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.     

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.      

U71MnK钢轨焊缝滚动接触磨损性能研究

对U71Mn K钢轨焊缝及母材在滚动接触疲劳条件下进行模拟试验,对比研究了钢轨焊缝及母材在滚动接触过程中的材料磨损演变行为.结果表明:以U71Mn K为基材的钢轨焊缝部位与非焊缝部位的磨损性能及组织结构在磨损前后均存在显著差异.由于组织结构和力学性能的差异,焊缝区硬度低于非焊缝区,焊缝区摩擦系数、磨损量、磨损率均大于非焊缝区.与非焊缝区相比,钢轨焊缝区容易产生犁沟乃至波磨,表面粗糙度增大,剥落损伤、裂纹、塑性变形严重,磨损性能变坏.无论焊缝区还是非焊缝区,其先前的磨损细化了组织,改善了其磨损性能,减弱了其后的摩擦损伤.     

转速对水环境下纯铜滚动载流摩擦损伤的影响

使用滚动载流摩擦试验机研究了水环境下转速对纯铜滚动载流摩擦性能和表面损伤的影响. 转速从30 r/min增至480 r/min,水下摩擦系数从1.06降低至0.49,且水下摩擦系数远高于干态摩擦系数;水下接触电阻从0.57 Ω升高至6.4 Ω,且水下接触电阻比干态下更高. 分析可能的机制如下:低转速时水主要表现出毛细作用,导致摩擦系数较高,材料表面发生明显的层片状剥落;高转速时水体现出部分润滑作用,摩擦系数降低,但“水压”作用导致材料表面发生疲劳剥落. 不同转速下疲劳损伤形式转变是摩擦系数降低和水压作用增强竞争的结果. 本文试验条件下表面损伤形式转变的临界转速在200~240 r/min之间. 载流摩擦表面发生了电化学氧化,但由于低转速表面剥落严重,导致表面O: Cu原子个数比较低,接触电阻较低.      

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.     

芳纶纤维增强酚醛树脂摩擦材料的磨损机理研究

对芳纶增强酚醛树脂摩擦材料在模拟制动工况下的磨损机理进行了系统的实验研究,结果表明：在试验工况下,两种摩擦材料在与铸铁偶件对摩时均呈现粘着磨损和塑性变形特征;在高速和高压条件下塑性变形加剧,摩擦材料磨损表面可见熔融迹象;摩擦副接触表面发生材料的相互转移,两种摩擦材料均可在偶件表面形成转移膜,且在高速和高压条件下转移膜更易形成;Kevlar纤维作为增强相可以有效地提高摩擦材料的摩擦稳定性,并降低摩擦系数;摩擦材料的磨损机理主要为擦伤作用、粘着磨损和塑性变形。     

激光离散处理车轮钢-钢轨钢摩擦副的摩擦学性能研究

将激光离散处理前后的车轮试样分别与钢轨试样匹配,利用滚动接触摩擦磨损试验机测试各摩擦副的摩擦系数和磨损率,研究激光离散处理对轮轨摩擦副滚动接触摩擦磨损性能的影响.结果表明:车轮试样经过激光离散处理后,其抗磨损性能大幅增加,对应的轮轨试样摩擦副的摩擦系数小幅增加,其对摩钢轨试样的磨损加剧.未处理车轮试样主要发生剥层磨损并伴随轻微的疲劳磨损;处理后的车轮试样主要发生疲劳磨损并伴随轻微的剥层磨损.这是由于激光离散处理提高了车轮试样表层材料的抗塑性变形能力,从而抑制了材料的剥层磨损.各钢轨试样均发生剥层磨损,但是车轮试样经激光离散处理后,对应钢轨试样的剥层磨损加剧.     

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.     

低温环境下轮轨材料滚动磨损模拟试验研究

针对高寒地区温度环境特点,设计了低温环境轮轨磨损模拟试验装置,实现了低温环境下轮轨滚动磨损模拟试验,对比研究了室温(23~25℃)及–60℃试验温度下轮轨试样的滚动摩擦系数、磨损量、硬度及表面损伤等变化情况.结果表明:与室温环境条件相比,低温环境条件下轮轨材料的摩擦系数、磨损量均明显增大;低温环境下试验后轮/轨硬度比较室温环境下增大,车轮硬化情况严重;随温度的降低,轮轨试样的表面磨痕呈现出不同的损伤机制;所设计低温环境轮轨磨损模拟试验机可用来评价不同低温环境下车轮与钢轨材料摩擦磨损行为.     

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.      

Effect of a scratch on curved rail on initiation and evolution of plastic deformation induced rail corrugation

A calculation model is put forward to analyze the effect of a scratch on the running surface of a curved rail on initiation and growth of plastic deformation induced rail corrugation when a wheelset is steadily and repeatedly curving. The numerical method considers a combination of Carter’s two-dimensional contact theory, a two-dimensional elastic–plastic finite element model and a vertical dynamics model of railway vehicle coupled with a curved track. A concept of feedback between the corrugation development and the vertical coupling dynamics of the wheelset and track is involved. The cyclic ratchetting effect of the rail material under repeated contact loadings is taken into account. The numerical results indicate that when a vehicle runs on rails with a scratch the contact vibration between the wheel and rail occurs at large amplitude, and rail corrugation due to plastic deformation initiates and develops. The corrugation has a tendency to move along the running direction and its evolution rate decays as wheelset passages increase. The passing frequencies of the plastic deformation induced corrugation depend on the natural frequencies of the track. The residual stresses stabilize after a limited number of wheelset passages. The residual strains increase at a reduced rate with increasing wheelset passages.     

不同润滑材料对轮轨磨损与滚动接触疲劳的影响

通过轮轨滚动接触模拟试验研究了干态、施加轨顶摩擦调节剂、润滑油和润滑脂工况下的轮轨摩擦、磨损和损伤行为,分析了不同润滑材料对轮轨滚动接触疲劳损伤的影响. 结果表明:施加轨顶摩擦调节剂可将轮轨摩擦系数调控至0.1~0.3范围内,车轮和钢轨试样磨损率较干态下分别降低了54.9%和26.3%,轮轨表面损伤、塑性变形和滚动接触疲劳损伤明显降低;施加润滑油和润滑脂具有更加显著的润滑和减磨效果,摩擦系数降低至0.1以下,磨损率降低85%以上,但润滑油和润滑脂会进入裂纹内部产生“油楔效应”,导致严重的滚动接触疲劳损伤,而轨顶摩擦调节剂的固体润滑特性则避免了该问题的产生.      

钢轨短波波磨的产生机理

通过对轮-轨系统进行动力学分析,指出高频率的能量传播主要集中于轮轨之间,在对轮-轨系统进行有限元分析的基础上,研究了轨道的受力情况和摩擦系数对应力分布的影响。讨论了轨道的弹塑变形和安定极限。     

钢轨表面波浪形磨损研究

通过对现场获取的波磨钢轨进行铆钉上，硬度试验分析，探讨了钢轨波磨的形成机理，发现钢轨波磨主要是因为轨面的不均匀塑性变形所致，机车车辆结构的相似和列车运行速度的趋近将加速钢轨波摩的产生，而提高钢轨屈服强度可有效地减轻钢轨波磨。     

不同介质对轮轨增黏与磨损特性影响

利用MMS-2A摩擦磨损试验机研究了水介质下砂、氧化铝、研磨子对轮轨增黏与磨损特性影响.结果表明:干态和水介质下随蠕滑率增大黏着系数呈先增加后小幅降低并趋于稳定.水介质下氧化铝介质的增黏效果最好,研磨子最差;砂介质使轮轨磨损严重且塑性流变层最厚,轮轨试样表面剥落严重;氧化铝介质下轮轨磨损量较砂介质小,塑性流变层轻微;研磨子介质下的轮轨试样磨损量最小,磨损表面较为光滑;落叶显著降低黏着系数,且易形成落叶浆,使接触表面产生划痕;落叶工况下撒砂能增加黏着系数且能去除落叶浆,但易造成轮轨试样的剥落损伤.     

机械结合面切向接触阻尼计算模型

针对两粗糙表面在法向力和切向力共同作用下相互接触时结合面切向阻尼的问题进行了研究。首先,根据KE模型对单个微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段的切向接触行为进行了分析,获得了微凸体在三个变形阶段的黏滑特性;然后,基于GW统计模型建立了一种在微凸体法向弹性、弹塑性和塑性变形机制基础上,考虑微凸体黏滑摩擦行为的机械结合面切向接触阻尼统计模型;最后,分别讨论了机械结合面的法向预载荷、切向激振频率和切向动态位移幅值对机械结合面切向阻尼的影响。研究表明:结合面切向接触阻尼系数随着结合面法向载荷的增大而增大,随着切向激振频率和切向动态位移幅值的增大而减小;在高频率、大幅值下,结合面切向接触阻尼系数几乎与动态位移幅值和激振频率无关。为了验证模型的准确性,构建了动态切向力作用下的结合面切向阻尼试验,其试验结果与理论仿真变化规律与量级基本一致,从而证明了本文所提出的切向阻尼模型的有效性。      

干气密封滑动摩擦界面切向接触刚度分形模型

为揭示干气密封滑动摩擦界面高频微幅自激摩擦振动规律，用分形参数表征摩擦界面形貌特性，根据重新建立的微凸体接触变形方式，以及对非协调弹性体在切向力作用下初始滑动问题的研究，建立了干气密封滑动摩擦界面切向接触刚度分形模型. 通过数值对切向接触刚度的影响因素进行了分析，研究结果表明:切向接触刚度随分形维数、真实接触面积和材料特性系数的增大而增大；切向接触刚度随特征尺度、摩擦系数的增大逐渐减小. 相比于分形维数、特征尺度和材料特性系数对切向接触刚度的影响，摩擦系数的影响相对较小. 这些研究结果为进一步研究干气密封高频微幅自激摩擦振动奠定了基础.      

人手指腹与光滑物体间的静摩擦力与湿度和抓持力的关系

为了研究人手指抓持表面光滑物体时静摩擦力与湿度和抓持力的关系，在本研究中设计并制作了一种可在被抓持物体的重量连续变化的条件下测量指腹变形、抓持力及摩擦力的装置. 在不同湿度和被抓持物体重量的条件下测量并分析了指腹变形及其与表面光滑物体之间的最大静摩擦系数，通过指腹变形量度量指腹与被抓持物体之间的黏着力，以此分析湿度对最大静摩擦系数的影响机理. 结果表明:最大静摩擦系数依存于抓持力，随抓持力的增加先呈负幂函数变化，然后稳定为一定值；湿度会影响指腹与被抓持物体之间的黏着力，从而影响抓持的最大静摩擦力；潮湿时黏着力最大，抓取表面光滑物体最省力且不易打滑；湿度对最大静摩擦系数的影响是非线性的，最大静摩擦系数随湿度的增加而增加，到达峰值后逐渐减小.