铁路车轴过盈配合面微动损伤分析及有限元仿真

基于全尺寸铁路车轴疲劳试验，观察并分析了微动区损伤形貌及损伤机理. 基于测量的磨损轮廓建立有限元模型，计算分析了微动磨损对过盈配合面微动参量及轴向应力的影响. 结果表明:轮座近加载侧存在1个宽度约为20 mm的微动损伤区，根据形貌特征可以分为3个区域. 仿真得到的微动滑移区宽度与损伤区宽度基本一致，张开区宽度略小于磨损区. 未磨损时，接触压应力、摩擦剪应力及轴向应力峰值均出现在接触最边缘；在微动磨损作用下，接触压应力、摩擦剪应力、轴向应力峰值出现在磨损-未磨损边界，且轴向应力数值在磨损区由负变正. 磨屑的存在为接触面提供承载平台，在一定程度上抑制应力集中向内部转移.      

等温淬火球墨铸铁的滚动接触磨损性能研究

将2种等温淬火球墨铸铁(Austempered Ductile Iron, ADI)和合金钢车轮材料分别与合金钢钢轨材料匹配,研究各摩擦副的滚动接触磨损性能.结果表明:与合金钢车轮材料相比,2种ADI材料的磨损性能均有大幅度的改善.硬度低、石墨球直径小且密度大的ADI材料自润滑效果好,相对应的摩擦副抗磨损性能最好;硬度高、石墨球直径大且密度小的ADI材料自润滑效果较差,相对应的摩擦副抗磨损性能居中;合金钢车轮材料不具备自润滑能力,相对应的摩擦副抗磨损性能最差.     

合金含量对高速车轮材料滚动接触磨损性能的影响

将2种含碳量相同合金含量不同的高速车轮材料分别与钢轨材料匹配,利用滚动接触摩擦磨损试验机测试了各摩擦副的摩擦系数和磨损率,比较研究了组织、硬度和加工硬化等因素对车轮材料滚动接触磨损性能的影响.结果表明：在传统的高速车轮材料中适当地增加Si、Mn的含量,降低Cr的含量可以提高车轮材料的抗磨损性能;硬度高的车轮材料未必耐磨,组织差异对车轮材料的抗磨损性能影响显著;表面裂纹易萌生于高度变形的先共析铁素体组织;加工硬化引起的硬度增加对材料的抗磨损性能影响不大.     

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.     

微动磨损对过盈配合结构微动参量的影响

基于Archard磨损模型与Abaqus自适应网格技术建立了仿真分析过盈配合结构微动磨损的计算模型,对配合面轮廓随循环周次的变化进行了预测,并详细研究了微动磨损对接触压应力、摩擦剪切应力及微动滑移幅值等微动参量的影响.结果表明:该计算模型能够较为准确地对配合面轮廓随循环周次的变化进行预测;由于微动磨损的作用,配合边缘处接触压应力的峰值逐渐增大,且其位置逐渐向配合内部移动;摩擦剪切应力的最大值逐渐由黏着-滑移过渡位置向磨损-未磨损过渡位置移动;张开区域的宽度以及滑移区内各位置处的微动滑移幅值均随着循环周次的增加而增大.     

微动磨损对过盈配合结构微动疲劳性能的影响

在考虑微动磨损的前提下,基于SWT临界平面法和线性累计损伤模型建立了过盈配合结构微动疲劳的寿命预测模型,并详细研究了微动磨损对过盈配合结构微动疲劳性能的影响.结果表明:考虑微动磨损的作用时,微动疲劳的预测结果更加准确;微动磨损显著降低了配合边缘处的应力集中现象,提高了过盈配合结构的微动疲劳寿命;由于微动磨损的作用,配合边缘处的SWT参数逐渐降低,且其最大值出现的位置由配合最边缘逐渐向着配合内部移动,与此同时,临界平面上的法向应力平均值逐渐增大,两者的变化共同导致微动疲劳裂纹萌生位置向着配合内部移动.