輪軌滾動接觸疲勞與磨損耦合關系及預防措施研究.pdf

1、隨著我國重載與高速鐵路的快速發(fā)展，輪軌滾動接觸疲勞與磨損變得越來越嚴重，已成為影響鐵路運輸安全的重要因素。因此，輪軌接觸疲勞與磨損機理及預防措施的研究對減輕輪軌損傷，提高鐵路運輸?shù)慕?jīng)濟效益和社會效益具有重要的指導意義。 本文利用JD-1輪軌模擬試驗機和往復滾動磨損試驗裝置，借助光學顯微鏡(OM)、激光共聚焦掃描顯微鏡(LCSM)、掃描電子顯微鏡(SEM)等表面分析測試設備研究了干態(tài)下輪軌滾動接觸疲勞與磨損行為，分析了輪軌滾動磨損

2、過程中磨損率對疲勞裂紋損傷的影響機理；利用三維彈性體非Hertz滾動接觸理論及數(shù)值程序CONTACT。分析了軌底坡、軌距和曲線半徑等參數(shù)對輪軌接觸斑行為的影響；研究了疲勞與磨損鋼軌預防措施的差異。取得的主要結(jié)果和結(jié)論如下： 1.車輪磨損量隨制動力、蠕滑率和軸重的增加而增加，切向摩擦力增大會使車輪磨損機制從磨粒磨損向粘著磨損與疲勞磨損轉(zhuǎn)變，導致疲勞裂紋及白層的出現(xiàn)，加劇了車輪的塑性變形及疲勞剝離。材料含碳量對車輪鋼的滾動摩擦系數(shù)基

3、本無影響，但改變車輪鋼的磨損機制；降低含碳量可減輕車輪的疲勞剝離損傷，但由于材料耐磨性的降低會導致車輪磨損量的明顯增加。 2.PD3鋼軌的強度性能和耐磨性均優(yōu)于U71Mn鋼軌，但U71Mn鋼軌表現(xiàn)出更好的抗疲勞損傷和裂紋擴展性能：疲勞裂紋沿鋼軌塑性變形方向萌生并沿一定角度向深度方向擴展，且存在兩種不同的裂紋擴展形態(tài)：增加軸重、減小曲線半徑及施加制動力均會增加鋼軌的磨損量，加重鋼軌疲勞損傷及塑性變形。建立了帶有一個隨機變量的鋼軌鋼

4、疲勞裂紋擴展速率的概率模型，利用極大似然估計法確定了概率條件下兩種鋼軌材料疲勞裂紋擴展速率不確定性方程的上限值，結(jié)果表明疲勞裂紋擴展速率的不確定性方程與試驗結(jié)果相符。 3.利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡建立了鋼軌磨損量的預測模型，結(jié)果表明該模型具有較高的預測精度；利用訓練良好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型預測了試驗參數(shù)對鋼軌磨損量的影響，結(jié)果表明速度、輪軌沖角及軸重對鋼軌磨損量具有不同的影響規(guī)律。 4.廣深鐵路鋼軌疲勞斜裂紋與側(cè)磨量的調(diào)查表明，鋼

5、軌側(cè)磨嚴重時，鋼軌疲勞斜裂紋現(xiàn)象就表現(xiàn)輕微；輪軌滾動疲勞損傷與磨損之間表現(xiàn)為相互競爭與制約的耦合作用關系，即磨損嚴重時，疲勞損傷往往較輕；而疲勞損傷嚴重時，磨損相對輕微；實際中增加磨損率能減輕鋼軌的疲勞裂紋損傷，延長輪軌的疲勞壽命。 5.使用1/40軌底坡情況下磨耗型車輪踏面的輪軌接觸行為不能達到最佳匹配狀態(tài)，建議對磨耗型踏面進行優(yōu)化設計；增加軌距能改變輪軌接觸幾何參數(shù)、蠕滑行為、接觸應力和接觸斑粘滑區(qū)的分布；減小曲線半徑導致接

6、觸斑縱向、自旋蠕滑、摩擦功和總滑動量劇增，粘著區(qū)的減?。磺€軌道設計中，對于高速鐵路應盡可能地增大曲線半徑值。 6.重載鐵路鋼軌損傷主要以磨損為主，并伴隨強烈的塑性變形；高速鐵路鋼軌主要表現(xiàn)為疲勞損傷。由于鋼軌損傷形式不同，導致重載與高速鋼軌在輪軌潤滑、車輪型面、鋼軌打磨等方面產(chǎn)生很大差異。根據(jù)疲勞裂紋損傷與磨損的耦合作用關系，提出了不同于重載曲線軌頭非對稱打磨的高速鋼軌非對稱打磨技術(shù)，結(jié)果表明打磨能有效預防和減緩鋼軌斜裂紋的形