钢轨-磨石相互作用的摩擦学模拟试验研究

设计了新型钢轨打磨摩擦试验机,实现了钢轨-磨石相互作用的摩擦学模拟试验,研究了不同打磨参数下的钢轨-磨石界面的摩擦系数、表面粗糙度、磨损量及硬度等变化情况.结果表明:随磨石粒度增加,打磨钢轨表面粗糙度和磨损量呈减小趋势;增加磨石转速导致摩擦系数和表面粗糙度减小,打磨钢轨磨损量和表面硬度增加;随打磨压力增加,摩擦系数和表面粗糙度呈减小趋势,但磨损量和表面硬度增加;打磨钢轨表面存在明显的犁沟,随磨石粒度减小犁沟变宽;所设计钢轨打磨摩擦试验机可用来评价不同参数下钢轨-磨石界面相互作用的摩擦学行为.     

三种钢轨材料与车轮匹配时滚动磨损与损伤行为

利用WR-1轮轨滚动磨损试验机研究了U71Mn、PD3、PG4三种钢轨与AAR-B车轮材料匹配时的滚动磨损与损伤性能.结果表明:不同钢轨材料的微观组织结构明显不同,钢轨硬度对轮轨滚动摩擦系数基本无影响;随钢轨硬度增加,钢轨磨损率减小,车轮磨损率增大,轮轨系统总磨损率先减小后增大.随试验时间增加,不同钢轨试样的硬化率趋于一致,车轮试样硬化率随钢轨试样硬度的增加而变大,轨轮硬度比随试验时间增加趋于相同.钢轨材料对轮轨试样表面损伤形貌有一定影响,随钢轨硬度增加轮轨表面犁沟现象明显,钢轨试样表面剥落损伤减轻且塑性变形层变薄,出现了明显的疲劳裂纹损伤,钢轨硬度增加导致车轮试样表面剥落加重且塑性变形层变厚;轮轨试样表层出现明显的白层现象,且车轮试样的白层更厚.     

车轮材料特性对轮轨磨损与疲劳性能影响的研究

在MMS-2A滚动摩擦磨损试验机上进行不同材料车轮与U75V热轧钢轨的匹配试验,研究材料特性对轮轨试样磨损与疲劳性能的影响.结果表明:随着车轮碳含量增加,组织中珠光体比例增加,珠光体中渗碳体片层间距减小,硬度增大;随着轮/轨硬度比增大,车轮表层的塑性变形层厚度逐渐减小,对摩副钢轨塑性变形层厚度呈现先增大后减小的趋势;车轮试样磨损形式由小剥离掉块向大剥离掉块转变,钢轨磨损机制由材料表层的轻微剥落向深层剥落磨损转变;提升车轮的硬度,轮轨表面的疲劳裂纹长度减小;且随着车轮硬度的增大,钢轨表面萌生的疲劳裂纹的末端扩展角度有增大的趋势,使钢轨的疲劳裂纹更容易向材料心部扩展.     

单点修整工具磨损对砂轮磨削表面的影响

在磨削加工过程中,砂轮表面的切削刃分布情况与磨削工件表面特征直接相关,而砂轮表面特征又与修整过程相联系,为研究单点金刚石笔的磨损和修整参数对磨削工件表面的影响,利用数值模拟和试验测量的方法揭示了砂轮修整及磨削过程,在修整重叠率为3时,讨论了修整参数与工件表面形貌特征的关系,并获得金刚石笔的磨损对磨削表面的影响.结果表明:金刚石笔初期修整阶段,磨削工件表面的峰谷分布明显具有规律性,其0.12 mm的变化周期完全为修整导程的复映;金刚石笔磨损后,工件截面曲线特征的规律性减弱,测量的表面粗糙度由0.52μm减小到0.38μm,最后导致工件表面烧伤;若调整修整导程保持原重叠率,则表面粗糙度增大为0.81μm.     

单晶硅高速磨削亚表层损伤机制的分子动力学仿真研究

运用分子动力学仿真模拟高速磨削下单颗金刚石磨粒切削单晶硅的过程,通过分析切屑、相变、位错运动并结合工件表面积的演变规律研究磨削速度对亚表层损伤和磨削表面完整性的影响.仿真结果显示:磨削速度的增大会加剧磨粒前端材料的堆积,超过200 m/s后增加不再明显.而加工区域的平均温度通过原子之间的挤压和摩擦会不断增大.在磨削温度、磨削力以及粘附效应的相互作用下,摩擦系数先增大后减小.晶格的变形、晶格重构和非晶相变导致切屑形成过程中的磨削力剧烈波动.研究结果表明:在加工脆性材料单晶硅过程中,随着磨削速度的升高亚表层损伤厚度先减小后增大.当磨削速度低于150 m/s时,随着磨削速度的升高,磨粒下方的原子晶格重新排列的时间缩短,非晶结构的产生减少,亚表层损伤厚度减小.当磨削速度超过150 m/s时,加工区域中的高温成为主导因素促进位错的成核、运动致使亚表层损伤厚度增大.     

海底天然气水合物绞吸式开采绞刀切削力特性

根据绞刀头结构和工作原理以及天然气水合物沉积物的物理特性，建立切削天然气水合物沉积物的有限元模型，运用ANSYS/LS-DYNA仿真软件和Drucker-Prager材料模型模拟绞刀切削海底天然气水合物沉积物的过程，分析绞刀切削过程沿水平、竖直和转轴方向的受力特点，仿真分析绞刀横移速率、转速、下放角和切削区间角对切削力的影响规律。结果表明，增大横移速率会导致绞刀三个方向受力明显增大；转速提高会降低绞刀三个方向的切削力，随着转速增加，绞刀切削力的减小趋于平缓；绞刀下放角的增大会使绞刀轴向受力急剧增加，影响采矿车工作平稳性；随着切削区间角的增大，绞刀X轴方向力先增大后减小，工作时采用较大的切削区间角，可提高切削效率和采矿车工作稳定性。     

钢轨横向不均匀支撑刚度对钢轨波磨的影响

建立了钢轨波浪形磨损计算模型，模型中考虑车辆轨道垂向横向耦合动力学行为、轮轨三 维滚动接触力学行为和轮轨材料摩擦磨损的循环相互作用关系. 发展了相应的计算程序，并 用1: 1试验装置验证了理论模型. 详细分析了实际线路上由轨枕离散支撑导致的钢轨横向不均匀刚度和不同行车速度对曲线钢轨接触表面不均匀磨损的影响. 通过数值分析可知： (1)列车通过曲线钢轨时，轨枕离散支撑导致的钢轨横向不均匀刚度易引发曲线钢轨波磨的形 成和发展；(2)这类钢轨波磨具有与轨枕间距几乎相等的波长和28~35mm的短波长，这个短波长不均匀磨损主要是由轮轨高频接触振动引起；(3)同一个转向 架4个车轮作用下形成的钢轨波磨最大深度波谷的分布是不同的；(4) 改变过车速度不能有效地抑制轨枕离散支撑导致的钢轨波磨形成和发展速度.     

煅烧石油焦及六方氮化硼对摩阻材料摩擦磨损性能的影响

在酚醛树脂基摩阻材料中分别添加煅烧石油焦（CPC）及六方氮化硼（hBN）作为摩擦改性剂，研究了2种摩擦改性剂对酚醛树脂基摩阻材料的力学性能和摩擦磨损性能的影响，通过热失重试验分析了复合材料的耐温性能，并利用扫描电子显微镜观察复合材料的磨损表面形貌．结果表明：当hBN体积分数为10％～15％时，摩阻材料与树脂基体的粘接强度最强且能够明显降低复合材料的硬度，有助于在摩擦界面生成均匀牢固的润滑膜而起到降低磨损率、稳定摩擦系数的作用；当hBN体积分数超过15％时，由于hBN过饱和及其与树脂基体的相容性差，导致摩阻材料机械强度下降，磨损率增大；随着CPC含量增加，摩阻复合材料的机械强度增加，摩擦磨损性能降低；CPC和hBN的体积分数为12％时能够不同程度地提高摩阻材料的耐温性能及降低其对速度和载荷的敏感性，且含12％hBN摩阻材料的热稳定性最佳，其摩擦磨损性能对速度和载荷的敏感性最小，     

基于BP神经网络的V9-Cr4-Mo3高速钢冷轧辊磨损模型

利用自制轧辊模拟磨损试验机测试了6种不同碳含量的V9Cr4Mo3高速钢轧辊的磨损性能，利用BP神经网络建立了磨损量与碳含量和磨损时间的非线性关系模型．结果表明：良好训练的BP网络模型可以有效预测不同碳含量的V9Cr4Mo3高速钢轧辊的磨损性能．结果表明：碳含量约为2．58％时，高速钢基体组织主要为高硬度和高韧性的板条马氏体，可以有效抵御轧制过程中的疲劳和显微切削，耐磨性最佳；当碳含量过低时，高速钢基体为低硬度的铁素体，显微切削为轧辊的主要磨损机制，而碳含量过高时，其基体主要为韧性较差的片状马氏体，轧辊以疲劳磨损为主，二者均导致轧辊耐磨性下降．     

几种不同硬度材料的滑动磨粒磨损特征

在工程应用的许多场合中，往往同时存在着磨粒分别在表面滚动与滑动造成的两种磨损形式；因此，滑动磨粒磨损也是一种常见现象，但目前所悉对其研究的文献报道却还甚少。通过往复式滑动磨损试验机对几种不同硬度材料与ＳｉＣ磨粒配磨时的滑动磨粒磨损研究发现，在给定的试验条件下，材料的表面硬度是影响耐磨性的主要因素。当材料的表面硬度高于７３４ＨＶ时，其耐磨性对硬度变化的敏感性很大。例如，当硬度从７３４ＨＶ仅增加到８３０ＨＶ时，材料的耐磨性就可以提高近一倍，但磨报表面粗糙度却略有增大。此时的磨损机制为微切削．在材料的表面硬度低于７３４ＨＶ时，硬度对材料耐磨性的影响较小，如在硬度从３１７ＨＶ增大到７３４ＨＶ的情况下，耐磨性仅能提高约５０％，但磨损表面粗糙度的降低很快，此时的磨损机制以微切削为主，还伴随有应变疲劳剥层。因此，在许多工程应用中，追求材料表面的高硬度是获得理想使用寿命的关键。     

钢轨打磨磨痕粗糙度与交叉磨痕对滚动接触疲劳损伤的影响

利用砂纸在钢轨试样表面打磨出不同粗糙度等级(1、4和7 μm)的单向磨痕和交叉磨痕(?45°/70°、?20°/90°和45°/70°),利用MMS-2A轮轨摩擦磨损试验机对打磨后的钢轨试样进行滚动试验并分析滚动接触疲劳损伤规律. 结果表明:打磨钢轨的滚动磨损表面粗糙度和损伤均比未打磨钢轨严重,随打磨磨痕粗糙度增加,钢轨滚动磨损表面粗糙度和损伤均呈减小趋势. 当打磨粗糙度为7 μm时,滚动接触疲劳裂纹为枝裂纹,裂纹深度较小;随打磨粗糙度减小,枝裂纹发生贯穿连通形成网状裂纹损伤,裂纹深度增加. 相较于单向打磨钢轨,交叉打磨磨痕钢轨滚动磨损表面粗糙度较低,滚动接触疲劳损伤较轻微. 此外,?45°/70°和45°/70°交叉磨痕的滚动损伤比?20°/90°交叉磨痕钢轨更加轻微.      

金刚石锯片在锯切过程中的受力与失效分析

对金刚石锯片在锯切过程中的受力及弧区内直接参与切削的金刚石数量进行了测量和估算,并分析了节块表面抛光和微破碎金刚石比例与锯片寿命和效率之间的关系,结果表明：单颗粒金刚石的受力远低于其静压强度;其低强度失效的原因是锯切过程中金刚石晶体内产生的热应力。     

Thermal stresses and shakedown in wheel/rail contact

Summary  Sliding friction between railway wheels and rails results in considerable contact temperatures and gives rise to severe thermal stresses at the surfaces of the wheels and rails. An approximate analytical solution is presented for a line contact model. The increased bulk temperature of the wheel after a long period of constant operating conditions is also taken into account. The thermal stresses have to be superimposed on the mechanical contact stresses. They reduce the elastic limit of the wheel and rail, and yielding begins at lower mechanical loads. When residual stresses build up during the initial cycles of plastic deformation, the structure can carry higher loads with a purely elastic response in subsequent load cycles. This phenomenon is referred to as shakedown. Due to the distribution of temperature, the rail surface is generally subjected to higher stresses than the wheel surface. This can cause structural changes in the rail material and hence rail damage. Received 7 May 2002; accepted for publication 3 September 2002     

粗集料对超高性能水泥基材料动态力学性能的影响

采用大掺量超细工业废渣取代水泥、最大粒径为2.5 mm的天然砂取代粒径为600 m的磨细石英砂,并掺加了最大粒径为10 mm的高弹高强粗集料,制备出抗压强度达200 MPa的超高性能水泥基复合材料。并采用分离式霍普金森压杆装置对不同纤维掺量的钢纤维增强超高性能水泥基复合材料（ultra-high performance steel fiber reinforced cementitious composites, UHPSFRCC）试件进行了高速冲击压缩实验,研究了应变率和纤维掺量对该材料抗冲击性能的影响规律及粗集料发挥的作用。结果表明,UHPSFRCC的抗冲击能力随纤维掺量的增加而增强;动态强度随应变率的提高相应地增大;动态性能因掺入用作粗集料的玄武岩碎石而得到了相应的改善。还分析了超高性能水泥基复合材料具有高动态性能的机理。     

干-水态下圆形硌伤对钢轨材料滚动接触疲劳特性影响

采用布氏硬度仪在钢轨试样表面制得不同尺寸的圆形硌伤,利用MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机研究了未硌伤和硌伤钢轨的表面硬度、磨损量及滚动接触疲劳损伤特性.结果表明:与未硌伤钢轨相比,硌伤钢轨的表面硬度和磨损量都有所增加;随硌伤尺寸增加,钢轨磨损量与硬度随之增大.较小尺寸的硌伤坑(1.6 mm)有助于减轻硌伤处疲劳裂纹的产生,硌伤坑超过临界值(2.0 mm)则会加重硌伤区附近疲劳裂纹的萌生并导致支裂纹和垂向裂纹的出现.未硌伤钢轨疲劳裂纹以沿晶扩展为主,大尺寸硌伤钢轨试样的疲劳裂纹呈现穿晶扩展现象.     

Measurement of residual stress in the weld overlay piping components

In general industry, especially in the nuclear industry, welding overlay repair is an important repair method mainly used to rebuild piping systems suffering from intergranular stress-corrosion cracking (IGSCC).The pipe surface is mechanically ground to obtain a smooth surface after the welding overlay repair. A better understanding of the effect of repair and grinding processes on the residual stresses at the surface of weld overlay is required. To obtain this understanding, it is necessary to measure directly the distribution of residual stresses on the specimen. It is expected that compressive residual stress should be induced at the inner wall surface of the pipe for prevention of IGSCC.The performance evaluation of welding overlay repair relies on whether or not the level and characteristic of the residual stress can be measured accurately. In this study, the hole-drilling strain-gage method, using the incremental drilling technique, was adopted to estimate the residual stresses on the inner and outer walls of the weld overlay pipe. The experimental results indicate that the residual stress at the pipe inner surface is compressive while that of the outer surface is tensile. Also, it is found that the depth affected by grinding is about 1.016 mm.     

Residual stresses near a rail end

Stress fields near a cut end of a rail containing longitudinal residual stress typical of roller-straightened rail were studied using analysis and a finite element model. For a self-equilibrating residual stress distribution with equal maximum and minimum stresses, the distance to reach 95% of the mid-rail residual stress field is from 0.7 to 1.8 times the rail height, with the finite element model predicting a length of 1.1 times the rail height. This gives a measure of the accuracy of the simpler analytical models. At the rail end, the longitudinal residual stress goes to zero, and the vertical residual stress near mid-web reaches a maximum of approximately 27 ksi (186 MPa) (1.35 times the maximum mid-rail longitudinal residual stress of 20 ksi, or 138 MPa). The maximum shear stresses are 6 ksi (41 MPa) and −8 ksi (−55 MPa) near the head-web and web-base intersections, respectively, approximately 2 in. (51 mm) from the end of a 7.3 in. (185 mm) high rail. The shear stress is zero at the cut end and in mid-rail. The worst possible end-crack is a horizontal web crack in the vertical residual stress field at the rail end. The stress intensity K_I on such a crack is estimated to reach 20 ksi√in. (22 MPa√m) for cracks 0.5 in. (13mm) long. This is already 0.4 to 0.8 times K_I for carbon and alloy rails, and about 0.5 times K_Ic for a long crack.     

Effect of rail corrugation on vertical dynamics of railway vehicle coupled with a track

The effect of rail corrugation on the vertical dynamics of railway vehicle coupled with a curved track is investigated in detail with a numerical method when a wheelset is steadily curving. In the calculation of rail corrugation we consider the combination of Kalker‘s rolling contact theory modified, a model of material loss on rail running surface, and a dynamics model of railway vehicle coupled with a curved track. In the establishment of the dynamic model, for simplicity, one fourth of the freight car without lateral motions,namely a wheelset and the equivalent one fourth freight car body above it, is considered. The Euler beam is used to model the rails and the track structure under the rails is replaced with equivalent springs, dampers and mass bodies. The numerical results show the great influence of the rail corrugation on the vibration of the parts of the vehicle and the track, and the some characters of rail corrugation in development.