低温下高速车轮材料滚动磨损与疲劳损伤行为

利用低温环境轮轨磨损模拟试验装置,研究了高速铁路车轮材料在室温及低温环境下的滚动接触疲劳损伤行为。结果表明：低湿度的低温环境导致车轮材料磨损率、塑性变形及疲劳损伤较室温下明显加重。随试验温度的降低,轮轨摩擦因数、磨损率及表面硬度均呈现先急剧上升后轻微下降趋势。室温工况下磨痕表面有严重的犁沟现象,而低温工况下车轮试样表面以疲劳裂纹及剥落损伤为主。随着温度的降低,磨损形式由氧化磨损、磨粒磨损逐渐向疲劳及粘着磨损转变。车轮材料裂纹主要沿较软的铁素体线扩展,室温下剖面损伤较轻微。低温工况下由于车轮材料发生脆化,珠光体呈现不同于室温下的形貌及分布特性。在低温下,表层裂纹扩展角度及次表层裂纹长度增加,同时表层裂纹易于汇合并产生分支。     

不同轴重下轮轨损伤特性试验研究

利用MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机研究了不同轴重下轮轨摩擦磨损性能。结果表明:随着轴重的增加,轮轨间的摩擦系数呈增大趋势,且轴重越大,摩擦系数趋于稳定后的波动系数越小,车轮和钢轨的磨损加剧,但轮轨材料硬度值的差异会导致磨损量的增幅差异;轮轨间接触应力的增加,会导致晶体滑移线向材料里层滑移深度增加,塑性变形层加厚;随着轴重的增加,车轮材料的磨损机制由黏着磨损逐渐向疲劳裂纹方向转变,钢轨材料主要变现为疲劳磨损,由疲劳短裂纹向疲劳长裂纹及多层剥落磨损转变。     

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。     

车轮材料对轮轨系统匹配性能的影响

利用MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机研究4种含碳量不同的车轮材料分别与PD3热轧钢轨进行匹配的磨损与疲劳性能。结果表明：随着车轮材料的含碳量增加,硬度增大、耐磨性增强,导致磨损量降低,轮轨系统的磨损量呈现先减小后增大的趋势;车轮试样的塑性变形层厚度随含碳量的增加而减小,抗疲劳性能加强;车轮试样表面由严重剥落损伤向轻微剥落转变,伴随有一定的黏着磨损;钢轨试样表面以剥落磨损为主。     

CL60车轮表面气体软氮化对轮轨滚动接触条件下界面黏着与表面损伤的影响

在轮轨滚动接触疲劳/磨损试验台上开展了CL60车轮表面气体软氮化对轮轨滚动接触疲劳和表面磨损行为的影响研究,对比分析了车轮表面气体软氮化对轮轨表面损伤的作用机理。结果表明:表面氮化处理可使车轮表面依次形成约3μm～5μm厚均匀致密的白亮层和约20μm后的扩散层;车轮表面氮化处理后,干态下轮轨间黏着系数降低了11. 7%、水态下降低了18. 4%,但氮化处理仍可保持轮轨间较高的黏着系数,可以避免车轮打滑等现象的发生;渗氮处理不仅明显提高了车轮表面的耐磨性,而且也有效降低了钢轨试样的磨损,其磨损量分别减小了58. 05%和10. 77%。简言之,车轮渗氮处理有效降低了轮轨系统的综合磨耗,提高了车轮材料的滚动接触疲劳抗力。该方法有望应用于实际,从而有效提高轮轨系统的服役寿命、减缓重载条件下轮轨材料的损伤。     

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。     

高转速、不同法向载荷条件下车轮与钢轨间的滚动摩擦磨损及损伤行为

利用滚动接触疲劳试验机研究了高转速不同法向载荷(2 000,5 000,8 000N)条件下,车轮与钢轨(以下简称轮、轨)试样间的滚动摩擦磨损和损伤行为。结果表明:随着法向载荷增大,轮、轨试样间滚动摩擦稳定阶段的摩擦因数以及轮、轨试样的磨损量、塑性变形层厚度均逐渐增大;在相同的试验条件下,轮试样的磨损量大于轨试样的磨损量;轮、轨试样的表面损伤皆表现为典型的滚动接触疲劳特征,并且轮试样的疲劳损伤更严重,表面更易萌生裂纹。     

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。     

新型CL60钢地铁车轮摩擦磨损试验研究

为了提高地铁车轮的服役性能,对车轮用CL60钢材料中Si、Mn、Cr等元素的质量分数进行重新设计和优化,研发新型CL60钢地铁车轮,通过GPM-60摩擦磨损试验机模拟轮轨磨损试验,研究原CL60钢车轮与新型CL60钢车轮在实验室条件下的磨损特性。基于赫兹模拟准则设计计算了模拟试验采用的轮轨试样尺寸、施加的载荷和转速;通过不同载荷工况下的摩擦磨损试验和轮轨材料微观组织分析,研究2种轮-轨试样的磨损量、磨损率、塑性变形及表面形貌的变化规律及特征,对新型CL60钢车轮的使用性能进行评价。结果表明：与原CL60钢车轮相比,在不同载荷下新型CL60钢车轮试样磨损量、轮-轨试样总磨损量、磨损率及摩擦表面塑性变形层厚度均大大降低,其抗磨损性能和塑性变形能力得到了改善。     

钢轨材料对滚动接触疲劳影响及高速铁路选轨研究

使用JD-1型轮轨模拟试验机针对淬火和热轧的PD3和U71Mn四种钢轨试样进行模拟试验,采用赫兹接触理论在实验室条件下模拟轮轨试样间的摩擦相互作用过程与现场中的相似.利用机械式光电分析天平通过称重法测量钢轨试样的磨损量,使用光学显微和扫描电子显微镜对钢轨滚轮试样进行微观分析,对高速铁路的钢轨选择提供依据.结果表明,材料硬度越高,磨损量越小,磨损面附近塑性变形层越薄,抗磨损性能越好,但高硬度材料裂纹扩展较深,疲劳损伤严重.硬度略低的材料,磨损量大,磨损面附近塑性变形明显,但由于部分刚萌生的微裂纹被磨去,疲劳损伤较为轻微.高速钢轨损伤主要以疲劳为主,U71Mn热轧钢轨有较好的抗疲劳性能,更适合于高速铁路铺设使用.     

载荷和转速对HDPE多元复合材料摩擦学性能的影响

为改善高密度聚乙烯(HDPE)的力学性能、自润滑性和耐磨性,以HDPE为基体,通过填充六钛酸钾晶须(PTW)、聚四氟乙烯(PTFE)和滑石粉制备一种HDPE复合材料.在MMW-1型摩擦磨损试验机上测试复合材料在不同载荷和转速下的摩擦因数、磨损率,采用扫描电镜(SEM)分析磨痕形貌,探讨HDPE复合材料的摩擦磨损规律.结...     

基于摩擦温升效应的地铁车轮磨耗特性研究

踏面制动引起车轮温度急剧上升,影响车轮材料性能和轮轨接触状态,加剧车轮磨耗。基于Archard磨耗模型,建立一个考虑摩擦温升效应的地铁车轮磨耗预测模型。模型中根据车轮材料属性与温度之间的关系,考虑摩擦温升对接触斑大小、黏滑区划分和磨耗深度的影响,可实现对高温下的车轮磨耗特性的研究。相对以往的车轮磨耗预测模型,该模型能反映温度对磨耗影响的物理本质,适合研究轮轨接触界面有较大温度(如踏面制动)时的车轮磨耗演化机理。用所建立的车轮磨耗数值预测模型,计算对比不同温度下的轮轨接触状态和车轮磨耗深度。结果表明,轮轨接触斑和滑动区面积随温度的升高而增加;温度升高使接触斑单元磨耗深度增加,当踏面温度从常温25℃增加到最高温度300℃时,最大磨耗深度0.4 nm,增幅为28.4%;车轮转动一圈后,其径向磨耗深度也随温度的升高而明显增加,最大径向磨耗深度15 nm,增幅为28.2%,同时,车轮横向位置的磨耗范围增加5.8%,为踏面制动形式的地铁车轮磨耗预测研究提供更加准确的理论模型。     

不同工况下软质丁苯橡胶轮表面磨损颗粒的产生量及磨损机理

采用自行设计的摩擦磨损试验机,研究了磨损时间、载荷、滚动速度、相对湿度对软质丁苯橡胶轮表面产生的磨损颗粒数量和橡胶轮温度的影响,分析了不同工况下的磨损机理;采用正交试验分析了各因素的影响程度.结果表明:磨损颗粒随磨损时间和载荷的增加而增多,随滚动速度和相对湿度的增大而减少;粒径为2.5μm的磨损颗粒数量和橡胶轮温度随各...     

[轮轨磨耗及预测]列车紧急制动过程中踏面温度分布及磨耗预测

列车紧急制动过程中踏面温度急剧升高导致车轮踏面的摩擦磨损机理与稳态运行时有显著差异。为了准确预测列车紧急制动过程中踏面磨耗,同时考虑踏面制动过程中车轮踏面与钢轨及闸瓦接触,基于有限元软件ABAQUS建立了踏面制动过程热机械耦合有限元模型,综合考虑制动温升对车轮踏面力学性能、硬度及摩擦因数的影响,仿真得到了紧急制动过程中车轮踏面上温度分布、硬度分布以及接触应力分布,并利用轮轨动力学软件UM得到了紧急制动过程中轮轨接触斑形状以及轮轨蠕滑区相对滑移分布,在此基础上结合Archard磨耗模型对单次紧急制动结束后的踏面磨损深度进行了定量预测。结果表明：对于制动初速度为130 km/h、160 km/h两种工况,踏面最高温度分别达到了397.0 ℃和485.9 ℃,踏面最大累积磨损深度分别为5.90 μm和7.43 μm,与踏面制动实验对比发现,预测结果与实验结果磨损位置及形貌分布趋势一致。     

新型高速轮轨接触疲劳试验机研制

220 kW新型高速轮轨疲劳试验机可准确再现时速300 km/h条件下,轮轨滚动接触时的疲劳、钢轨波磨和侧磨等现象,模仿真实工况条件下高速轮轨损伤机理及粘着特性等,为高速铁路发展建设提供必要的研究手段和设计数据。     

列车车轮多边形磨损及其噪音研究综述

介绍了近年来国内外关于列车出现的车轮多边形磨损及其产生噪音的研究概况,解释了车轮多边形磨损的相关概念和定义,列出了多边形磨损产生的原因以及多边形磨损与噪音之间的关系。国内外关于车轮多边形磨损的相关研究,主要集中于车轮多边形磨损对轮轨动力学的影响、车轮多边形磨损的产生和发展机理以及车轮多边形磨损的检测和评估三方面。笔者从车辆振动产生的噪音、车轮多边形磨损产生的振动和车轮多边形磨损产生的噪音三方面对噪音、振动与车轮多边形磨损之间的关系进行了综述,总结了国内外关于列车维修方面的研究进展,为发生车轮多边形磨损的列车检修提供建议。     

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。