高速輪軌黏著特性數(shù)值與實驗研究.pdf

1、高速輪軌黏著問題是輪軌摩擦學(xué)研究中的難題之一。列車的牽引和制動能力都受到輪軌黏著特性的制約。我國幅員遼闊，一萬多公里的高鐵線路都裸露在外，鋼軌表面不可避免的會被水、油等“第三介質(zhì)”污染，從而極大地降低了輪軌間的黏著特性，增加了輪軌的接觸疲勞損傷。近年來我國鐵路向著高速和重載方向發(fā)展，對于輪軌黏著力的發(fā)揮提出了更高的要求。由于輪軌黏著是個很復(fù)雜的摩擦學(xué)現(xiàn)象并且受很多因素的影響，因此目前對于高速輪軌黏著機理的研究十分有限。雖然在實驗方面開展

2、的工作較多，但是基本是在中低速條件下的雙輪對滾實驗，很難精確完整地揭示高速條件下的黏著機理。一般來講數(shù)值模擬可以很好地彌補解釋實驗中的現(xiàn)象并且可以模擬較高的運行速度，但是相比于實驗，研究數(shù)值研究鮮見報道。因此，有必要從數(shù)值和實驗兩個方面深入研究高速輪軌黏著的機理，為保障我國高速鐵路運營安全以及黏著控制和增黏措施的選取提供理論依據(jù)。
　　通過數(shù)值仿真和高速試驗，本論文主要開展了以下幾個方面的研究工作:
　　(1)全面地介紹國內(nèi)

3、外在高速輪軌黏著研究方面的現(xiàn)狀，提出了進行此方面研究的必要性，并簡要介紹了本文的研究思路。
　　(2)建立了在輪軌摩擦副間存在水和油污染時的熱效應(yīng)的三維全膜潤滑模型，獲得了油水存在時的接觸特性。分析了速度和軸重對表面介質(zhì)膜厚的影響。掌握了考慮溫度和等溫模型預(yù)測的界面流體膜厚的差別。通過此模型進行了二十組數(shù)值擬合，獲得了適合水介質(zhì)存在時的三維中心膜厚和最小膜厚與速度、材料參數(shù)、載荷及橢圓比相關(guān)的經(jīng)驗公式，為后續(xù)簡化模型的應(yīng)用提供理論

4、基礎(chǔ)。
　　(3)系統(tǒng)地調(diào)查了基于統(tǒng)計方法的微觀彈塑性模型，從微觀角度分析了各模型的間隙-接觸載荷和接觸載荷-接觸面積隨塑性指數(shù)變化的規(guī)律;并且從宏觀角度基于輪軌接觸工況，通過Newton-Raphson法求解了各模型的方程組，獲得了不同載荷和不同粗糙度參數(shù)下三種模型的接觸壓力分布規(guī)律，并對比了不同載荷下的各模型最大接觸壓力和接觸斑半寬。通過以上對比分析，掌握了各模型間的差別和適用條件為后續(xù)混合潤滑計算微觀粗糙峰接觸壓力的計算模型

5、選取提供理論基礎(chǔ)。
　　(4)針對輪軌界面存在水介質(zhì)時且表面粗糙度較小而引起的低膜厚比（Λ＜0.5）的工況，本文基于Grubin理論和微觀彈塑性接觸理論建立了二維和三維簡化了的高速輪軌黏著模型。首次將入口區(qū)粘壓溫升、微觀固體彈塑性接觸及微觀固體粗糙峰間的摩擦溫升等因素耦合到一個模型中進行黏著分析計算。針對一般計算工況（Λ＞0.5），首先建立了三維考慮微觀粗糙峰的彈性變形的高速輪軌模型。然后首次將溫度、彈塑性和界面流體流變效應(yīng)耦合到

6、一個二維高速輪軌黏著計算模型中，最后將前面兩個模型拓展到更全面的考慮溫度和彈塑性的三維高速輪軌黏著模型。成功地拓展了傳統(tǒng)的熱彈流計算方法使其能夠適用于輪軌摩擦副的黏著計算。從數(shù)值角度解釋了速度、表面粗糙度、軸重、表面紋理、溫度、流變特性、滑移率等因素對高速輪軌黏著特性影響的機理。
　　(5)利用JD-2高速輪軌滾動接觸試驗裝置對輪軌間存在水、油和水油混合物時的黏著特性進行了試驗，試驗中最高模擬速度達到300 km/h。獲得了三種軌