滚动轮波形磨损实验研究

利用赫兹模拟准则进行实验室钢轨波形磨损再现实验研究，在进行大量试验的基础上揭示了滚动轮波磨形成的规律，提出了波磨的形成机制．结果表明，轮—轨系统的振动以及轮—轨接触表面之间较大切向力的共同作用，是导致滚动轮表面不均匀塑性变形或波磨的主要原因．     

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.     

小半径曲线科隆蛋扣件地段钢轨波磨特性

为研究小半径曲线科隆蛋扣件轨道的波磨演化特征,首先通过分析钢轨波磨实测数据,获得了波磨的典型通过频率;然后运用车辆-轨道空间耦合模型和基于摩擦功理论的钢轨材料摩擦磨损模型,对曲线段钢轨波磨特性进行了分析。结果表明:导向轮可承载的外侧蠕滑力几乎全程达到饱和,内侧蠕滑力部分达到饱和,且饱和部分呈周期性出现;当蠕滑力等于饱和蠕滑力时,磨耗深度最大,并且内轨的磨耗深度幅值大于外轨。结合钢轨磨耗预测型面可知,外轨主要发生侧磨,内轨则趋向发生波磨,从而出现内轨波磨严重而外轨波磨轻微这一现象。磨耗频域特性分析表明,内轨磨耗等级含有与实测波磨通过频率相近的特征频率,且这些频率处的磨耗增长率较大,说明对应频率的磨耗将不断发展,最终形成波磨。     

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.     

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.     

一对钢—钢摩擦副摩擦磨损的原位动态研究

摩擦磨损的扫描电子显微镜原位动态研究，可以跟踪观察磨屑形成和磨痕演变的全过程，以及材料表面在摩擦磨损中变化的真实情况。     

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.      

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.     

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.     

聚全氟乙丙烯的微动磨损

研究了球－盘点接触和面接触微动条件下聚全氟乙丙烯（以下简称ＦＥＰ）的微动磨损特性。发现球－盘接触对ＦＥＰ的微动磨损以带状磨屑挤出为主。而常规负荷条件下的球－盘接触形式并不适合于研究聚合物的微动磨损。采用面接触形式可以显著降低接触应力，同时也便于对聚合物微动表面的观测。结果表明，在面接触条件下，ＦＥＰ的微动损伤表面可明显地分成３个区：中心区为磨屑产生区；高应力区为磨屑阻挡区；阻挡区之外为轻微滑动区，     

基于高频轮轨作用的波浪型磨损研究

对高频轮轨相互作用下轨道的波浪形磨损问题进行了考察。通过引入轮轨的灵敏度，得到了轮轨间蠕滑力的波动同轨道表面不平顺幅值和表面曲率的波动关系；通过引入摩擦功计算了轨道表面的磨损，得到了磨损率的计算公式。结果表明，钢轨的磨损率同轨道的垂向动力行为密切相关；轨道表面不同点在不同激振频率下的磨损率不同。     

Intelligent detection of rail corrugation using ACMP-based energy entropy and LSSVM

In this paper, an intelligent method to diagnose rail corrugation based on signal decomposition and entropy theory is proposed. The axle box acceleration signals are first decomposed into several components with different frequency bands by ACMP, EEMD and MODWT. By comparison, ACMP is able to successfully extract rail corrugation component from original signal without mode mixing. Energy entropy is then introduced here to quantify the degree of the rate of energy concentration. The analysis results show that the energy will change when rail corrugation occurs and the entropy will become small. It has been also proved that the entropy difference of rail corrugation and normal signal based on ACMP is the most significant. In addition, to intelligently diagnose rail corrugation, we combine energy entropy with energy index and the first mode energy, regarded as the input feature vector of LSSVM, to distinguish rail corrugation from mass data sets. It is obvious that the accuracy of ACMP-based technique is the highest.

     

钢轨短波长波浪形磨损的安定性分析

针对轮-轨滚动接触的短波长波浪形磨损现象,采用有限元法分析了三维实体模型的接触状态,通过计算分析了高频力作用下接触表面的塑性变形过程.结果表明:在一定的运动条件下,由于重复滚压作用,接触表面发生硬化并达到安定极限状态,生成有规律的短波长变形;钢轨表面塑性变形受枕木间距的影响;就具有随动硬化特性的钢轨材料而言,当摩擦系数μ<0.3时,屈服现象发生在材料表层下方;随着摩擦系数的增大,接触表面的切向力增大,安定极限的临界接触压力Po降低,屈服点移向接触表面,材料失效加快.     

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.     

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.     

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。     

轮轨滚动接触力学的发展

轮轨滚动接触力学主要研究轮轨滚动接触过程中的作用行为。由于其研究的复杂性,目前在该领域的研究已基本形成既独立又关联的六个分支,它们分别是轮轨滚动接触蠕滑率/力理论、轮轨粘着、接触表面波浪形磨损、轮轨滚动疲劳、脱轨和轮轨噪音。本文综述了这几个方面研究的发展历史和现状。由于轮轨滚动接触作用的研究又是以轮轨滚动接触蠕滑率/力理论为基础的,故本文着重评述目前常用于车辆/轨道动力学和轮轨关系研究中几个经典滚动接触理论模型的优缺点。根据实际工程中轮轨作用存在的严重问题,并提出轮轨滚动接触理论及其试验在今后的研究方向和所要考虑的有关重要因素。