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。     

基体表面异质材料滚动接触疲劳性能与失效机理的研究进展

滚动接触疲劳性能是评价膜层性能的重要指标之一。影响零件滚动接触疲劳性能的因素主要分为膜层自身结构完整性和服役条件两大类。膜层自身结构完整性又受制于涂覆工艺、材料体系、后处理方式等因素。在服役工况确定的情况下,膜层自身结构完整性对零件的接触疲劳性能起决定性的作用。不同的涂覆工艺、材料体系、后处理方式对零件的滚动接触疲劳性能及失效机理的影响不尽相同。本文综述了涂覆工艺、材料体系、后处理方式对基体表面异质材料滚动接触疲劳性能与失效机理的影响,发现对滚动疲劳失效机理也存在作用。最后,总结了目前关于膜层滚动接触疲劳研究中存在的问题,探讨了解决问题的方法,以期为基体表面膜层的接触疲劳寿命预测奠定良好的基础。     

表面完整性对涂层滚动接触疲劳寿命影响的研究进展

疲劳是涂层在滚动接触条件下的主要失效形式。涂层的表面完整性（包括粗糙度、显微结构和结合强度、残余应力、厚度、硬度）直接影响了涂层的接触疲劳失效机理,基本决定了涂层的服役寿命。本文在系统综述国内外关于接触疲劳研究的基础之上,对涂层表面完整性引起的接触疲劳失效机理和参数优化准则进行了总结,并展望了表面完整性参数对接触疲劳影响的研究途径,以期为研究涂层制备工艺与涂层疲劳寿命预测与评估的学者提供参考。     

Cr4Mo4V高温轴承钢滚动接触表面特征与疲劳损伤机制

通过球棒滚动接触疲劳试验和有限元分析研究4050润滑油润滑和不同接触应力下的航空高温轴承钢Cr4Mo4V的滚动接触表面特征以及疲劳损伤机制。接触表面特征包括滚动接触应力和润滑情况两部分,滚动接触疲劳试验中表面特征对表面质量影响显著。通过分析表面、次表面裂纹萌生、扩展、断裂过程,发现接触疲劳破坏类型主要有表面起裂和次表层起裂。表面碳化物的剥落坑、黏着磨损和疲劳磨损的凹坑导致了表面起裂;次表面发现"黑蚀区"、"白蚀区"和"蝴蝶组织",白蚀区导致了次表面起裂。球棒接触有限元模拟结果发现,在接触应力为4.0 GPa时,次表面剪切应力在表面下100~150μm达到最大值,有发生局部屈服的可能性,累计塑性变形使次表面组织发生退化。轴承钢中碳化物的存在导致应力集中,使累计塑性变形进一步加剧,并发生疲劳。     

表面形貌对滚动接触疲劳寿命的影响

基于国内外研究现状,以滚动轴承为研究对象,将滚子与滚道等效为点接触模型,研究了干摩擦条件下,表面形貌对滚动接触疲劳寿命的影响。建立了Zeretsky寿命模型,分析了表面均方根值、峰度及偏度、纹理特性对次表面应力分布和滚动接触疲劳寿命的影响。结果表明:均方根值增加,次表面高应力区将靠近表面,滚动接触疲劳寿命降低;峰度增加将导致滚动接触疲劳寿命降低;纹理可使滚动疲劳寿命降低。     

含有纳米级夹杂物的滚动体的应力分析

在滚动轴承工作状态下,滚动接触过程中通常会遇到滚动体内表面含有纳米级夹杂物的情况,纳米级夹杂物会影响滚动体的疲劳寿命。利用TLP3接触疲劳试验机对滚动体的疲劳寿命进行研究,发现纳米级夹杂物是滚动体疲劳寿命的主要影响因素,并基于此问题进行有限元仿真验证。以2μm夹杂物为模型,突破性地实现了网格局部极细划分,网格最小为0.125μm。以有限元软件Abaqus为基础,对滚动接触过程中滚动体以及纳米级夹杂物周围进行应力分析。研究发现,在夹杂物处应力集中,最大等效应力为1634 MPa。     

车轮踏面参数检测误差分析与GUI设计

针对车轮踏面参数检测准确性问题,分析踏面检测的影响因素,建立车轮踏面参数检测系统的误差分析模型。设计基于MATLAB的车轮踏面参数检测误差分析、踏面参数数据分析和小波工具箱信号处理的GUI可视化界面,并进行仿真分析。GUI可视化界面的设计,旨在掌握各误差因素对车轮踏面参数检测的影响程度及查看检测结果的数据及图形,为提高车轮踏面参数检测的准确性奠定理论基础。     

马氏体轴承钢碳氮共渗滚动接触疲劳失效机理EI北大核心CSCD

碳氮共渗工艺应用广泛,但对碳氮共渗后零部件的滚动接触疲劳失效机理研究较少。采用气体碳氮共渗对马氏体轴承钢进行表面改性处理,对碳氮共渗试样进行滚动接触疲劳试验,研究碳氮共渗对轴承钢滚动接触疲劳性能的影响及其失效机理。研究结果表明:碳氮共渗试样表面硬度、残余应力和残余奥氏体含量显著提高,使得其接触疲劳寿命明显高于常规试样。疲劳裂纹萌生于表面和亚表面,其中大量表面平行裂纹主要由表面白色蚀刻层硬度梯度变化而导致,表面材料受到严重微观塑性变形产生晶粒细化;亚表面裂纹萌生位置受最大应力的分布和渗层厚度的影响。表面和亚表面疲劳裂纹的扩展和连接最终导致碳氮共渗试样出现浅层剥落和分层剥落的失效形貌。     

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。     

车轮踏面参数检测系统的误差分析

针对车轮踏面参数检测系统的车轮轴线与回转中心的偏心、传感器测量方向不通过回转中心、传感器测量方向与测量面呈交角和车轮轴线与回转中心倾斜等误差因素,建立车轮踏面参数检测系统的误差因素影响模型,分析比较了各误差因素对车轮踏面参数测量值的影响。利用Pro/E软件建立LMA型标准车轮的三维几何模型,并设置模拟采样参数和进行切面采样,通过MATLAB软件对采样数据进行仿真分析。结果表明,仿真结果与设定值一致。     

高速铁路钢轨RCF伤损特征及NDT研究进展

随着我国高速列车的大量开行,滚动接触疲劳（RCF）伤损成为了高速铁路钢轨的主要伤损,严重威胁行车安全。本文介绍了我国提速段高速铁路钢轨的滚动接触疲劳伤损的类型、特征和发展模式。相关机构的调研和分析结果表明,轨头裂纹和隐伤是我国提速段钢轨最主要的RCF伤损,且伤损类型与钢轨的强度级别有关。同时介绍了钢轨RCF伤损的无损检测方法研究情况,重点阐述了低频超声表面波检测方法的研究进展。     

中碳贝氏体支承辊钢低应力牵引滚动接触下的疲劳短裂纹行为

研究了中碳贝氏体支承辊钢在低应力、水润滑和牵引滚动条件下的接触疲劳裂纹萌生与扩展特征,发现了表面起源的垂直短裂纹和棘齿短裂纹．疲劳10^4cyc时,垂直短裂纹就在接触表面大量出现,且在萌生后立即进行高速初始扩展,其后绝大多数停止长大;棘齿短裂纹出现较晚．两种短裂纹长大到一定深度时均停止扩展．在疲劳失效寿命的70％-80％时,垂直短裂纹恢复扩展,并随即加速长大．几乎同时,两种短裂纹在亚表层以转折的方式重新扩展．在表面损伤出现之前,两种短裂纹的萌生和扩展行为始终局限在近表面薄层内．     

PEC thermography for imaging multiple cracks from rolling contact fatigue

With the development and operation of high speed trains, condition based maintenance becomes an important approach for the improvement of reliability and safety of rail transportation. This paper reports a feasibility study using pulsed eddy current thermography for imaging multiple cracks caused by rolling contact fatigue (RCF). After reviewing rail track inspection and RCF cracks, a PEC thermography system is introduced and applied to the imaging of multiple rolling contact fatigue cracks. Potential on-line inspection for rail track is also discussed.     

Modelling and experimental measurements of idealised and light-moderate RCF cracks in rails using an ACFM sensor

Alternating current field measurement (ACFM) sensors can be used to detect surface breaking defects in metal components. In rails rolling contact fatigue (RCF) cracks form due to the wheel–rail contact stresses. These cracks are surface breaking and can have complex shapes. A COMSOL model has been developed for a commercial ACFM system and RCF cracks in rails. In this paper model results are compared to experimental measurements using an ACFM pencil probe for calibration defects machined into a rail and real RCF defects (light and moderate categories; <20 mm surface length) in a rail removed from service. X-ray tomography has been used to determine the size and morphology of the real RCF cracks for input into the model. It has been shown that the model can be used to determine the change in normalised Bx signal due to the presence of calibration defects machined into a new rail. The model has also been used to compare the experimental data for the real RCF cracks to the reconstructed model cracks and a semi-elliptical approximation to their shape.     

Reconstruction of the rolling contact fatigue cracks in rails using X-ray computed tomography

Rolling contact fatigue (RCF) defects are associated with complex crack networks at the subsurface. A computed tomographic (CT) scanning technique has been developed to reconstruct the 3D geometry of the RCF cracks in the railhead. Sample rails having squats of different severities were taken from the Dutch railway network. Four specimens of different sizes were prepared and investigated with the CT scanner. The detailed procedures of the CT experiment and post-processing work were described. A sequence of high-quality X-ray images was collected during each scan. These 2D images were combined to construct the 3D visualization of the specimen. Various image processing tools were applied to extract and rebuild the internal crack geometries, thus allowing the crack networks to be differentiated from the bulk steel. For validation, the CT results were compared with metallographic observations of the rail surface for all the defects and the vertical section when needed. Discussions were made regarding the proper size of the rail samples and severity of the squats. According to the results, CT allows for a 3D visualization of RCF defects, providing high-quality data on the geometry of the internal cracks. By choosing the appropriate settings and specimen size, CT could accurately reconstruct the squat cracks at different growth stages. This research shows the potential of the CT technique as an intermediate detection and characterization tool among the methods for detecting macro cracks and those for characterizing micro/nano cracks. Finally, a practical specimen design and a detailed scanning procedure are proposed, based on the CT experiments performed in this research.     

中碳贝氏体钢支承辊的垂直裂纹分析

研究了中碳贝氏体钢支承辊滚动接触疲劳垂直裂纹早期萌生、扩展直至形成深层剥落的全过程，用透射电镜观察了支承辊钢的微观组织，结合其微观组织和力学性能，分析了垂直裂纹萌生机理，发现其形成是由微凸体接触区后边缘的最大拉应力引起的。试验结果表明，降低表面粗糙度可防止垂直裂纹的早期形成。该结果已经应用在支承辊维护实践中，降低了必需的磨削速率，延长了支承辊的有效使用寿命。     

火车车轮全模锻数值模拟

铁路运输朝着高速重载发展,铁道车辆对车轮的要求越来越高,车轮加工新工艺被不断提出。全模锻工艺制造的车轮,其金属力学性能、几何尺寸的精确度均优于其它工艺。本文通过有限元分析软件De-form3D对车轮全模锻加工工艺进行数值仿真模拟,该仿真结果对车轮全模锻加工提供了理论依据。     

车轮材料表面h-BN/CaF_2/Fe基激光熔覆涂层组织与磨损性能

激光熔覆铁基合金涂层的摩擦因数及磨损率均较高,h-BN和CaF_2作为固体添加剂已应用于激光熔覆处理,然而含h-BN和CaF_2的铁基熔覆涂层在列车车轮材料表面的磨损性能及最佳含量尚不清楚。因此,以不同比例的h-BN(0～2%)、CaF_2(2%～0)和Fe基合金(98%)粉末为熔覆材料,在列车车轮材料表面制备合金涂层,对激光熔覆车轮试样进行滚动摩擦磨损试验。结果表明:涂层微观组织主要由枝晶组织和共晶组织构成,硬度约800 HV_(0.3),表面存在残余压应力,其值为800～1 300MPa。加入h-BN粉末可将黏着系数降低至0.35～0.39,激光熔覆车轮试样表面以滚动接触疲劳损伤为主,裂纹在表面产生并在塑性变形层内扩展。随h-BN含量增加和CaF_2含量减小,微观组织尺寸、黏着系数、磨损率、滚动接触疲劳裂纹长度和深度均呈先减小后增加趋势。h-BN、CaF_2和Fe基合金质量比为1%:1%:98%时,涂层微观组织最致密、残余压应力最大、耐磨与抗疲劳性能最优。研究结果可为激光熔覆技术在列车车轮上的应用与优化提供理论与技术指导。     

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...