沙粒介入高速列车制动界面对摩擦块摩擦磨损行为的影响

针对沙区铁路的列车制动摩擦磨损问题,基于自主研制的高速列车制动摩擦磨损试验台,开展了戈壁沙、沙漠沙介入制动界面后影响摩擦块摩擦磨损行为的试验研究.重点探究了2种不同沙粒介入制动界面后摩擦块表面摩擦磨损特性的演变过程及其差异,结果表明:戈壁沙、沙漠沙的介入,都会破坏摩擦块表面的原始磨屑堆积层,进而改变界面接触状态及磨损特性.戈壁沙介入后的摩擦块表面不易形成稳定的摩擦层,且显露出更多的石墨成分,降低了界面摩擦系数及平均温度.而沙漠沙介入后,由于其粒径相对较小,在摩擦块表面堆积了更多的沙粒,形成了沙粒磨屑混合堆积层,这种堆积层增大了界面摩擦系数和平均温度,并对摩擦块基体材料造成严重损伤.

不同刃型TBM滚刀载荷与振动特性实验研究

全断面隧道掘进机(TBM)地下工况复杂,破岩产生的振动冲击使得滚刀和刀盘异常失效,易造成重大经济损失。为探究在不同刀盘进给参数下滚刀截面形状(即刃型)对滚刀振动影响机理,开展滚刀破岩实验,获取滚刀载荷和振动信号。研究结果表明:随着刀盘总推力和转速增加,滚刀振动幅度增大,这是由于推力与转速以不同方式增加了单位时间内岩石破碎的体积,因此岩石应变能的储存—释放过程更为剧烈,滚刀振动加剧;不同刃型滚刀侵入岩石的能力不同,亦会改变单位时间内破岩体积,影响滚刀振动;冲击与载荷突变同时发生,这是因为岩石蓄积的弹性应变能在岩石破裂时集中释放。本文研究可为滚刀选型、研发低振动新型滚刀结构、减少滚刀及刀盘开裂提供参考。

制动闸片摩擦块孔结构对盘-块界面黏滑振动的影响

制动闸片摩擦块多采用孔结构以改善界面摩擦磨损行为及热分布特征。为进一步研究制动闸片摩擦块孔结构与盘-块界面黏滑振动特性的关系,通过开展摩擦学试验,分析了有孔和无孔摩擦块对界面黏滑振动的影响,并辨识了相应的Stribeck模型参数以描述盘-块界面间的摩擦因数特征。然后,建立了盘-块摩擦系统数值模型,基于辨识的Stribeck模型参数并结合理论分析,探讨了黏滑振动的关键影响因素,揭示了摩擦块孔结构对界面黏滑振动的作用机理。结果表明,摩擦因数-相对速度负斜率特征造成的负阻尼效应向系统输入能量,导致了系统的不稳定及黏滑振动。动、静摩擦因数的差值越大,负阻尼效应越强,系统黏滑振动强度及不稳定程度更高。相比无孔摩擦块,有孔摩擦块可通过孔结构调整界面摩擦特征,使动、静摩擦因数的差值减小,从而有效抑制界面黏滑振动强度,提高系统的稳定性。

高速铁路接触网整体吊弦力学性能的改善

针对高速铁路整体吊弦普遍存在的瞬时拉力冲击振动问题,提出一种添加了阻尼橡胶的接触网整体吊弦结构,并采用有限元分析方法和力学性能测试试验手段,探究阻尼橡胶对整体吊弦力学性能的改善作用。结果表明:在交变位移载荷作用下,普通型整体吊弦零部件存在明显的塑性变形和较大的等效应力,以及强度较大、频率成分复杂的振动特性;安装有阻尼橡胶的整体吊弦零部件塑性变形和等效应力均显著降低,振动强度明显减弱且频率成分简单;当整体吊弦处于受拉状态时,阻尼橡胶能够产生与位移载荷幅值接近的变形量,从而有效耗散整体吊弦的振动能量,减小整体吊弦各零部件的塑性变形及等效应力,实现接触网整体吊弦的力学性能提升。

刃形对硬岩地层中TBM滚刀磨损行为的影响研究

全断面隧道掘进机(TBM)是用于长大隧道建设的关键装备,在公路铁路、引水输水等国家重大战略工程中发挥着重要作用.盘形滚刀位于TBM最前端,是执行破岩掘进的关键零部件.冲击重载和缺少润滑等恶劣工况条件导致滚刀在面对硬岩地层时磨损速率极高,频繁更换刀具对隧道建设的工期、成本和安全性造成严重负面影响.对滚刀磨损机理的深入研究是建立长寿命高性能滚刀设计方法的必经之路.滚刀截面形状以及表面结构是刀-岩接触行为的决定性因素之一,而接触行为对滚刀磨损存在直接影响,但机理机制尚不十分清楚.本文中使用高强度花岗岩开展滚刀磨损试验,针对工程实际中最常用的平顶与圆顶滚刀,研究不同刃形滚刀在磨损过程中切削力、质量损失和表面形貌演变的规律,并结合有限元数值仿真,揭示滚刀刃形通过改变刀-岩接触状态而影响其磨损行为的机理.结果表明,在通过相同距离时平顶滚刀直径变化量小,即达到磨损极限时行进总距离更长、耐磨性更好.圆顶滚刀接触应力集中效应明显,容易发生局部磨损,使圆顶滚刀半径变化更大;但在相同刀盘推力下,圆顶滚刀侵入岩石的深度大于平顶滚刀,在破岩效率方面具有潜在优势.本研究对工程实际中滚刀选型与设计具有重要指导意义.

基于小波时频分析和Inception-BiGRU模型的盾构滚刀偏磨故障诊断

盾构机(tunnel boring machine, TBM)滚刀在重载、冲击和地质复杂的环境中服役,极易发生偏磨等失效故障,因此,掌握滚刀的磨损状态、实现基于数据驱动的滚刀偏磨故障诊断并指导滚刀的运维尤为重要。提出了一种基于小波时频分析和Inception-BiGRU模型的诊断模型以提高滚刀偏磨故障诊断效率。以滚刀为研究对象,在多功能缩比滚刀试验台上进行直线破岩试验,采集滚刀破岩时产生的振动加速度信号。采用连续小波变换获取反映振动信号时频域特征的小波时频图,进而以Inception模块的不同大小卷积核自适应地提取时频图中的多尺度空间信息,并通过添加双向门控循环单元(bidirectional gated recurrent units, BiGRU)使模型可更为准确地学习到时频图中丰富的时序依赖性关系,模型的超参数由贝叶斯优化算法确定。4种不同偏磨程度滚刀的诊断试验表明所提模型能够有效提取时频图中滚刀的偏磨特征并完成滚刀偏磨状态识别,实现端到端的盾构滚刀偏磨故障诊断。模型平均诊断准确率可达到98.5%,其诊断准确度和稳定性均优于其他常用算法,证明了所提方法的可行性。

复合地层中不同刃形滚刀与岩石接触行为研究

目的滚刀截面形状即刃形对滚刀综合性能影响显著,研究不同刃形的滚刀在复合地层中的载荷变化特点,把握各型滚刀应用于复合地层时的优势与劣势,对于减少滚刀失效、降低刀盘偏载具有重要指导意义。方法通过滚刀破岩试验获取和对比3种刃形的滚刀(平顶、圆顶和螺旋槽滚刀)在软硬复合地层中的切削力、破岩体积等关键指标,同时建立滚刀破岩有限元数值模型,探究滚刀刃形影响其切削岩石性能的机理和规律。结果在复合地层中工作时,平顶滚刀所需的法向力均值最高,其余滚刀则相近。这是由于圆顶和螺旋槽滚刀破岩时仅有部分表面参与接触,接触面积均小于平顶滚刀,应力集中效应明显,从而降低破岩法向力。螺旋槽滚刀在切削不同强度岩石时的法向力差距最小;圆顶滚刀的法向力标准差的值最小。3种滚刀均形成了粉末状和片状岩石碎片,平顶和圆顶滚刀形成的岩石碎片总体积相近而螺旋槽滚刀略低。结论复合地层软硬岩强度相差较大时,可选用螺旋槽滚刀以减轻刀盘偏载;硬岩部分强度较高时,推荐选用圆顶滚刀,以减小切削力和载荷冲击。

实现振动解耦的摩擦学行为模拟试验台设计方法

摩擦学行为研究对认识界面摩擦磨损特征,揭示摩擦自激振动产生机理及演变规律,保证摩擦系统的可靠运行具有重要意义.目前的摩擦学行为模拟试验装置由于刚性连接方式对界面摩擦振动响应的干扰,难以精确开展摩擦学行为研究和材料磨损性能评估,亟需隔离摩擦界面与机械连接部件之间的耦合振动.为此,基于气浮轴承设计了1种可实现振动解耦的摩擦学行为模拟试验台,通过锤击试验以及与非振动解耦摩擦试验机的对比试验,测定并验证了试验台振动解耦功能的有效性.锤击试验表明,未充气状态下在气浮轴承轴套处检测到多个频率,而充气状态下仅有较低的单一频率存在.摩擦学对比试验发现,随着法向载荷或往复滑移频率的增加,振动解耦试验台测得的振动加速度均方根变化率线性增加,而非振动解耦试验机的振动加速度均方根变化率呈先增后减的趋势,存在明显差异.因此,该摩擦学行为模拟试验台成功实现了摩擦界面与机械连接部件之间的振动解耦,为进一步精确探究界面摩擦学行为的影响因素和演变规律、揭示摩擦自激振动产生机理以及在对比评估不同材料摩擦磨损性能时排除摩擦学设备的影响方面提供了新的思路及有效的手段.

基于残余应力分布优化的TBM滚刀刀圈激光熔覆涂层制备工艺研究

目的为改善TBM(全断面隧道掘进机)涂层刀圈残余应力分布,针对刀圈涂层制备过程中的激光扫描路径开展研究,以优化刀圈涂层及涂层/基材界面的残余应力分布。方法使用MSC.Marc 2016软件建立了刀圈涂层制备的三维完全热机耦合模型,通过试验验证了模型的准确性,并针对激光熔覆过程中扫描顺序、扫描方向和扫描终点夹角等3个工艺变量开展了应力场分析研究。结果刀圈表面近涂层区周向/径向残余应力数值计算结果分布趋势与试验基本一致,且在涂层与基材结合的界面处,残余应力梯度达到最大,当激光扫描方向为安装孔到刃顶时,涂层刀圈残余应力的不合理分布得到了明显改善且应力最值显著降低,其中基材部分残余应力最高降低35 MPa,而调整扫描顺序和扫描终点夹角未能有效改善刀圈残余应力的分布及应力最值。结论通过合理设计熔覆过程中的扫描路线,可以有效改善刀圈涂层的残余应力分布并降低残余应力最值,对延长TBM涂层刀圈服役寿命具有重要的指导意义。

考虑摩擦升温的铁路列车制动摩擦块高温磨损机制演变

铁路列车制动摩擦块的高温磨损对列车制动安全影响显著,现有对于制动摩擦块高温磨损的研究一般通过环境温度控制来模拟制动界面高温条件,而在摩擦生热条件下对制动摩擦块高温磨损机理及演变规律的研究较少。在多模式制动性能试验台上进行摩擦拖曳制动试验,利用显微特征观测仪器、界面几何特征测量设备等,对制动摩擦块的高温磨损机理和演变进行分析探讨。结果表明,在摩擦生热条件下,当制动界面温度从室温上升至460℃时,摩擦块的主要磨损机制依次为磨粒磨损、氧化磨损和黏着磨损。当磨损机制以磨粒磨损为主时,摩擦块表面的缺陷数量多但尺寸小,摩擦因数与常温下接近;当氧化磨损占主导时,形成的氧化膜会提高耐磨性,摩擦块表面损伤较轻。此时,界面接触状态较好,摩擦因数较高,制动性能有所提高;当高温导致摩擦块材料发生软化和塑性流动时,摩擦块接触平台尺寸较大且极为平整,软化的材料充当润滑剂使摩擦因数下降、制动性能降低。同时,塑性流动会造成材料延展性能耗尽和表面材料撕裂,摩擦块表面严重的局部损伤导致接触界面状态较差,磨损机制以黏着磨损为主。在更接近于真实制动工况的条件下进行研究,揭示了摩擦升温过程中铁路列车制动摩擦块高温磨损机制的演变过程,可为保障制动安全提供必要的理论支撑。

不同岩石和围压下刃形对滚刀破岩性能的影响

滚刀位于全断面隧道掘进机(TBM)最前端,与岩石直接发生接触,是执行破岩掘进的关键零部件.研究TBM滚刀截面轮廓(刃形)对其破岩性能的影响机理和规律,对指导工程实际中滚刀选型与设计、提高TBM掘进效率具有重要意义.首先建立二维颗粒流离散元模型,针对工程中最常用的平头滚刀和圆弧滚刀,选取两种强度不同的岩石并对其中一种施加固定10 MPa围压;然后,开展滚刀破岩仿真,通过分析比能、破岩体积、刀具载荷、裂纹数量等结果,对滚刀刃形与岩石破碎的关联性进行研究;最后,通过缩比滚刀破岩实验验证数值分析所得结论的正确性.分析结果表明:滚刀刃形对其破岩性能影响显著,在本文所涉及参数范围内,对于多数岩石强度与围压组合,圆弧滚刀比能均低于平头滚刀比能,平均降低19.8%;圆弧滚刀破岩力比平顶滚刀破岩力平均低32.6%,表明破岩过程中圆弧滚刀做功较少,而二者产生的岩石碎片总体积相差不大(平均差值7%),则圆弧滚刀破除单位体积岩石所消耗的能量更少.综上所述,两种常用滚刀刃形相比,在岩石强度与围压较高的地层中可考虑优先选用圆弧滚刀.

用于水滴能量收集的叉指电极摩擦纳米发电机

近年来,摩擦纳米发电机在收集清洁和可再生水能能源领域中逐渐兴起,尽管摩擦纳米发电机具有高电压输出,但其实际应用受到较低输出电流的限制。为此引入叉指电极以提高摩擦纳米发电机的电输出性能。通过对摩擦纳米发电机的PTFE膜厚和电极宽度进行调控,优选出在一定面积内具有最高发电效率的参数。利用多物理场耦合仿真分析摩擦纳米发电机的工作原理,解析电荷转移过程中的电势分布,验证实验结果的有效性。研究发现,当PTFE膜厚为0.08 mm且电极宽度为25 mm时,摩擦纳米发电机具有最佳电输出特性,开路电压和短路电流分别为47.42 V和453 nA。此外,通过模拟实际雨天环境,该摩擦纳米发电机能够驱动至少28个LED灯珠。相关研究成果可为构建用于水滴能量收集的叉指电极摩擦纳米发电机提供参考,拓展摩擦纳米发电机用于雨水能量收集的实际应用。

考虑温度的高速列车轴箱轴承内部接触特性分析

作为高速列车的核心部件,轴箱轴承一旦失效就将严重威胁车辆安全运行。然而,服役过程中的轴承内部温度分布与接触特性极其复杂且难以有效监测。为此,建立了轴箱轴承稳态温度场模型和静力学有限元模型,并分别通过线路实验与理论结果进行验证。考虑润滑剂对轴承内部摩擦产热和散热的影响,构建高速列车轴箱轴承热力耦合有限元模型,可准确再现列车轴箱轴承内部温度分布规律和接触特性。系统研究了轴箱轴承内部的温度分布规律,并分析了温度对轴箱轴承内部接触特性的影响,探讨了复合载荷和转速对轴承温度和接触特性的影响规律。结果表明,温度对轴承各零部件应力影响十分显著,轴承最大应力增幅高达489.26%;轴承内部温度和应力随复合载荷与转速的增加而逐渐增加,温度对应力影响更为显著。研究结果可为高速列车轴箱轴承的接触行为研究与参数优化设计提供理论指导与技术支撑。

考虑车辆振动的高速列车制动系统动态响应

为了研究车辆振动对高速列车制动系统温度和振动特性的影响,首先,建立了高速列车整车动力学模型,通过线路试验验证了该模型的有效性;其次,建立了盘-块制动系统热机耦合有限元模型,通过对比仿真与试验摩擦块界面温度分布,验证了该模型的正确性;最后,基于车辆动力学模型获得的振动环境,研究了简谐激励和轨道不平顺激励作用下制动系统的温度和振动特性。结果表明:与忽略车辆振动相比,当简谐激励频率为转频20倍时,制动系统的振动加速度均方根值增加了304%;当考虑轨道不平顺激励时,制动系统的振动加速度均方根值增加了24%;外部激励会引起系统复杂的局部接触行为,导致摩擦块界面温度最大值和温度场分布与无外部激励相比存在一定的差异。因此,在分析评估高速列车制动系统温度和振动特性时,特别是在长大坡道制动条件下,需要考虑车辆振动环境的影响。

考虑轮轨蠕滑的高速列车制动非线性振动行为研究

为了揭示在制动工况下轮轨蠕滑对高速列车非线性振动的影响,考虑Polach轮轨蠕滑和盘片Stribeck摩擦,建立了高速列车盘式制动系统的3自由度非线性动力学模型,采用数值积分法求解制动系统的振动响应,并与线路试验数据进行对比,验证了模型的有效性。通过该模型进一步研究了低速下盘式制动系统非线性动力学行为,对比分析了Polach轮轨蠕滑模型与双线性轮轨蠕滑模型的差异;探究了平均蠕滑率和轨面条件对制动系统振动的影响;揭示了轮轨黏着与盘式制动系统非线性行为的相互作用机理。结果表明:相比于双线性轮轨蠕滑模型,Polach轮轨蠕滑模型受车速影响更为明显,更加符合实际服役情况;平均蠕滑率增大、轨面条件变差将导致混沌运动出现时的制动压力更小,混沌-周期振动交替出现的次数增加,制动系统振动行为更为复杂。

TiAlN涂层高速钢刀具的制备及钻削性能研究

研究综合采用了电子枪等离子增强、非平衡磁控溅射和多弧离子镀3种物理气相沉积(PVD)技术,在高速钢麻花钻上沉积TiAlN单层涂层。对涂层的硬度、涂层与基体的结合强度、微观形貌进行了测试及分析,并将TiAlN涂层高速钢麻花钻对1Cr18Ni9Ti不锈钢进行干态钻削试验。结果表明,在高速钢麻花钻基体上所制备的TiAlN涂层具有良好的力学性能,可以使高速钢麻花钻的使用寿命提高4倍以上。

转动微动的模拟与试验研究

基于超低速往复转动电机和高精度六维力学传感器,研制了转动微动摩擦磨损试验装置,成功实现了球/平面接触条件下的转动微动;进行了GCr15钢球与LZ50钢在不同转动角位移幅值和法向载荷下的转动微动试验。结果表明:转动角位移幅值和法向载荷对转动微动行为有重要影响;可以通过摩擦力-转动角位移幅值(Ft-θ)曲线来表征转动微动行为,随着转动角位移幅值或法向载荷变化,Ft-θ曲线呈3种基本类型,即平行四边形状、椭圆状和直线状,分别对应于摩擦界面的完全滑移和部分滑移状态;LZ50钢转动微动在部分滑移状态下表现为弹性变形协调,损伤轻微;随着角位移幅值的增大或法向载荷的减小,微动运行于完全滑移状态,损伤表现为塑性流动、氧化磨损和剥层,其磨痕轮廓明显不同于切向微动模式。

WC/C固体润滑涂层的滑动摩擦磨损性能研究

在CETR UMT-2摩擦磨损试验机上用Si3N4陶瓷球和纯钛(TA2)球作为对磨副,对物理气相沉积(PVD)方法制备的WC/C固体润滑涂层进行了球-盘式的滑动摩擦磨损实验。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子能谱(EDX)对磨损表面进行了微观分析,探讨了WC/C涂层的摩擦磨损机理。结果表明:滑动速度对WC/C涂层的摩擦特性影响很大,较小的滑动速度有利于在两种对磨副的磨痕表面形成致密连续的转移膜。Si3N4球作为对磨副时,WC/C涂层的损伤主要表现为剥层及氧化磨损;纯钛球作为对磨副时,涂层损伤表现为轻微的磨粒磨损和氧化磨损,WC/C涂层拥有良好的抗钛粘着性能。

AlCrN涂层的滑动摩擦学特性研究

采用CETRUMT–2型摩擦磨损试验机,对多弧离子镀制备的AlCrN涂层进行了往复滑动摩擦试验研究。以CrN涂层作为对比,采用台阶仪、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱(EDX)分析了涂层的磨痕,探讨了AlCrN涂层的磨损机理。结果表明:AlCrN涂层的摩擦因数平稳,磨损表面极其光滑,表面呈现抛光效应;AlCrN涂层拥有较高硬度和良好的排屑能力,因此在高载荷下具有比CrN涂层更好的抗磨损性能。

物理气相沉积法制备的CrN涂层的摩擦学性能

用CETR UMT-2摩擦磨损试验机对比磁过滤阴极真空弧源和多弧离子镀方法制备的CrN涂层在往复滑动条件下的摩擦磨损行为.用X射线衍射、显微硬度计、纳米压痕仪表征涂层的基本特性;用台阶仪、扫描电子显微镜和电子能谱对磨痕进行微观分析,探讨不同结构CrN涂层的磨损失效机理.与多弧离子镀技术制备的CrN涂层相比,磁过滤阴极真空弧源技术制备的CrN涂层更光滑、致密和连续,有较高的硬度和较优越的耐磨性能.涂层微结构的差异是造成摩擦磨损性能差异的主要原因.2种CrN涂层的滑动磨损为磨粒磨损和氧化磨损共同作用的结果.