling-sliding contact is developed using thermo-elasto-plastic finite element method. The effect of the wheel-rail elastic creepage on the distribution of heat flux is investigated using the numerical model in which the temperature-dependent material properties are taken into consideration. The moving wheel-rail contact force and the frictional heating are used to simulate the wheel rolling on the rail. The effect of the creepage on the temperature rise, thermal strain, residual stress and residual strain under wheel-rail sliding-rolling contact are investigated. The investigation results show that the thermally affected zone exists mainly in a very thin layer of material near the rail contact surface during the rolling-sliding contact. Both the temperature and thermal strain of rail increase with increasing creepage. The residual stresses induced by the frictional heat in the surface layer of rail appear to be tensile. When the creepage is large, the frictional heat has a significant influence on the residual stresses and residual strains of rail. This paper develops a thermo-meehanical coupling model of wheel-rail rolling-sliding contact, and the obtained results can help to understand the mechanism of wheel/rail frictional thermal fatigue.     

轮轨接触界面摩擦管理研究进展

列车向着高速与重载方向迅速发展,显著加剧了轮轨接触界面间的损伤。通过在轮轨接触界面进行摩擦管理能够有效地降低轮轨之间的磨损、显著提高列车的运行安全性以及降低运营成本。对轮轨接触界面摩擦管理研究现状进行综述,并介绍轮轨界面摩擦控制对轮轨作用力、黏着、磨耗、滚动接触疲劳以及振动与噪声影响的研究进展;展望了轮轨接触界面摩擦管理未来研究方向,即应针对不同应用环境和接触部位,研发合理的摩擦控制材料,以克服摩擦管理过程中对轮轨损伤及使用局限性等问题;应探究车轮踏面/轨顶面和轮缘/轨距面摩擦控制方式,严格控制摩擦材料喷涂量使两接触面不相互干扰,优化改进轮轨接触界面摩擦管理的最佳应用参数;应研发环境友好型的轮缘/轨距面润滑剂与车轮踏面/轨顶面摩擦控制剂,稳定调控轮轨接触界面的黏着特性。     

材料特性对车轮疲劳强度的影响

研究材料非线性本构、非金属夹杂物、低温冲击功和断裂韧性对高速动车组车轮疲劳强度的影响。考虑弹塑性接触带钢轨车轮有限元分析模型,研究不同轮径下车轮轮辋应力分布规律。研究影响车轮疲劳强度的材料主要性能指标,研究夹杂物尺寸和许用应力、裂纹扩展门槛值的关系。研究断裂韧性和踏面剥离的关系、低温冲击功和车轮瞬间脆性破坏的关系。分析不同轮径和车轮疲劳强度的关系。     

曲线半径及轴重对轮轨摩擦功影响的研究

基于非Hertz滚动接触理论利用数值计算方法详细分析了静态接触情况下,轴重和曲线半径对轮轨接触质点间等效应力、接触斑粘滑区的分布、总滑动量和摩擦功的影响。分析计算表明,轴重增加引起轮轨接触质点间等效应力,接触质点间粘滑区的面积以及总滑动量的变化,同时对轮轨接触质点阍的摩擦功的变化有重要影响;小曲线半径处轮轨接触质点间的总滑动量,接触斑滑移区的面积以及摩擦功都明显增大,导致曲线上钢轨磨损加剧。因此曲线半径和轴重是影响轮轨滚动接触磨损的重要因素。     

Effect of the worn status of wheel/rail profiles on wheel wear over curved tracks

Journal of Mechanical Science and Technology - The worn status of wheel/rail profiles could change the wheel-rail contact and influence the wear rates of the wheel and rail. Worn wheel profiles of...     

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.     

车轮踏面不圆顺对高速列车轮轨界面黏着与车轮表面损伤的影响

在JD-DRCF/M型滚动接触疲劳/磨损试验台上开展了有/无偏心车轮配副的轮轨滚滑接触摩擦学试验,对比分析了一阶不圆顺车轮和正常圆顺车轮对轮轨界面黏着、车轮表面损伤与滚动接触疲劳特性的影响。结果表明：车轮不圆顺会显著减小轮轨间黏着系数,湿态下不圆顺车轮的轮轨黏着系数不足0.2,影响列车安全运行和牵引效果;车轮不圆顺明显加剧了钢轨磨耗,同时导致车轮沿周向的表面损伤表现出显著差异。具体来说,凸起侧附近疲劳剥落和撕裂断口特征最为明显;迎向凸起侧较背向凸起侧表面剥落更严重、疲劳裂纹扩展角更大;迎向凸起侧表面点蚀现象相对明显,背向凸起侧车轮表面黏着层堆积严重;此外,随着车轮滚动半径r_θ由最小值到最大值再到最小值循环变化,不圆顺车轮沿周向的表面粗糙度、表面硬度和塑性变形层厚度大致均呈先逐渐增加、经过凸起侧附近后又逐渐下降的趋势。