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...     

轨顶摩擦改进剂对车辆动力学性能的影响

通过对轨顶涂覆摩擦改进剂对轮轨黏着特性影响的分析,发现摩擦改进剂不仅会改变轨面摩擦因数,并且会改变Kalker权重系数,这与通常认为的摩擦改进剂只改变摩擦因数不同。考虑摩擦改进剂对摩擦因数和Kalker权重系数的影响,研究货车车辆在轨顶涂覆摩擦改进剂的轨道上运行时的动力学性能。利用SIMPACK软件包建立货车车辆模型,包括车体、摇枕、侧架、轴箱、轮对等部件,分析车辆在轨顶涂覆摩擦改进剂的轨道上直线和曲线运行时的平稳性和安全性。计算结果表明,摩擦改进剂可以明显改善车体的横向平稳性,而对车体的垂向平稳性影响较小;摩擦改进剂会使车辆的脱轨系数和轮重减载率小幅增加,但是均小于国标规定的安全限值,不会影响行车安全。     

JD-1轮轨模拟试验机转轴损伤机制分析

转轴是JD-1轮轨模拟试验机夹具的重要组成部分,在试验机运行过程中承受垂向载荷和制动扭矩的综合作用。针对轮轨模拟试验机转轴-轴承过盈配合面上出现的损伤,从宏观、微观层面分析其损伤机制。转轴和轴承内圈在试验机运行过程中发生的弹性变形量存在差异,导致转轴-轴承过盈配合面区域内出现微小幅度的往复相对运动,从而产生微动损伤。在载荷综合作用下,转轴-轴承过盈配合表面出现了严重的微动疲劳磨损和较为严重的不均匀塑性变形,靠近制动器一端的表面塑性变形不均匀程度更为严重。分析结果为转轴损伤的减缓和预防提供了参考。     

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。     

轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展路径研究

基于近场动力学理论方法,通过建立轮轨滚动接触二维模型,研究轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展情况。计算模型的研究焦点集中在裂纹的扩展路径,并定性地研究不同的参数,如初始裂纹角、初始裂纹长度和表面摩擦系数对裂纹扩展路径的影响。分析结果表明:小角度裂纹转向表面,表现出剥落趋势,而较大的初始角度裂纹继续向下扩展到钢轨内部,更易造成钢轨的整体断裂;长度1.5 mm和3 mm裂纹扩展的结果非常相似,即初始裂纹长度对实际裂纹路径影响相当小;对于摩擦系数较低的情况,与具有较高摩擦系数的情况相比,裂纹较早地转向表面。     

列车车轮踏面滚动接触疲劳研究进展

随着高速与重载铁路的发展,车轮踏面滚动接触疲劳损伤问题变得更加显著,不仅影响乘车舒适度,增加维护成本,还会直接危害行车安全,目前尚无根本的解决办法。对国内外车轮踏面滚动接触疲劳损伤的形成机理、研究方法及影响因素进行了归纳总结。车轮滚动接触疲劳损伤形式有很多,根据疲劳裂纹在踏面下方萌生位置的不同,将踏面滚动接触疲劳损伤分为表面滚动接触疲劳、次表面滚动接触疲劳和较深层次滚动接触疲劳。随着冶金和车轮制造技术的提高,由低周疲劳或棘轮效应造成的表面滚动接触疲劳损伤成为主要的疲劳损伤类型。车轮踏面滚动接触疲劳损伤的研究方法主要包括现场调研、数值仿真和试验研究。结合已有研究成果,主要从车轮材料、车轮既有损伤、线路条件、列车运行参数、轮轨间第三介质等方面对踏面滚动接触疲劳损伤的影响因素进行了总结,并进一步提出了减缓踏面滚动接触疲劳损伤的具体措施。此外,探讨了车轮踏面滚动接触疲劳损伤未来的研究方向。     

轮轨粘着面积的数值研究

利用非Hertz滚动接触理论,应用数值方法CONTACT,分别计算了我国列车常用的两种车轮踏面(磨耗型和锥形)在列车静态接触情况下曲线半径、横移量和轮对摇头角对接触斑总面积和粘/滑区占接触斑总面积比重的影响.经过计算分析表明:在各种工况下,锥形踏面的接触斑总面积都大于相应磨耗型的,随着钢轨曲线半径的增大,接触斑面积无变化,粘着系数增大,接触斑中粘着区所占面积比重减小;当横移量增大到10 mm时,接触斑面积骤减,粘着占总面积比重亦骤减,进入全滑动区,出现爬轨;随着轮对摇头角的变化,接触斑面积几乎无变化,当轮对摇头角大于0.4°时,接触斑处于全滑动状态,粘着占总面积比重骤减.     

轮轨滑动摩擦生热分析

利用ANSYS有限元软件建立轮轨滑动摩擦热-结构耦合简化模型,针对特定载荷、摩擦因数和相对滑动速度工况进行了轮轨的温度场和应力场研究.结果表明:轮轨处在滑动摩擦状态时,需考虑材料参数随温度变化的影响;热影响区分布于轮轨表面很薄层,并在此薄层产生很高的热应力;随着轴重力、摩擦因数和相对滑动速度的增大,轮轨的热效应越明显.轮轨滑动过程的热效应问题研究将有助于揭示接触过程中的表面磨损机理.     

磁场作用下轮轨黏着特性研究

利用JD-1轮轨模拟试验机研究水和油介质工况下磁场对轮轨黏着特性的影响。结果表明:在水和油介质工况下,磁场作用下的轮轨黏着力大于无磁场作用的黏着力,其中加磁水介质黏着力相对增幅达20%,加磁油介质黏着力相对增幅达50%;水和油介质工况下,施加磁场时速度对轮轨黏着力影响不大。     

低温环境下制动参数对列车制动材料摩擦性能的影响

利用销-盘式摩擦磨损试验机与温度控制装置模拟低温环境下列车的制动行为,研究了低温环境(-20℃)下制动压力、制动速度对制动盘与制动闸片摩擦磨损性能的影响.研究结果表明,低温环境(-20℃)下制动盘与闸片之间的摩擦因数和磨损率均比室温环境(20℃)下略微提高.在低温环境下,制动压力和制动速度对制动材料摩擦磨损与损伤行为有明显影响.制动盘与闸片之间的摩擦因数随制动压力的增大呈现先减小后趋于稳定的变化趋势;随制动速度增加,摩擦因数呈现先减小后增加的变化趋势.制动盘和闸片的磨损率随制动压力的增大均呈现先增大后趋于稳定的变化趋势,且闸片材料的磨损率均大于制动盘材料的磨损率;随制动速度的增大,制动盘磨损率呈现快速减小的趋势而闸片磨损率呈现先减小后趋于稳定的趋势.随制动压力和制动速度的增大,闸片磨损表面第三体层分布更加均匀,表面剥落坑数量与面积呈减小趋势.