暖湿气流对不同服役温度下轮轨界面黏着与损伤的响应行为研究

为研究不同服役温度下高湿度暖湿气流对车轮材料黏着与损伤的影响，为列车轮轨的安全可靠服役提供理论参考.本文作者利用轮轨滚动接触磨损/疲劳试验机模拟宽温环境(-55～60℃)下，着重考察间歇暖湿气流对高速轮轨界面黏着与车轮表面损伤的响应行为.结果表明：同种暖湿气流(RH 99%)作用下，环境温度对轮轨滚动接触界面的黏着与损伤存在显著影响；在低温环境下，轮轨间的黏着系数会瞬时大幅度下跌，而高温环境下反而出现轻微上升的现象.在低温工况下暖湿气流诱导下的车轮损伤(如塑性变形和表面疲劳裂纹等)明显高于高温环境，磨损机制由低温环境下的疲劳磨损和磨粒磨损为主逐渐转变为高温环境下的氧化磨损、黏着磨损和疲劳磨损.因此，为进一步保障高寒地区列车通过隧道等湿热环境时的安全可靠运行，暖湿气流诱导列车轮轨低黏着状态的行为须予以关注和引起重视.     

冲角工况下列车车轮损伤机理研究

曲线通过和蛇行运动时将会在轮轨间产生一定的冲角,为探究列车车轮在冲角工况下的损伤机理,利用JD-1轮轨模拟试验机对列车车轮进行滚动接触疲劳试验.结果表明:在冲角工况下车轮试件磨痕的不同区域存在不同的损伤机理,按损伤机理的不同可以将其分为塑性堆积区、疲劳损伤区和磨损区三个区域.在应力发生剧烈变化且应力方向由高应力区指向低应力区的区域将会出现材料的塑性堆积,并且在堆积处产生疲劳裂纹.滚动接触下的疲劳裂纹可以萌生于表面和亚表面,在较强应力作用下,车轮材料的晶粒发生了明显的细化,在横截面上呈现出纤维状组织.     

曲率半径对车轮滚动接触疲劳性能的影响

滚动接触疲劳和磨损是铁路轮轨损伤的主要问题.本文中应用赫兹接触理论,在JD-1型轮轨模拟试验机上,通过改变试验冲角,研究了干态工况下曲率半径对车轮钢滚动接触疲劳性能的影响,并用光学显微镜和扫描电子显微镜观察车轮试样剖面与磨痕表面交界处的疲劳裂纹,分析不同曲率半径条件下车轮的滚动接触疲劳机理.结果表明:由于加工硬化的作用试验后所有试样的硬度均有提高;随着曲率半径的减小,车轮钢的磨损量增大,塑性流变层增厚且不均匀,车轮试样疲劳裂纹扩展加剧;裂纹在交变应力作用下容易继续向下扩展,从而形成严重的疲劳破坏.     

低温环境下列车车轮材料磨损与损伤演变行为研究

利用低温环境装置和轮轨模拟试验机开展了室温(约20℃)与-40℃温度下列车车轮材料的滚动磨损试验,研究了-40℃下车轮材料磨损和表面与剖面损伤随循环次数的演变规律.结果表明：温度的降低对车轮材料磨损和损伤机制有明显影响.与室温相比,-40℃时车轮材料疲劳磨损明显减轻,磨损率下降.-40℃工况下车轮材料磨损与损伤的形成具有明显演变特征.在磨损初期,轮轨界面发生材料转移并在轮轨界面形成稳定的摩擦膜;摩擦膜的存在降低了车轮材料磨损率.随循环次数增加,由于低磨损率,车轮表层材料在滚动载荷作用下持续累积塑性变形.在磨损后期,累积了高塑性变形的车轮材料将促进裂纹萌生.因此在车轮试样亚表层萌生大量裂纹,亚表层裂纹相互汇合,从而加速疲劳裂纹扩展.     

原始组织对ER9车轮钢滚动接触疲劳性能的影响

利用双盘滚动接触疲劳试验机对原始组织分别为片状珠光体+先共析铁素体(P+PF)和回火索氏体(TS)的ER9车轮钢试样进行滚动接触疲劳试验,并对结果进行了分析。结果表明:在油润滑条件下,原始P+PF试样的滚动接触疲劳寿命是TS试样的2.8倍.?其原因是原始的P+PF的试样表面存在厚约1?μm的机加工细晶层,而TS试样无明显细晶层,在疲劳过程中,P+PF试样会优先在细晶层内萌生浅层裂纹并平行于表面扩展形成浅层剥落,而后在细晶层剥落的区域萌生疲劳裂纹,而TS试样则直接在试样表面萌生疲劳裂纹.?经过1×105周次在空气中的预磨损后,两种不同原始组织的试样表面均被强化,滚动接触疲劳寿命均有大幅度的提升.?但由于P+PF试样预磨损过程中机加工细晶层的剥落以及产生了少量的疲劳磨损,部分疲劳磨损裂纹成为滚动接触疲劳裂纹的裂纹源,而预磨损后的TS试样的表层形成分布更为均匀的细晶层,故预磨损后的TS试样的滚动接触疲劳寿命远高于P+PF试样.      

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.     

高速列车车轮踏面剥离引起的轮轨冲击力学响应有限元模拟

车轮踏面剥离是轨道车辆车轮非圆化损伤的常见形式之一。轮轨滚动接触过程中,车轮踏面剥离会循环冲击钢轨,诱发异常大的轮轨动态相互作用,严重影响高速列车运行平稳性和安全性。基于三维轮轨滚动接触有限元模型,模拟了高速列车车轮踏面剥离引起的轮轨冲击力学响应,分析了轮轨冲击过程中的轮轨接触力/压力、接触斑及黏/滑特性、钢轨表面节点速度分布和应力/应变状态等响应特征,讨论了列车速度、剥离长度和剥离深度等关键参数对轮轨冲击响应的影响。结果发现,车轮踏面剥离引起的轮轨动态垂向接触力随列车速度的提高呈现出先增大后减小的变化趋势,并在列车速度为300 km/h出现最大值,约为轮轨准静态垂向接触力的1.35倍;随着剥离长度的增大,轮轨动态接触力、轮/轨von Mises应力和等效塑性应变均显著增大;随着剥离深度的增大,仅车轮von Mises应力和等效塑性应变显著增大。     

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.      

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.      

大气预腐蚀下ER8C车轮钢的疲劳寿命评估

随着高速列车车轮服役里程的增加，车轮辐板持续遭受潮湿大气甚至海洋大气环境的考验，点蚀成为车轮失效的主要原因之一.论文首先在大气自然环境下对ER8C车轮钢高周疲劳试样开展为期180天的曝晒(预腐蚀)试验，随后进行表面形貌和疲劳性能表征.结果表明，预腐蚀后车轮钢的疲劳极限为387 MPa,相比光滑试样下降12%;这主要是由于预腐蚀造成的腐蚀坑使试样表面局部应力集中，加速了疲劳裂纹萌生.采用激光共聚焦显微镜统计预腐蚀试样表面蚀坑尺寸，使用由均值蚀坑尺寸计算得到等效初始缺陷尺寸(EIFS),对预腐蚀车轮钢试样的疲劳寿命进行预测，避免腐蚀疲劳裂纹萌生以及短裂纹扩展对疲劳寿命预测的影响；预测结果与实验结果较为符合，证明了该方法的可行性.论文的主要结论是，通过统计试样表面蚀坑尺寸的均值来获得EIFS的方法，可以计算得到大气预腐蚀后车轮钢的剩余寿命，这验证了EIFS方法在大气预腐蚀下材料疲劳寿命研究中的适用性.     

钢轨表面剥离掉块路径预测研究

轮轨滚动接触下,钢轨表面会产生典型的鱼钩形剥离掉块,其形成机理目前暂未明确.为了探究轮轨滚动接触下钢轨表面裂纹扩展机理,基于最大周向拉应力准则,建立轮轨滚动接触疲劳计算模型,提出裂尖扩展路径预测方法,并对不同初始角度裂纹的扩展路径进行预测.结果表明,钢轨表面微裂纹为Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,随着裂纹长度增加,KⅠ先增加后减小,...     

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.     

电流作用对铜镁合金弯曲微动疲劳损伤特性的影响

采用自主研制的试验装置,研究了铜镁合金在不同电流强度条件下的弯曲微动疲劳损伤演变规律. 运用红外线热成像仪测试电流条件下微动接触区温度分布情况;利用白光干涉仪、扫描电镜、电子探针、X射线光电子能谱仪对试样接触损伤区的微观形貌和化学行为进行分析. 试验结果表明:在相同循环次数下,随着电流强度的增加,铜镁合金弯曲微动疲劳寿命逐渐降低,接触区温度逐渐上升,接触损伤区尺寸增大,剥落层逐渐细化,接触损伤区氧化程度越来越严重,氧化磨屑的主要成分为CuO和Cu₂O;主要损伤机制为氧化磨损、黏着磨损和剥落.      

接触应力对轮轨材料滚动摩擦磨损性能影响

利用MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机研究了接触应力对轮轨材料的滚动摩擦磨损性能影响.结果表明：随接触应力的增加,滚动摩擦系数呈增加趋势,车轮和钢轨试样磨损加剧;相同接触应力水平下,车轮试样磨损量大于钢轨试样,表面损伤严重;随接触应力的增加,车轮试样表面从犁沟且轻微剥落向严重剥落损伤转变,钢轨试样表面损伤主要表现为犁沟效应并伴随有剥落现象,但相比车轮试样的剥离损伤要轻微.     

接触应力对FCB车轮钢组织演变与性能的影响

利用双盘滚动摩擦磨损试验机进行了贝氏体车轮钢的滚动磨损试验,采用扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)分析不同接触应力条件下贝氏体车轮钢次表层微观组织演变. 结果表明:在滚动磨损条件下,磨损机制由黏着磨损转变为疲劳磨损,增大接触应力对黏着磨损阶段的磨损量影响不大,但会显著增加疲劳磨损阶段的磨损量;贝氏体车轮钢在塑性变形的过程中,贝氏体铁素板条中位错逐渐增值、先累积形成小角度晶界,而后形成大角度晶界,使贝氏体铁素体发生细化;接触应力的大小影响表层组织的演变,当接触应力增至1 150 MPa时,晶粒细化为超细等轴晶,继续增加接触应力,组织变化并不明显. 接触应力大小会影响贝氏体车轮钢的表面硬度. 接触应力增加使贝氏体车轮钢的表面硬度增高,硬化层深度增大.