钢轨表面损伤及抗磨方法的研究

随着铁路上重载牵引需求的增加，车轮和制轨之间的磨损问题更加严重。作者在石太线(50kg／M级)、大秦线(60kg／M级)和长大线(75kg／M级)上对钢轨严重磨损地段进行调查，在钢轨的不同部位取样后，在实验室进行了观察实验，并从接触力学方面进行了分析。同时，针对目前正在推广的新型润滑技术(HB-1型轮轨润滑技术)进行了表面润滑膜的分析鉴定。结果发现：1．钢轨损伤类型可分为切削型，接触疲劳型，粘着型和塑性变形磨损。2．减少钢轨磨损的主要途径是，提高钢轨的屈服强度，采用以稀土轨为先导的合金化胶微合金化钢轨和使用新型轮轨润滑技术．     

轮轨材料/硬度匹配研究进展与展望

车轮与钢轨硬度是影响轮轨磨损的主要因素之一,合理的轮轨材料与硬度匹配对于减轻轮轨磨损、延长服役寿命具有十分关键的作用。当前我国铁路运营过程中存在2种硬度钢轨匹配4种硬度车轮的现象,材料匹配行为复杂。针对铁路轮轨材料和硬度的选用与匹配,至今尚无统一合理的规定与标准。从轮轨材料硬度出发,首先分析了国内外轮轨材料发展与硬度匹配的使用现状,发现不同国家和地区轮轨材料硬度的选用存在较大差异。具体表现为:日本新干线使用的车轮硬度远高于钢轨(H_R/H_W<1),欧洲高速铁路上H_R/H_W值接近1,而中国高速铁路系统中,轮轨种类多,硬度区间大。其次,总结了轮轨硬度匹配研究进展,明确材料硬度和轨轮硬度比(H_R/H_W)对磨损与滚动接触疲劳损伤都具有显著影响,但并没有形成统一的结论,且以往的材料选用经验并不完全适用于当前的铁路系统。然后,针对现阶段轮轨材料与硬度匹配研究,探讨了材料加工硬化、合金钢微观组织、表面热处理工艺、复杂服役环境与车轮运行参数等因素的潜在影响。最后,提出...     

激光相变硬化处理对轮轨钢磨损性能影响

利用滚动磨损试验机研究了激光相变硬化处理前后轮轨钢试样的磨损与损伤性能。结果表明:激光相变硬化处理主要得到马氏体组织,显著提高轮轨试样的表面硬度,钢轨试样和车轮试样分别提高43.06%、44.39%;轮轨试样经激光相变硬化处理后滚动摩擦系数与未处理试样相差不大,单一处理轮轨试样摩擦系数有所增大;轮轨试样经激光相变硬化处理能明显提高轮轨试样表面抗磨损和变形能力,车轮试样磨损率减少约44.02%,钢轨试样减少约13.6%,单一处理轮轨试样虽能降低处理试样的磨损,但显著加剧对摩副的磨损;激光相变硬化处理后,钢轨试样表现为轻微疲劳磨损,车轮试样则是粘着磨损与疲劳磨损共存,以疲劳磨损为主;重载工况下轮轨钢试样均激光相变硬化处理能有效改善材料抗磨损和损伤能力。     

小半径曲线内轨波磨外轨无波磨原因的研究

目的研究铁路小半径曲线线路内轨有波磨而外轨无波磨的原因。方法根据轮轨系统摩擦自激振动导致钢轨波磨的观点,建立了由车轮、钢轨和轨枕组成的轮轨系统摩擦自激振动模型。在模型中,车轮与钢轨接触几何关系使用车辆通过R=350 m曲线时的SIMPACK车辆动力学仿真计算获得的数值,钢轨与轨枕、轨枕与道床之间的连接用弹簧和阻尼单元组来模拟。应用复特征值方法对该模型发生摩擦自激振动的趋势进行了数值分析。结果小半径曲线内轨和车轮的接触角较小,在饱和蠕滑力(即摩擦力)作用下容易发生摩擦自激振动,因而容易出现波磨;外轨和车轮因为接触角较大,在饱和蠕滑力作用下不容易发生摩擦自激振动,因而极少出现波磨。数值预测结果与波磨发生的实际情况一致。结论轮轨蠕滑力饱和以及轮轨接触角是引起小半径曲线内外轨波磨差异的两个主要因素,其中轮轨蠕滑力饱和(即轮轨滑动)是决定性因素,如果轮轨蠕滑力不饱和,则轮轨系统就不会发生摩擦自激振动,因而就不会出现波磨。     

激光离散淬火对轮轨材料磨损与损伤性能的影响

在MJP-30A型滚动接触疲劳试验机上进行激光离散淬火处理前后的轮轨试样的摩擦磨损试验,研究了激光离散淬火处理对轮轨材料的磨损与损伤性能的影响。结果表明:经激光离散淬火后得到致密的马氏体,对轮轨材料的表面硬度具有明显的增强作用,车轮和钢轨试样的表面硬度分别提高了约191.1%和214.5%;轮轨试样经激光离散淬火处理能显著提高轮轨材料的耐磨性,对均经处理的轮轨材料进行实验,发现车轮试样磨损率降低约20.5%,钢轨试样降低约21.9%;而单一处理轮轨试样能大幅降低处理试样的磨损,但其对摩副的磨损有小幅增加;未经处理轮轨试样表面损伤严重,主要表现为剥落损伤;激光离散淬火处理后轮轨试样表面损伤减轻,以小块剥落为主要的磨损形式;淬火区之间的基体表面以剥落损伤为主并伴随一定的疲劳磨损。激光离散淬火处理后轮轨材料组织的抗变形能力得到大幅提高,且淬火区能抑制基体材料的塑性变形。     

载荷对D2车轮钢滑动磨损表层微观组织和性能影响

目的 研究滑动磨损条件下,载荷变化对D2车轮钢表层微观组织和磨损性能的影响。方法 利用MRH-30(环块)滑动摩擦磨损试验机进行滑动磨损试验。使用金相显微镜(OM)、场发射扫描电镜 (SEM)、X射线衍射仪(XRD)和场发射透射电镜(TEM)等设备,分析滑动磨损后表层微观组织、表面磨损形貌和硬度变化。结果 不同载荷条件下,随着磨损时间的增加,轮轨试样磨损量逐渐增加。200 N载荷条件下,(环状)车轮试样的磨损量大于100 N车轮试样磨损量,但200 N钢轨(块状)试样的磨损量却低于100 N钢轨试样。滑动磨损后,在不同载荷条件下,车轮试样表面主要形成长条状白层和不连续的月牙状白层。在200 N载荷条件下,由于车轮试样的磨损量较高,其白层厚度和表面白层硬度都小于100 N载荷条件下的车轮试样。在200 N载荷条件下,车轮试样表面更易形成不连续的月牙状白层。由于轮轨试样表面存在微凸体,高载荷会加速车轮试样表面局部微凸体发生严重塑性变形,导致月牙状白层的形成。在白层内片状渗碳体发生明显溶解和铁素体晶粒显著细化。结论 车轮表面白层对磨损性能有明显影响。滑动磨损过程中,高载荷条件下,月牙状白层和周边微观组织界面易形成裂纹,裂纹会逐渐沿着界面向内部扩展,导致不连续月牙状白层发生剥落,降低车轮试样表面的硬度,加速车轮试样磨损。另一方面,高载荷会加速无白层区域塑性变形,导致其形成棘轮失效,从而加速磨损。     

轮轨磨损与滚动疲劳裂纹损伤关系及预防研究

在JD-1型轮轨模拟试验机上研究了干态下两种钢轨的滚动磨损与疲劳性能.结果表明:不同工况下U71Mn钢轨磨损量大于PD3钢轨,U71Mn钢轨表现出更好的抗疲劳性能;磨损与疲劳裂纹损伤表现为相互争竞与制约的耦合关系;增加磨损率能降低轮轨疲劳裂纹损伤.     

基于 ANSYS 的车轮材料特性对轮轨接触应力的影响

目的随着我国铁路运输朝着高速、重载、低能耗的方向高速发展,高速列车轮轨承受的载荷显著增加,研究车轮材料特性(弹性模量、泊松比)对CRH3型动车组轮轨接触应力的影响,对保证列车安全性、可靠性及舒适性有重要的现实意义和应用价值。方法采用S1002型磨耗踏面轮对和60 kg/m的标准钢轨,首先对轮轨接触的模型做基本的假设,其次对模型参数、单元选择、网格划分等计算过程进行说明,最后应用弹塑性理论及有限元软件ANSYS分析轮轨接触应力。结果车轮材料弹性模量E分别为124,165,206,247,288 GPa的情况下,轮轨接触对应的最大Mises应力依次为315.451,370.458,435.498,500.274,554.604 MPa,最大接触压力依次为669.264,802.328,920.832,1033.87,1135.19MPa;在车轮材料泊松比分别为0.18,0.24,0.30,0.36,0.42的情况下,轮轨接触对应的最大Mises应力依次为468.035,450.601,435.498,422.587,415.412 MPa,最大接触压力依次为903.068,911.168,920.832,936.339,961.234 MPa。结论车轮材料的弹性模量对轮轨接触应力有显著的影响,最大Mises应力和最大接触应力的变化与弹性模量的变化呈正比关系;泊松比对轮轨接触应力也有一定的影响。     

铁道车辆轮轨接触疲劳的影响因素

随着铁路客货运量的增大和列车速度的提高,使得高速铁路的轨道必然比普通线路具有更高的安全性、可靠性和平顺性,为保证轨道结构的这些要求,轨道各部件的力学性能、使用性能和组成为结构的整体性能都比普通轨道部件高,但在高速铁路轨道上仍然存在很多问题。目前,轮轨接触疲劳是最常见的轮轨问题,国内外许多学者对此做了研究。导致机车车辆轮轨接触疲劳的因素有很多,指出了当下一些常见的轮轨接触疲劳损伤形式,同时对滚动接触疲劳的影响因素进行了简要分析。为了研究疲劳损伤产生、发展的机理和影响因素,通过查阅大量资料,了解了各种常见损伤的产生和发展机理,并总结了在该领域的研究方向与热点,同时指出了当下高速铁路建设中存在的技术难题。结合轮轨接触疲劳的失效形式和磨损的特点,从材料对踏面的影响、高速与重载对轮轨接触疲劳的影响、润滑剂对轮轨裂纹增长的影响等方面,进一步提出预防和减缓钢轨接触疲劳损伤的具体措施。     

层流等离子体点状淬火面积比对轮轨材料磨损性能的影响

目的 运用层流等离子体点状淬火工艺,提高轮轨材料的耐磨性,并探究最佳的表面处理面积比率.方法 采用层流等离子体点状淬火方式,对高速轮轨材料进行表面处理,利用MJP-30型滚动接触磨损试验机,对4组不同点状淬火面积比(0％、15％、30％、45％)的轮轨试样进行滚动接触磨损试验,利用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、硬度计等对轮轨试样进行磨损形貌表征和耐磨性分析.结果 层流等离子体点状淬火可获得板条状马氏体组织,轮轨材料表面硬度提升200％以上,磨损率降低80％以上.当面积比为30％时,轮轨材料的磨损率最小,相比于未处理试样,总磨损率下降约89.2％,车轮的磨损率降低约89.6％,钢轨降低约88.7％.对磨损试验后的轮轨试样进行表面损伤分析和截面显微组织观察,结果表明,点状淬火试样表面损伤显著减轻,剥离和裂纹主要集中在淬火过渡区域,淬火区域可以显著抑制材料的塑性变形,淬火区和基体结合层可抵抗裂纹的进一步扩展.当面积比为30％时,轮轨试样的耐磨性能最佳.结论 层流等离子体点状淬火可有效提高轮轨材料的耐磨性,最佳的淬火面积比为30％左右.     

高速动车组车轮偏磨影响因素与限值研究

目的 高速动车组在运营过程中的轮轨磨耗严重威胁着运营安全和运营经济性,车轮偏磨对车辆的运行性能具有重要影响。探究高速动车组车轮发生偏磨的原因,从而提出对应的抑制措施。方法 通过实测数据,统计分析动车组偏磨问题和演化规律,并对不同车轮偏磨下的轮轨静态接触参数进行分析;建立高速动车组车辆模型和Jendel车轮磨耗模型,分析偏磨产生的机理和影响因素,主要从4个方面进行探究,包括左右轮表面硬度、左右侧转臂节点参数、线路分布和钢轨廓形的不对称性;通过建立轮对刚柔耦合模型,对不同车速下的车轮偏磨限值进行研究。结果 磨耗里程为200 000 km,当硬度差为0、5H、10H时,右侧车轮的磨耗深度分别为0.954、0.966、0.973 mm。当右侧转臂节点刚度减小为5 MN时,右侧车轮的磨耗深度减小了5%。当左右钢轨廓形不对称时,左侧车轮的磨耗比右侧的磨耗增大了15.8%。当速度为300、350、400 km/h时,轮径差限值分别为2.4、2.1、1.7 mm。结论 左右车轮的表面硬度、左右侧转臂节点参数、线路分布和钢轨廓形不对称性是引起车轮偏磨的主要诱因,在服役过程中需对影响车轮偏磨的车辆和线路参...     

U68CuCr与U75V轨道钢磨损行为研究

目的研究耐蚀轨道钢U68CuCr的磨损性能及损伤机理。方法利用M200型摩擦磨损实验机进行轨道钢U68CuCr和U75V与车轮钢滚动对磨实验。运用电子分析天平测量轮轨失重,来研究轮轨磨损随时间的变化规律。通过扫描电子显微镜、超景深显微镜观察轮轨表面损伤形貌。结果磨损初始的15h,U68CuCr磨损量大于U75V。磨损40h时,U68CuCr与U75V的磨损量基本相同,但随时间增加,U68CuCr的磨损量将低于U75V钢。在干态实验下磨损,钢轨表面存在未剥落的片状氧化物以及其剥落后留下的凹坑和划痕,并伴有塑性变形,而车轮表面没有残留的片状氧化物。磨损过程中,钢轨亚表层为塑性变形区,珠光体发生变形,产生加工硬化,使塑性变形层的硬度高于基体。结论 U68CuCr既具有良好的耐磨性,又有高的耐腐蚀性,能改善钢轨使用性能。氧化磨损是钢轨表面损伤的主要方式,磨损是氧化与剥落交错重复出现的过程。     

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。     

复合载荷作用下轮轨接触特性有限元分析

侧风及弯道情况下的横向力对轮轨接触特性产生重要影响,从而影响轮轨的使用寿命。同时考虑轮轨所受的垂向力和横向力,建立轮轨接触有限元模型。轮轨的材料本构模型选择弹塑性,采用罚函数法模拟车轮和轨道之间的接触关系。对不同垂向力及横向力作用的轮轨接触进行有限元仿真,分析轮轨接触部位的接触变形、等效应力以及塑性应变等随垂向力和横向力的变化规律。结果表明：轮轨最大接触压力、接触斑面积、最大Mises等效应力和最大Mises等效塑性应变都随垂向力近似呈线性增加,但垂向力主要影响接触斑面积和最大Mises等效塑性应变;轮轨Mises等效塑性应变最大值随横向力的增加近似呈线性增长,且塑性变形主要集中在钢轨的接触部位。     

轴重和摩擦力对轮轨接触疲劳的影响

目的 了解钢轨表面存在裂纹时的轮轨接触问题。 方法 采用有限元分析软件 ANSYS,获得不同裂纹位置的应力强度因子。 结果 裂纹在接触斑边缘的位置时,应力强度因子 K_I最大;随着轴重的增加,应力强度因子 K_I增加,而应力强度因子 K_II先增加,后减小;考虑摩擦力( μ = 0 . 3 ) 时,相对于无摩擦,K_I和 K_II都明显增加,且 K_II所占 K_I的比例提高了 15% 。 结论 车轮在钢轨上滚动时,轮轨间的轴重和摩擦力是影响钢轨疲劳的重要因素,轴重的提高会明显加剧钢轨疲劳,而摩擦力的影响建立在轴重的基础上,并使轴重的影响加剧。     

某地方铁路用U71Mn钻孔钢轨的断裂原因分析

采用断口形貌、化学成分和力学性能的观察测试方法,对铁路用U71Mn钻孔钢轨的断裂原因进行了分析。结果表明,由于接头夹板与钢轨没有贴合好,在轮轨冲击力的长期作用下,接头夹板与钢轨下颚接触处承受较大的应力,出现微动磨损,进而形成塑性变形区,致使该处的抗疲劳性能下降,导致裂纹在塑性变形区萌生,并逐渐向轨腰扩展,最终在轨底处发生断裂失效。     

港口起重机轮轨接触应力有限元分析

利用ANSYS10．0软件进行轮轨弹塑性接触有限元分析。文章分别对点接触和线接触状态轮轨的弹性和弹塑性两种情况进行有限元分析,得出了轮轨间弹性接触和弹塑性接触应力的分布情况。接触点及车轮圆角过渡处应力较大,线接触较点接触的应力分布更平缓。     

轮轨润滑剂的抗磨特性

轮缘与钢轨侧面是处在高负荷和高冲击下的混合(滚动加滑动)摩擦状态，接触表面经受疲劳磨损．塑性变形和磨粒磨损等多种磨损损伤．     

机车轮箍和整体轮的超声波探伤

车轮是机车走行部重要部件，在运行中不仅起着车轮导向作用，还承受着机车自重、钢轨的冲击、机车的牵引力和制动力，是一个受力较大且复杂、工作条件恶劣的部件，它的质量好坏直接关系着机车的运行安全。随着铁路运输需要，机车速度不断提高、牵引吨数逐渐增加以及段修公里的延长，对车轮质量性能提出更高的要求。我国铁路机车车轮结构有两种形式，一种是组合式车轮，由轮箍和轮心组成，即将轮箍旋削加工后留有一定的紧余量经过超声波探伤确认无缺陷超标后，均匀加热到200～320℃，套装在车轮轮辋上，因此轮箍是在热应力和组装应力下服役，材质容易产生疲劳，并在运行中不断发展，如果未及时发现采取措施，最终发生轮箍崩裂，轻者造成列车脱轨，重者造成列车颠覆的重大行车事故；另一种是近年来采用较多的整体车轮，虽然整体车轮消除了轮箍弛缓和崩箍故障，但踏面掉块同样威胁机车的运行安全，近几年铁路部门投入大量的人力和物力，对机车车轮和轮箍进行超声波检测，有效地控制了轮箍崩裂，但仍有机车轮箍崩裂和整体车轮踏面掉块发生，威胁着铁路运输安全。     

铁路钢轨的修磨及修磨用砂轮

铁路机车速度的提高对钢轨的材料和尺寸磨损提出了更高的要求。为了适应这种提速的要求,必须对新铺设的钢轨进行预防性修磨处理,并对在线使用的钢轨必须进行修磨,从而消除钢轨中固有的缺陷、钢轨顶面的不平顺以及钢轨焊接头的不半顺和钢轨的疲劳破坏层。通过对钢轨的修磨可减少由于滚动接触疲劳引起的钢轨损伤,减少钢轨侧面磨损,可延长钢轨的使用寿命0．5～1倍。本文分析了铁路钢轨产生磨损的原因和磨损的种类,介绍了钢轨的修磨方法、修磨工艺和修磨设备,提出了钢轨修磨用砂轮的基本设计原则,同时对砂轮的生产工艺和配方进行了简要介绍。