摩擦系数对滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗影响

提出了疲劳裂纹萌生与磨耗共存发展离散化过程建模设想,根据临界平面法材料疲劳损伤理论和Archard磨耗理论,建立钢轨三维疲劳裂纹萌生与磨耗共存发展预测模型,分析轮轨接触位置的摩擦系数对曲线段钢轨表面疲劳裂纹萌生与磨耗发展的影响.结果表明,摩擦系数对接触斑面积、形状和位置无影响,但影响轮轨接触斑黏着区/滑动区的分布和切向应力状态;随着摩擦系数的增大,钢轨的平均磨耗发展率增加、磨耗量增大、裂纹萌生寿命减小,其中,摩擦系数从0.3增大至0.7时,外轨和内轨的平均磨耗发展率分别增大了约17%～55%、16%～42%,外轨和内轨的裂纹萌生寿命分别降低约24%～34%和18%～35%;随着摩擦系数的增加,外轨的裂纹萌生位置从轨面以下2.0～2.5mm处向亚表面0.9～1.0mm移动;内轨的裂纹萌生位置基本处于轨顶面下2.4～2.6 mm;轮轨接触位置的摩擦系数控制在0.3～0.4的范围,可以达到延长钢轨疲劳裂纹萌生寿命、减缓钢轨磨耗的目的.     

轮对蠕滑条件下钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测

采用多体动力学与三维弹性体非赫兹滚动接触理论,得到不同轨底坡、超高、摩擦系数与曲线半径等多种轨道条件下的轮轨蠕滑状态,将接触力分别施加于钢轨有限元模型的接触斑位置,分析轨头应力应变响应,得到所有节点的疲劳参量.研究疲劳参量的组成类型,若剪应力与应变部分占主要组成部分,则采用剪切型裂纹萌生预测公式,否则采用拉伸型预测公式.分别预测导向轮与非导向轮作用下的曲线外轨疲劳裂纹萌生寿命,结果表明,外轨疲劳裂纹主要由导向轮作用产生,非导向轮对其影响很小;裂纹萌生寿命随曲线半径的增大而延长,随摩擦系数的增大而减小;设置1∶20轨底坡可以延缓外轨疲劳裂纹萌生,尤其是在半径较小的曲线上效果更明显;过超高能延缓曲线外轨疲劳裂纹萌生;当摩擦系数大于0.3时裂纹萌生于曲线外轨表面,而小于0.3时裂纹萌生位置则逐渐向轨头内部转移.     

不同轴重下轮轨损伤行为研究

利用MMS-2A摩擦磨损试验机开展轮轨滚动接触模拟试验,探讨研究了轮轨试样在不同轴重下的损伤特性.结果表明:轴重的增加使得轮轨间摩擦系数变大,车轮和钢轨的磨损加剧,其主要磨损机制由轻微剥落向严重剥落发展.随着轴重的增加,轮轨试样断面累积塑性变形厚度以及疲劳裂纹萌生的概率都显著增大.在相同轴重下,钢轨试样累积的塑性变形厚度较大,疲劳裂纹萌生的概率也大.随着轴重的增加,轮轨试样疲劳裂纹扩展速率变大,疲劳损伤明显加重.     

12号合金钢组合辙叉单开道岔疲劳裂纹萌生寿命预测

基于有限元分析软件建立12号合金钢组合辙叉单开道岔静、动力学分析模型;基于列车直、侧向过岔的动力仿真结果,确定岔区钢轨疲劳敏感区域,并提取敏感区域疲劳荷载谱;采用静力分析模型研究单位荷载下各敏感区域钢轨内部应力分布情况;基于Miner线性累积法则对岔区钢轨疲劳裂纹萌生寿命进行预测;研究列车轴重、速度对钢轨裂纹萌生寿命的影响;给出不同轴重、不同速度列车通过时岔区钢轨疲劳敏感区域裂纹萌生寿命的预测公式.结果表明:道岔不同敏感区域钢轨的疲劳裂纹萌生寿命相差很大,列车轴重及侧向通过速度对钢轨的疲劳裂纹萌生寿命有很大影响,疲劳裂纹萌生寿命随列车轴重的增加而大幅降低,随列车侧向通过速度的增加也有所降低.     

摩擦系数对支承辊次表层接触疲劳损伤的影响

以正交剪应力作为滚动接触次表层疲劳损伤评价的临界应力,分析了摩擦系数对滚动接触次表层正交剪应力幅及应力比的影响规律.根据疲劳损伤累积理论及非对称循环应力幅修正公式,建立了支承辊次表层接触疲劳应力与寿命计算模型,用于评价支承辊次表层接触疲劳损伤.实例分析了摩擦系数对支承辊次表层接触疲劳损伤的影响,结果表明:随着应力比及摩擦系数增大,支承辊的次表层接触疲劳损伤增大,因此,降低支承辊接触摩擦系数,可改善支承辊的疲劳损伤.     

考虑轨道几何不平顺的钢轨裂纹萌生与磨耗共存预测

在钢轨裂纹萌生和磨耗发展共存预测方法的基础上,考虑了轨道几何不平顺对轮轨接触位置分布、磨耗和疲劳损伤的影响,引入轮轨接触点在钢轨上的分布概率,分散了钢轨的磨耗和疲劳累积.分析结果表明:考虑轨道几何不平顺的情况下,轮轨接触点的分布范围和概率随着磨耗和型面变化而变化,钢轨表面磨耗和内部疲劳损伤分布范围均加宽,而损伤速率降低.预测得到800 m曲线半径外轨在裂纹萌生前的平均磨耗发展率为3.813 1μm·万次~(-1),相较未考虑不平顺的结果降低了15.92%.裂纹萌生寿命预测结果为318 292次,相较未考虑不平顺的预测结果增大了14.66%.裂纹萌生点的位置比未考虑不平顺时略远离钢轨中心.     

滚动接触作用下钢轨表面裂纹扩展机理分析

为了分析车轮纯滚动接触作用下的钢轨表面裂纹扩展机制,建立含表面裂纹的轮轨滚动接触疲劳计算模型,获得15t轴重作用下钢轨表面裂纹长度由0.1mm扩展到2.0mm全过程的裂纹尖端应力强度因子变化规律.基于复合型断裂准则和Paris疲劳扩展理论,分析钢轨表面裂纹扩展规律.分析结果表明:在微裂纹扩展至可见裂纹阶段,钢轨表面疲劳裂纹属于Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹;随着裂纹长度增加,应力强度因子K_Ⅰ先迅速增加,然后逐渐减小,而KⅡ在裂纹扩展全过程中呈增加趋势;裂纹萌生与扩展初期以张开型为主,随着裂纹长度增加,其扩展形式向滑开型转变;当裂纹扩展至0.3~0.5mm间时,倾向于向上扩展导致剥离掉块,该扩展趋势与现场服役钢轨剥离路径较为一致.     

轴承钢硬切削表面残余应力对滚动接触界面疲劳寿命的影响

为了预测轴承钢硬切削表面残余应力对滚动接触寿命的影响规律,基于高级非线性有限元分析软件MARC,建立了具有平面应变特征的二维滚动接触寿命预测模型,并在二维有限元模型的表面和次表面对应施加了轴承钢硬切削实验所测残余应力,模拟计算典型服役条件下的滚动接触应力;采用基于S N寿命理论的Miner法则,计算轴承钢滚动界面的疲劳接触寿命,分析了在不同摩擦系数、滚动接触频率和外加载荷工况下,硬切削残余压应力对疲劳寿命的影响.结果表明,硬切削残余压应力可使轴承钢的滚动接触疲劳寿命提高10％~30％.其中,载荷对滚动接触疲劳寿命影响最大,摩擦系数的影响最小.     

钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗共存预测方法验证

采用小比例轮轮滚动接触疲劳试验再现钢轨裂纹萌生和磨耗过程，根据钢轨裂纹萌生和磨耗共存预测方法结合试验条件建立相应的预测模型，分别对试验和仿真预测的钢轨试样磨耗、裂纹萌生寿命和启裂角度等进行比对，从而验证钢轨裂纹萌生和磨耗共存预测方法。研究发现：当试样萌生裂纹时，有53.8%的试样经历了2个磨耗阶段，平均磨耗发展率约为5.83 μm·10^-4次^-1；预测的试样在萌生裂纹前经历了2次磨耗阶段，平均磨耗发展率约为5.18 μm·10^-4次^-1，较试验结果低约11.1 %；试验中试样裂纹萌生寿命在6×10⁴ ~ 14×10⁴次范围内，且裂纹长度在荷载循环次数在11×10⁴ ~ 12×10⁴次时达到极大值，预测的裂纹萌生寿命为11.1×10⁴次，基本与试验结果中裂纹萌生时出现极大值的试样所对应的荷载作用次数接近。试验观测到试样表面裂纹开口与滚动方向的角度平均值约为45°；仿真预测的裂纹开口与滚动方向的角度平均值基本与观测到的裂纹开口与滚动方向的角度一致。     

考虑材料塑性变形的高速道岔心轨裂纹萌生预测

根据高速铁路18号单开道岔钢轨设计廓形，考虑车轮逆向-侧向通过翼轨?心轨时轮载转移引起的冲击荷载和材料塑性变形，将心轨塑性变形结合到裂纹萌生和磨耗共存发展预测方法中，预测了心轨裂纹萌生。分析发现，心轨顶宽35~40 mm为承受轮载转移的最不利位置；该位置的表面材料在冲击荷载下发生塑性变形，其应力应变明显降低，直至在一定轮载次数下达到稳定状态，这时的最大塑性变形量为0.087 5~0.092 5 mm，延缓了疲劳裂纹的萌生；心轨疲劳损伤最大值位于轨头亚表面，顶宽35和40 mm处的裂纹萌生区域分别在心轨表面垂直向下1.2和1.5 mm、从轨顶中心水平向工作边一侧4~5 mm和1~2 mm的位置。疲劳裂纹萌生寿命分别为1.63×10⁶ t和3.97×10⁶ t。     

轮轨滚动接触问题的研究现状

随着高速铁路的不断发展,轮轨滚动接触问题愈加突出,因此,倍受国内外学者的关注。轮轨滚动接触问题涉及的范围较广且较为复杂,并在一定程度上引发轮轨的疲劳损伤和波浪形磨损等破坏形式。基于理论分析和试验研究两个方面,着重对轮轨滚动接触的发展历史和研究现状进行了总结和分析,并综述了轮轨滚动接触疲劳和钢轨波浪形磨损的研究现状。从现有的研究成果来看,轮轨滚动接触理论已相对较为完善,而对于高速铁路轮轨滚动接触疲劳损伤的形成机理研究仍未形成系统的理论体系。     

高速动车组车轮型面多目标优化镟修

提出一种新的高速动车组车轮型面优化镟修方法,以与车辆系统动力学中的临界速度、影响轮轨系统磨损接触疲劳的接触应力和车轮名义滚动圆直径大小相关的三个函数为目标函数,以车轮外形曲线控制点的纵坐标为设计变量,样条曲线控制点的纵坐标上下界作为曲线的附加条件,以车轮型面的轮缘高、轮缘厚、接触角参数及样条曲线的导数作为车轮外形的几何约束参数,建立了高速动车组车轮型面多目标优化镟修模型.优化结果表明:基于多目标优化镟修模型,可以使得磨耗后的车轮不必镟修到标准型面就可以达到接近于标准型面时的综合性能,并且减少了车轮外形的镟修量,延长了车轮的使用寿命.     

扭转条件下过渡圆角半径及径比对圆轴疲劳寿命的影响

提出应用局部应力应变法计算疲劳寿命的原理.建立不同圆角半径和径比圆轴的有限元计算模型,利用ANSYS软件计算纯扭转条件下过渡圆角处的局部应力、应变;应用局部应力应变法计算对称循环载荷谱下的疲劳裂纹萌生寿命;绘制寿命随圆角半径和径比变化的曲线图.计算分析结果表明,疲劳裂纹的形成寿命随着过渡圆角半径的变大而增长,随着径比的增大而呈下降趋势,径比越大,过渡圆角半径越小,疲劳裂纹的形成寿命越短.     

铝合金车轮弯曲疲劳寿命的仿真分析与试验研究

该文运用有限元分析软件ABAQUS,对某铝合金车轮旋转弯曲疲劳寿命进行了仿真分析,得出易于产生疲劳裂纹的应力集中点及其最大应力值。其次,采用疲劳寿命名义应力法建立了铝合金车轮的S-N曲线,计算应力集中点的应力幅与平均应力,将等效应力幅取对数代入S-N曲线,预测所分析铝合金车轮的疲劳寿命。最后,进行了改进前后铝合金车轮的旋转弯曲疲劳台架试验,验证了仿真结果。分析表明,名义应力法可以较好预测铝合金车轮的疲劳寿命。     

动车组运营下轨道参数对小半径曲线钢轨侧磨影响研究

为减缓动车组运营下小半径曲线外股钢轨侧磨,延长钢轨使用寿命,利用SIMPACK软件建立了小半径曲线轮轨磨耗仿真模型。仿真分析了超高、轨距、钢轨表面摩擦系数及轨底坡对动车组通过时小半径曲线外轨所受横向力、导向轮冲角及轮轨磨耗指数的影响规律。研究结果表明:钢轨表面摩擦系数及轨底坡对小半径曲线外轨侧磨影响较大,适当降低钢轨表面摩擦系数可以较大程度上降低曲线外轨所受横向力及磨耗指数;调整外轨轨底坡至1∶20,内轨轨底坡至0,对曲线外轨所受横向力及导向轮冲角影响较小;但对轮轨磨耗指数影响较大,有利于减小曲线外轨侧磨。根据研究结果,针对某动车所小半径曲线制定了减磨方法;并对改造后曲线进行了轮轨力测试和钢轨廓形测试。测试结果表明,减磨方法效果明显,可延长曲线外轨服役寿命3倍以上。     

重载货车-固定辙叉动态与静态接触性能分析

针对重载铁路固定辙叉磨耗问题,应用动力学理论与有限元方法,分别建立C80货车-固定辙叉系统耦合动力学模型与轮叉弹塑性接触模型,分析重载货车-固定辙叉动态与接触性能。应用SIMPACK软件建立动力学模型以模拟C80货车通过75kg/m钢轨12号道岔,计算结果表明：固定辙叉最大磨耗功率随着速度的提升迅速增大,车轮从翼轨向心轨过渡将对心轨产生冲击,而且速度越高冲击力越大。应用HYPERMESH软件,建立三维弹塑性有限元接触模型,计算分析在标准75kg/m钢轨12号道岔固定辙叉不同位置处与标准货车LM型面车轮的接触状态。在模型中分别施加动载垂向力与静载轴重,进行计算,与静载轴重相比,动载垂向力作用下的最大等效应力剧增。综上所述,建议C80货车通过固定辙叉时严格控制在50km/h范围内。     

考虑油膜阻力的直线滚动导轨副摩擦力建模与试验

为了准确预测直线滚动导轨副的摩擦力大小及受影响因素,本文考虑导轨副的流体润滑状态,基于Hertz接触理论研究了直线导轨副摩擦力受滚珠接触角和预紧力的影响规律.基于接触理论建立了直线导轨滑块的受垂直载荷的静力学平衡方程.利用Hertz接触理论分析直线滚动导轨受外力时各列滚珠接触力的变化情况,并结合对临界载荷的分析,建立了随外载荷变化的考虑润滑油膜阻力的直线滚动导轨副摩擦力模型.以国产某型号直线滚动导轨副为研究对象,对所建立的受载摩擦力模型进行试验验证.通过试验数据与理论数据的分析和对比,验证了润滑油膜阻力、接触角和预紧力等因素对直线导轨副摩擦力的影响规律.研究表明,直线滚动导轨副摩擦力在润滑条件下,受接触角变化和预紧力退化的影响呈现有规律的变化.