FRICTIONAL TEMPERATURE ANALYSIS OF TWO-DIMENSIONAL ELASTO-PLASTIC WHEEL-RAIL SLIDING CONTACT WITH TEMPERATURE-DEPENDENT MATERIAL PROPERTIES 1)

轮轨滑动接触温升的准确预测对于轮轨的磨耗和疲劳研究均具有重要意义. 目前的轮轨温升解析或半解析模型通常考虑Hertz弹性接触压力分布和单一材料属性的温度相关性, 与实际的轮轨传热状态尚有一定偏差, 因此在轮轨滑动温升计算模型中考虑接触压力的塑性修正和多种材料属性的温度相关性, 有望提高温升预测结果的准确性. 基于弹塑性接触理论, 同时考虑热导率、比热容和摩擦系数的温度相关性, 通过基尔霍夫变换方法以热导率温度相关性函数的积分作为待求量, 将复杂的非线性Fourier导热方程转化成含单个变系数的简单偏微分方程形式, 从而构建了一种不限制材料温度相关性函数形式的统一隐式差分求解格式, 分别讨论了对流换热系数、法向载荷、蠕滑率以及行车速度对钢轨表面滑动温升的影响. 结果表明, 当列车高速行驶时, 对流换热系数对轮轨滑动温升的影响甚微; 蠕滑率和行车速度的增大, 均会引起摩擦功率的增大, 进而导致钢轨表面温度的升高; 钢轨表面滑动温升的峰值随法向载荷的增大而近似线性上升. 此外, 在轮轨滑动温升计算模型中考虑材料属性的温度相关性可有效避免对滑动温升的过分高估, 且摩擦系数的温度相关性对温升的影响要显著强于热导率和比热容.     

轮轨滚动摩擦温升分析

利用有限元法,考虑轮轨间非稳态热传导、与环境的热对流以及热辐射的影响,建立了轮轨滚动接触热耦合计算模型来模拟轮轨滚滑摩擦温升;在模拟轮轨纯滑动条件下,计算分析了由磨损引起的滑动接触斑的尺寸增大对轮轨温度场的影响;在模拟轮轨接触斑部分滑动工况时,针对不同蠕滑率、摩擦系数以及轴重对轮轨温度场的影响进行了相应的计算分析.结果表明:接触斑材料的磨损速度只影响磨损过程中的温度场分布,其稳态温度场分布基本一致;热载荷随着纵向载荷、蠕滑率以及摩擦系数的增大而增大,进而影响轮轨滚动接触热疲劳.     

热对流条件下考虑球形夹杂分布的材料热弹接触摩擦热影响分析

机械传动关键活动零部件接触副往往受到力载荷和摩擦热载荷的耦合作用，使得接触界面间的接触力学行为的分析变得极其复杂. 利用基于等效夹杂方法建立的考虑热对流非均质材料热弹接触力学分析模型研究不同摩擦系数、夹杂位置和材料属性等参数对材料表面及内部温升及热应力分布影响规律. 此外，进一步分析了接触副材料中含分布球形夹杂时摩擦热造成的影响. 结果表明:接触副表面温升梯度受热对流系数的影响较大；下表面温升和热应力随摩擦系数增大而增大；分布夹杂则将接触副材料下表面温升及热应力分布变得更为复杂.      

轮轨横向接触过程时域计算模型的建立与分析

为研究轮轨横向接触过程稳定性对曲线啸叫噪声的影响,利用改进的新型摩擦系数模型计算了轮轨接触面上的摩擦力变化,在考虑车轮横向、垂向动力学特性的基础上建立了轮轨横向接触系统时域模型。针对S型辐板辗钢整体车轮分析了横向蠕滑量和车轮阻尼对该系统的稳定性影响。结果表明,轮轨接触面上动静摩擦力之间的落差引起的粘滞一滑动形式的自激振动是引起曲线啸叫噪声的主要原因,增大车轮模态阻尼使其大干等效阻尼的临界值,或减小轮轨问横向蠕滑量使其小于0．0024可以使系统稳定,轮轨间的垂向刚度和阻尼会使系统不稳定频率与车轮模态频率产生偏移。     

滑动轴承二维动态摩擦接触的分析研究

应用边界单元法研究了滑动轴承动态摩擦时的接触力学性质,揭示了接触压力分布的不对称性;讨论了载荷,摩擦系数等因素对不对称性的影响,认为摩擦系数可使峰值接触压力降低和接触面积增加,增大载荷会使接触压力分布的不对称性更为明显,接触压力分布的不对称意味着磨损分布的不对称。同时分析了实际工作中滑动轴承摩擦副间的当量摩擦系数,指出在滑动试验研究中应采了当量摩擦系数。     

谐波型波磨激扰下轮轨系统接触蠕滑特性

将钢轨波浪形磨耗理想化为三种波长和波深组合的连续谐波激扰，通过多体动力学软件UM，分析不同波长和波深工况下谐波激扰对轮轨接触蠕滑特性的影响。研究表明，当波长固定、波深增大时，钢轨轮对垂向振动加速度和纵向蠕滑率/力的平均值均增大，横向蠕滑率/力平均值均减小。当波深固定、波长增大时，钢轨轮对垂向振动加速度平均值和纵向蠕滑率/力平均值均减小，横向蠕滑率/力平均值均增大。纵横向蠕滑率/力均含有与初始不平顺频率值相接近的特征频率成分，纵向蠕滑率/力特征频率随着波深的增大趋向高频段发展，横向蠕滑率/力特征频率集中在低频段，且随着波深增大逐渐减小。当波深为0.3 mm时，纵横向蠕滑率/力强度相当，能量主要集中在低频，频率比较单一；当波深达到0.6 mm和0.9 mm时，蠕滑率/力以纵向蠕滑率/力为主，表现出多频率特征。在波长相同的条件下，随着运营时间的增加，磨耗量在低频段增加较小，在中高频段增加较大。     

表面形貌对滑动接触界面摩擦行为的影响

为了研究表面形貌对拉延形成的滑动接触界面摩擦行为的影响,设计了一种新型的摩擦试验装置.在油润滑条件下,针对具有单向沟槽、规则圆形凹坑和随机表面的铝合金试样,以不同滑动速度与接触压力进行一系列摩擦试验.利用非接触式三维轮廓仪测量出试验前后试样的三维表面形貌参数,并选取表面高度算术平均偏差Sa,表面支承指数Sbi,中心区空体体积Vvc和谷区空体体积Vvv来分析滑动接触界面表面形貌的变化规律.结果表明:规则圆形凹坑表面比单向沟槽表面和随机表面具有较低的摩擦系数;在相对低的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而减小,但在高的接触压力下,3种表面的摩擦系数随着接触压力的增大而增大;在接触压力一定的情况下,3种表面的摩擦系数对滑动速度有显著依赖性;表面形貌、滑动速度和接触压力是影响滑动接触界面摩擦行为的重要因素.     

全制动工况下轮轨热-机耦合效应的分析

采用有限元法从摩擦热效应角度探寻轮轨表面破坏的原因,建立了轮轨热-机械载荷耦合接触模型,分析纯滑动接触过程中轮轨的温升以及热应力,模型中考虑了轮轨间非稳态热传导、与环境的热对流和热辐射以及轮轨间的接触计算,分析了滑动接触过程中应力场的分布特点以及速度的影响.结果表明:所采用的接触算法能够求解二维轮轨全制动工况下的热接触问题;轮轨摩擦热效应只存在于表层,其影响随着深度增加而减小;轮轨的相对滑动速度越高,其热效应越明显.     

非稳态载荷下轮轨滚动接触及其钢轨波磨研究

利用有限元法,考虑材料反复滚压条件下棘轮效应和局部滑动的影响,研究了非稳态机车和车辆车轮载荷作用下轮轨滚动接触的弹塑性应力、应变和变形,进而分析了塑性流动型钢轨波浪形磨损的形成和发展过程以及波谷和波峰处材料的力学行为.结果表明:在非稳态载荷作用下,钢轨接触表面产生不均匀塑性变形引起的波磨,波磨发展速率呈衰减趋势,最终趋于稳定状态;在相同载荷下,与车辆车轮相比,机车车轮对钢轨波磨影响较大;波谷处的残余应力、应变和变形大于波峰处.     

两种型面轮轨滚动接触蠕滑率和摩擦功

采用数值分析方法详细分析了2种型面轮对与轨道在滚动接触过程中的接触几何、蠕滑率和摩擦功。在摩擦功分析计算中利用了Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论,并考虑了轮轨的结构变形的影响。分析计算表明,在轮对运动相同的情况下,磨耗型轮对与轨道之间的蠕滑率和摩擦功与锥型轮对轨道之间的蠕滑率和摩擦功相差甚大。数值分析结果表明,现行铁路中正在推广使用的磨耗型轮对并不能减少轮轨接触表面之间的磨损,磨损型车轮的型面与钢轨尺寸的匹配还有待进一步改进。     

磁头/磁盘滑动接触下磁盘温度及热退磁临界条件的研究

采用二维轴对称有限元模型计算磁头/磁盘滑动接触下,铝质磁盘的稳态温度和热应力场以及热退磁临界条件.结果表明:磁盘温度在极短时间内升至摩擦稳态值,然后缓慢线性升高到最终稳态值;经过充分热传导和热交换后磁盘的温度梯度较小,此时磁层内的热应力集中分布于磁盘固定端边缘附近;磁盘的稳态温度和热应力均随速度增大而增大,且载荷越大其值增大越快;热应力小于1.2 GPa时所对应的速度和载荷为安全工况;温升大于373 K时所对应的工况将导致磁盘退磁.     

Exact formulae for determination of the mean temperature and wear during braking

This paper deals with the one-dimensional transient heat conductivity contact problem of a sliding two semi-spaces, which induces effects of friction, heat generation and water during braking. In the present temperature analysis the capacity of the frictional source on the contact plane dependent on the time of braking. The problem solved exactly using the Laplace transform technique. Numerical results for the temperature are obtained for the different values of the input parameter, which characterise the duration of the increase of the contact pressure during braking from zero to the maximum value. An analytical formulae for the abrasive wear of the contact plane is obtained in the assumption, that the wear coefficient is the linear function of the contact temperature. Received on 8 September 1998     

混合润滑下螺旋锥齿轮抗胶合能力分析

针对螺旋锥齿轮重载下热胶合失效问题，对螺旋锥齿轮在混合润滑条件下的摩擦热行为进行分析. 通过混合弹流润滑数值计算方法和基于有限元的热分析方法，综合考虑螺旋锥齿轮的表面粗糙度、载荷分担、速度矢量和真实接触几何等因素建立点接触混合润滑分析模型，计算啮合轨迹上的连续摩擦系数变化和摩擦热流率，采用有限元分析软件进行齿面热载荷的加载，考虑轮齿导热和齿面与环境的热对流，分析轮齿本体温度场分布和啮合过程中闪温变化. 根据齿面最大接触温度与国际标准ISO 6336-20中齿轮抗胶合能力计算方法进行比较分析. 结果表明:有限元热分析得到的齿面温度与ISO所得变化规律十分接近，其最大温度低于ISO标准计算温度，使用ISO标准计算出螺旋锥齿轮抗胶合安全系数小于有限元法. 在混合润滑下求解的齿面热流率和温度变化，并且考虑了齿轮热传导和热对流影响，从理论上来说有限元法更加符合实际工作情况. ISO方法在处理上述问题以及计算本体温度上仍有不足，但其在齿轮抗胶合能力校核上具有广泛的适用性，可考虑结合有限元热分析法解决传热问题同时进行抗胶合能力综合评价.      

粗糙表面的弹塑性接触研究

建立了综合载荷作用下粗糙表面弹塑性接触的确定性模型,考虑了微凸峰接触的弹塑性变形阶段,数值求解得到实际接触面积、压力分布和微凸峰塑性形变.分析了实际接触面积与法向载荷的关系,并研究了点接触的椭圆参数对上述关系的影响.建立了结点增长模型,分析了结点增长与滑动摩擦系数的关系以及滑动摩擦系数随椭圆参数的变化.结果表明:随着法向载荷增大,实际接触面积与法向载荷之间的非线性关系愈加显著;椭圆参数越大,实际接触面积越小,选择较小的椭圆参数可降低平均接触压力;结点增长的速率随滑动摩擦系数增大而增大;表面剪切作用力使最大Mises应力值升高,疲劳裂纹的发生源向表面靠近;重载时选择较小的滚动轴承沟曲率半径系数有利于减小摩擦功耗.     

考虑摩擦系数和微凸体相互作用的粗糙表面接触热导分形模型

基于三维分形理论，建立了考虑摩擦系数和微凸体相互作用的粗糙表面接触热导分形模型，并且考虑了微凸体的弹性变形、弹塑性变形和完全塑性变形. 通过该模型，分析了摩擦系数、分形维数、分形粗糙度和接触载荷对热接触热导的影响. 研究结果表明:接触热导随着摩擦系数和分形粗糙度的增大而减小，随着分形维数和接触载荷的增大而增大. 该研究为开展接合面的热传递提供了一定的理论基础.      

Experimental study on the temperature evolution in the railway brake disc

Increasing operating speed of modern passenger railway vehicles leads to higher thermal load on the braking system. Organic composite brake pads are poor thermal conductors, hence frictional heat is absorbed mainly by the disc. In this study three brake pad types were tested on the dynamometer. Metallic fibres, steel and copper, were introduced to the formulation of two materials. The third was a non-metallic material-a reference case. Dynamometer test comprised emergency brake applications to determine the frictional characteristics of the materials and constant-power drag braking to analyse the effect of metal fibres on temperature evolution,measured by six thermocouples embedded in the brake disc. Mean friction coefficient is analysed and discussed. It is concluded that conductive fibre in the friction material formulation may influence its tribological characteristics. Despite high thermal conductivity, metal fibres in the concentration tested in this study, did not reduce temperature of the brake disc.     

Thermo-mechanical response of tension panels under intense rapid heating

The temperature dependence of the fracture strength of 7075-T6 aluminum alloy was determined under rapid heating (0.02–.50 sec) conditions by exposing thin-section specimens to intense surface irradiation while under constant tensile load. When combined with a numerical thermal analysis and an appropriate limit analysis, these data enabled accurate prediction of the heating time required to produce ductile fracture in spot irradiated tension panels. The transient heat transfer model employed in the computations incorporated material removal due to melting, temperature-dependent material properties, and convection/radiation losses.