模拟曲线滚滑接触的轮轨材料磨损试验研究

基于实测曲线轮轨廓形计算得到轮轨接触应力和滑差率数据,采用双盘式摩擦磨损试验机,开展了U71Mn钢轨和ER8车轮材料模拟曲线滚滑接触状态下的滚动摩擦磨损试验,对轮轨试样的磨损量、摩擦系数变化、加工硬化、表面形貌等进行了对比分析。结果表明:滑差率对轮轨试样磨损速率的影响要显著大于接触应力;轮轨试样间的摩擦系数随着接触应力的增加而降低,随着滑差率的增加而增加,但都逐渐收敛于0.7~0.8区间;钢轨试样形成的加工硬化层既硬且薄,相比车轮试样表现出更高的耐磨性。滑差率对轮轨间磨损模式由氧化磨损—黏着磨损—疲劳磨损发展过程的影响更为直接;接触应力相同时,车轮试样的表面裂纹密度在滑差率4%时达到峰值。建议轮轨磨损标准试验方法的滑差率取4%~6%,接触应力取600~800 MPa。

轴重对轮轨材料滚动磨损与损伤行为影响

利用WR-1轮轨滚动磨损实验机研究不同轴重下轮轨材料滚动磨损与损伤性能。结果表明:轮轨试样磨损率均随轴重增加呈现线性增加趋势,且钢轨试样磨损率大于车轮试样磨损率。轮轨试样硬化率均随时间呈现先增加后趋于稳定的变化趋势,轮轨试样塑变层厚度和硬化率均随轴重增加而增大,且车轮试样硬化率大于钢轨。车轮试样和钢轨试样表面损伤形貌不同,车轮试样表面表现为垂直于滚动方向的疲劳裂纹,钢轨试样表面表现为裂纹和块状剥落,轮轨试样表面损伤均随轴重增加而更加严重;车轮试样表面裂纹疲劳断裂和钢轨试样表面块状剥落形成磨屑,成分主要为Fe2O3和马氏体,随轴重增加,磨屑尺寸呈现增大趋势,但成分与含量无明显变化。

轮轨材料硬度匹配性能试验研究

利用滚动磨损试验机研究了车轮钢与U71Mn热轧钢轨的硬度匹配性能,分析了不同硬度车轮与U71Mn钢轨匹配时的摩擦磨损与表面损伤行为.结果表明:车轮硬度对轮轨试样滚动摩擦系数基本无影响;随车轮硬度增加,车轮磨损量呈下降趋势,钢轨磨损量表现为线性增加,轮轨总磨损量呈先降低后增加的趋势,轨轮硬度相同时轮轨系统总磨损量达到最小.车轮硬度对车轮和钢轨试样表面损伤形貌有一定影响,车轮硬度低时车轮表面损伤以麻点式剥落损伤为主,随车轮硬度增加试样表面发生大块剥落损伤,对摩副钢轨试样主要表现为表面剥落损伤机制.

激光离散淬火对轮轨材料磨损与损伤性能的影响

在MJP-30A型滚动接触疲劳试验机上进行激光离散淬火处理前后的轮轨试样的摩擦磨损试验,研究了激光离散淬火处理对轮轨材料的磨损与损伤性能的影响。结果表明:经激光离散淬火后得到致密的马氏体,对轮轨材料的表面硬度具有明显的增强作用,车轮和钢轨试样的表面硬度分别提高了约191.1%和214.5%;轮轨试样经激光离散淬火处理能显著提高轮轨材料的耐磨性,对均经处理的轮轨材料进行实验,发现车轮试样磨损率降低约20.5%,钢轨试样降低约21.9%;而单一处理轮轨试样能大幅降低处理试样的磨损,但其对摩副的磨损有小幅增加;未经处理轮轨试样表面损伤严重,主要表现为剥落损伤;激光离散淬火处理后轮轨试样表面损伤减轻,以小块剥落为主要的磨损形式;淬火区之间的基体表面以剥落损伤为主并伴随一定的疲劳磨损。激光离散淬火处理后轮轨材料组织的抗变形能力得到大幅提高,且淬火区能抑制基体材料的塑性变形。

高速轮轨材料匹配的滚动接触磨损性能

为了研究高速铁路轮轨材料匹配对轮轨摩擦副滚动接触磨损性能的影响,将三种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各摩擦副磨损率,比较研究成分变化对车轮材料力学性能和轮轨摩擦副滚动接触磨损性能的影响。结果表明,在常规的高速车轮材料中增加碳的质量分数能提高材料的强度和抗磨损性能,但材料塑韧性下降;在常规的高速车轮材料中适当地调整合金成分的质量分数能更大幅度地提高材料强度和抗磨损性能,同时保持材料塑韧性基本不变。滚滑条件下,车轮材料应变硬化程度的高低不影响车轮材料的抗磨损性能,试验前车轮材料初始硬度的高低是决定其抗磨损性能的主要因素。钢轨材料的磨损率随对应车轮硬度的增加而增加,且近似呈线性关系。

高速列车轮轨材料滑动摩擦实验研究

在高速列车实际运行中,轮轨之间会发生剧烈摩擦。轮轨之间的摩擦不仅存在滚动摩擦运动,也存在相对横向和径向滑动摩擦运动,特别在小曲线弯道时不能忽视滑动摩擦产生的破坏作用。文章以动车轮轨材料LM1奥贝体钢为摩擦试验样块做研究对象,使用往复式球-盘试验机通过考察不同条件下的滑动摩擦实验研究,进行了不同载荷,不同温度,不同滑动速度下的轮轨材料摩擦实验,然后使用扫描电子显微镜(SEM),非接触三维表面轮廓仪(3D-MAP),X射线衍射(XRD),X射线光电子能谱(XPS)等实验表征设备来解释摩擦机理。

不同轮轨材料硬度匹配行为及其机制的初步研究

合理的轮轨材料硬度匹配能够显著提高列车的运行安全,为探究不同轮轨材料的硬度匹配行为及机制,利用MMS-2A摩擦磨损试验机对不同轮轨材料进行相应的匹配试验。结果表明:低轴质量下随着轮轨材料硬度比的升高,轮轨间主要磨损机制由磨粒磨损向疲劳磨损和氧化磨损过渡,轮轨材料整体的耐磨性显著提高;高轴质量下轮轨接触应力显著增大,轮轨硬度比的增大能够显著地减轻轮轨材料间的磨粒磨损,轮轨材料整体的耐磨性显著提高。因此,在现有轮轨接触条件下适当增大车轮硬度,使车轮硬度接近钢轨硬度能够显著改善轮轨材料磨损状态,而且对于重载工况效果更为明显。

轮轨材料滚动摩擦条件下的波磨形成过程

利用摩擦磨损试验机,在滚动干摩擦条件下运行至试样磨损面形成波磨。通过分析摩擦磨损过程中系统振动及各转数下试样磨损面形貌、轮廓、表层组织和硬度,研究轮轨波磨形成过程。结果表明:波磨的形成与试验机的机械振动和试样磨损面的不均匀性能有关。一定幅度的载荷波动是初阶波磨形成的必要条件,初阶波磨激发主振动并与其相互激励,形成波磨。均匀磨损阶段以黏着磨损为主并有一定程度的氧化磨损。波磨形成过程中,波峰处转变为以氧化磨损为主,波谷处转变为疲劳磨损,不同的磨损形貌在波磨刚开始形成时即可凭肉眼观察到。波磨形成后,波峰处表层组织及硬度稳定,波谷处表层组织塑性变形加剧,硬度逐渐提高。

两种激光熔覆涂层对轮轨材料磨损与损伤性能的影响

选用钴基合金粉末和铁基合金粉末,利用CO 2多模激光器对轮轨材料进行激光熔覆处理.分析了钴基合金涂层和铁基合金涂层的微观组织、成分、硬度与应力状态.未处理试样表面残余应力为拉应力,激光熔覆处理后,涂层表面残余应力为压应力.利用MJP-30A滚动接触疲劳试验机对激光熔覆处理前后轮轨试样进行滚动摩擦磨损试验.结果表明:激光熔覆处理后轮轨试样磨损率明显降低,其中激光熔覆钴基合金后,轮轨试样磨损率分别降低96.7%和98.9%,激光熔覆铁基合金后,轮轨试样磨损率分别降低81.7%和93.5%.未处理轮轨试样表面损伤为疲劳损伤;钴基合金涂层表面损伤最轻微,磨痕表面光滑,出现轻微的小块剥落;铁基合金涂层表面出现细小裂纹和犁沟.

轮轨材料滑动摩擦磨损试验

以车轮钢CL60和钢轨钢U71Mn为研究对象,使用销-盘式摩擦磨损试验机,通过轮轨摩擦副的滑动摩擦磨损试验,进行了不同金相组织、滑动速度和接触应力下轮轨材料的滑动磨损研究。研究结果表明:在不同滑动速度和接触应力下,轮轨磨损率随金相组织变化趋势基本一致。对于单一金相组织摩擦副,相同组织摩擦副的磨损率小于相异组织摩擦副的磨损率。马氏体组织可以降低轮轨磨损率,珠光体组织会增大轮轨磨损率。随着滑动速度或接触应力的增大,轮轨磨损率逐渐减小并趋于稳定。

层流等离子体点状淬火面积比对轮轨材料磨损性能的影响

目的运用层流等离子体点状淬火工艺,提高轮轨材料的耐磨性,并探究最佳的表面处理面积比率。方法采用层流等离子体点状淬火方式,对高速轮轨材料进行表面处理,利用MJP-30型滚动接触磨损试验机,对4组不同点状淬火面积比(0%、15%、30%、45%)的轮轨试样进行滚动接触磨损试验,利用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、硬度计等对轮轨试样进行磨损形貌表征和耐磨性分析。结果层流等离子体点状淬火可获得板条状马氏体组织,轮轨材料表面硬度提升200%以上,磨损率降低80%以上。当面积比为30%时,轮轨材料的磨损率最小,相比于未处理试样,总磨损率下降约89.2%,车轮的磨损率降低约89.6%,钢轨降低约88.7%。对磨损试验后的轮轨试样进行表面损伤分析和截面显微组织观察,结果表明,点状淬火试样表面损伤显著减轻,剥离和裂纹主要集中在淬火过渡区域,淬火区域可以显著抑制材料的塑性变形,淬火区和基体结合层可抵抗裂纹的进一步扩展。当面积比为30%时,轮轨试样的耐磨性能最佳。结论层流等离子体点状淬火可有效提高轮轨材料的耐磨性,最佳的淬火面积比为30%左右。

预滚压对含缺陷轮轨材料滚动接触疲劳性能的影响

对含缺陷的未预滚压和预滚压车轮钢试样分别进行滚动接触疲劳试验,观察表面缺陷的形貌变化过程,分析预滚压和缺陷尺寸对轮轨材料滚动接触疲劳性能的影响。通过有限元方法分析缺陷附近材料的应力状态,通过多轴疲劳模型分析缺陷尺寸对滚动接触疲劳裂纹萌生规律的影响。试验结果表明:由于表层材料的塑性变形,未滚压车轮试样的缺陷尺寸随滚动周次的增加而减小;超过一定周次后,由于塑性变形不再累积,缺陷尺寸基本保持不变;预滚压处理通过减小表层材料的塑性变形,可抑制缺陷尺寸的减小,从而降低车轮试样的疲劳寿命;缺陷尺寸的增加会进一步降低预滚压试样的疲劳寿命;在油润滑条件下,预滚压和表面缺陷对车轮材料摩擦磨损性能没有显著影响。仿真结果表明,当缺陷尺寸从200μm增加至400μm,最大剪应力幅值从缺陷底部转移至缺陷中部,疲劳裂纹萌生位置也随之改变。

单一金相组织下轮轨材料摩擦磨损实验研究

运行中的高速列车,轮轨间横向与径向相对摩擦运动会对轮轨产生不可忽视的破坏作用。本文以车轮钢 CL60和钢轨钢 U71Mn 的单一金相组织试件为研究对象,使用销-盘式摩擦磨损试验机进行了不同滑动速度和不同接触应力下轮轨材料的滑动磨损试验研究。结果表明:在不同滑动速度和接触压力下,单一金相组织轮轨摩擦副的平均摩擦系数或磨损率随金相组织的变化趋势基本一致,相同组织摩擦副的平均摩擦系数或磨损率小于相异组织摩擦副的平均摩擦系数或磨损率;随着滑动速度或接触应力的增大,轮轨平均摩擦系数或磨损率逐渐减小并趋于稳定趋势。

轮轨硌伤诱发滚动接触疲劳机制的材料影响

利用GPM-30滚动接触疲劳磨损试验机,在油润滑条件下试验研究轮轨材料对丝锥硌伤诱发局部滚动接触疲劳(LRCF)的影响,涉及ER8高速车轮钢、U71MnG高速钢轨钢,以及1280 MPa和1380 MPa级的贝马复相、PG4、PG5等4种新开发的重载钢轨钢。发现硌伤诱发的剥离掉块仅发生在硬度低于300 HV的ER8和U71MnG高速轮轨材料,且只有在硌伤深度超过150~200μm的临界值时发生,对于硬度高于400 HV的重载钢轨材料,表面硌伤不太可能诱发局部滚动接触疲劳。试样表面和剖切观测显示,初始疲劳裂纹可萌生于硌伤内部和前、后沿,底部萌生的裂纹更容易导致包含深裂纹和大块剥离的局部滚动接触疲劳,后沿比前沿更容易萌生初始裂纹。与U71MnG高速钢轨相比,硬度更低的ER8高速车轮钢试样上硌伤引发剥离掉块的可能性更高,但U71MnG钢轨钢试样上萌生的初始裂纹可扩展得更宽、更深,更易引发大块剥离,局部滚动接触疲劳造成的后果更严重。

轮轨噪声发展机理的材料硬度试验

基于MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机的双轮对滚实验,从时域和频域的角度分析摩擦磨损过程中轮轨噪声与轮轨状态(材料硬度、摩擦系数和磨损量)的关系。结果表明车轮材料的硬度对于轮轨噪声具有显著影响。虽然硬度匹配不同时轮轨噪声发展趋势基本一致,但在声压级上却存在明显差异。轮轨硬度比越大,其轮轨噪声声压级越大。因此,对轮轨材料硬度的研究除了能够在一定程度上降低轮轨磨损量、延长轮轨的使用寿命外,还对研究降低列车运行时的噪声具有一定的指导意义。

轨道交通轮轨接触面材料性能与轮轨切向接触阻尼关系研究

为准确计算轮轨切向接触阻尼,基于接触阻尼理论,考虑轮轨材料的弹塑性变形和车轮表面粗糙度,采用有限元法,将轮轨材料的接触面进行离散;基于罚函数面-面接触算法定义轮轨接触,建立轮轨粗糙表面接触有限元简化模型;通过间接输入实际车轮表面硬度数据并且加载位移载荷来计算轮轨切向接触阻尼损耗因子和轮轨切向接触阻尼。仿真结果表明:轮轨切向接触阻尼损耗因子随着法向载荷、摩擦系数和车轮表面硬度的增加而减小,而粗糙度对其影响不大;轮轨切向接触阻尼与法向载荷、材料表面的摩擦系数及材料表面的硬度呈正相关;随着摩擦系数的增大,轮轨切向接触阻尼先增大后趋于稳定;轮轨切向接触阻尼与运行里程数并非呈现单调性变化。因此,当考虑轮轨材料表面粗糙度微观结构时,更能够反映实际情况。

载荷对D2车轮钢滑动磨损表层微观组织和性能影响

目的研究滑动磨损条件下,载荷变化对D2车轮钢表层微观组织和磨损性能的影响。方法利用MRH-30(环块)滑动摩擦磨损试验机进行滑动磨损试验。使用金相显微镜(OM)、场发射扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和场发射透射电镜(TEM)等设备,分析滑动磨损后表层微观组织、表面磨损形貌和硬度变化。结果不同载荷条件下,随着磨损时间的增加,轮轨试样磨损量逐渐增加。200 N载荷条件下,(环状)车轮试样的磨损量大于100 N车轮试样磨损量,但200 N钢轨(块状)试样的磨损量却低于100 N钢轨试样。滑动磨损后,在不同载荷条件下,车轮试样表面主要形成长条状白层和不连续的月牙状白层。在200 N载荷条件下,由于车轮试样的磨损量较高,其白层厚度和表面白层硬度都小于100 N载荷条件下的车轮试样。在200 N载荷条件下,车轮试样表面更易形成不连续的月牙状白层。由于轮轨试样表面存在微凸体,高载荷会加速车轮试样表面局部微凸体发生严重塑性变形,导致月牙状白层的形成。在白层内片状渗碳体发生明显溶解和铁素体晶粒显著细化。结论车轮表面白层对磨损性能有明显影响。滑动磨损过程中,高载荷条件下,月牙状白层和周边微观组织界面易形成裂纹,裂纹会逐渐沿着界面向内部扩展,导致不连续月牙状白层发生剥落,降低车轮试样表面的硬度,加速车轮试样磨损。另一方面,高载荷会加速无白层区域塑性变形,导致其形成棘轮失效,从而加速磨损。

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.

高速车轮材料与U71MnG钢轨材料的摩擦磨损试验

采用双轮对滚方式,利用MJP-30A试验机开展了ER8,ER8C 2种高速车轮材料与U71MnG钢轨材料的滚动摩擦磨损试验,对轮轨试样的磨损量、加工硬化、塑性变形规律和伤损情况进行了分析。结果表明:ER8C试样的平均磨损量小于ER8试样,且ER8C试验组中钢轨试样的磨损量相对较小;ER8C试样的塑性变形层深度远小于ER8试样,不同试验组中钢轨试样的变形层深度没有明显差异;ER8试样的表面裂纹深度与长度、表面剥落层片大小均大于ER8C试样;磨损过程包含了黏着磨损、疲劳磨损和磨粒磨损等多种机制;ER8C材料的抗磨损、抗疲劳性能均优于ER8材料。建议适当地提高车轮硬度来减缓车轮异常磨耗问题。

滑差对重载列车轮轨黏着特性与表层损伤的影响

在自行研制的小型轮轨滚动磨损实验机上,以CL60车轮钢和U71Mn钢轨钢配副为研究对象,通过控制轮轨的转速,研究滑差对重载列车轮轨黏着特性与表层损伤的影响。结果表明:滑差对轮轨黏着特性存在显著影响,在所测试的若干工况下,随滑差增大,轮轨黏着系数增大;滑差影响轮轨的磨损量,随滑差增大,轮轨磨损量增加;轮轨表面硬度随滑差增大提高;不同滑差下轮轨表面磨损机制不同,纯滚动摩擦时轮轨以疲劳损伤为主;随滑差的增加,轮轨表面磨损机制由轻微的疲劳磨损转变为黏着磨损。此外,在相同滑差下,车轮表面损伤程度较钢轨严重。