高速輪軌黏著特性數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、高速輪軌黏著問(wèn)題是輪軌摩擦學(xué)研究中的難題之一。列車的牽引和制動(dòng)能力都受到輪軌黏著特性的制約。我國(guó)幅員遼闊，一萬(wàn)多公里的高鐵線路都裸露在外，鋼軌表面不可避免的會(huì)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(lái)我國(guó)鐵路向著高速和重載方向發(fā)展，對(duì)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(gè)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(duì)于高速輪軌黏著機(jī)理的研究十分有限。雖然在實(shí)驗(yàn)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(duì)滾實(shí)驗(yàn)，很難精確完整地揭示高速條件下的黏著機(jī)理。一般來(lái)講數(shù)值模擬可以很好地彌補(bǔ)解釋實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象并且可以模擬較高的運(yùn)行速度，但是相比于實(shí)驗(yàn)，研究數(shù)值研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，有必要從數(shù)值和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面深入研究高速輪軌黏著的機(jī)理，為保障我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)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(guò)數(shù)值仿真和高速試驗(yàn)，本論文主要開展了以下幾個(gè)方面的研究工作:
　　(1)全面地介紹國(guó)內(nèi)

3、外在高速輪軌黏著研究方面的現(xiàn)狀，提出了進(jìn)行此方面研究的必要性，并簡(jiǎn)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(shí)的熱效應(yīng)的三維全膜潤(rùn)滑模型，獲得了油水存在時(shí)的接觸特性。分析了速度和軸重對(duì)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(cè)的界面流體膜厚的差別。通過(guò)此模型進(jìn)行了二十組數(shù)值擬合，獲得了適合水介質(zhì)存在時(shí)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(yàn)公式，為后續(xù)簡(jiǎn)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(jì)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(guò)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(duì)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(guò)以上對(duì)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(rùn)滑計(jì)算微觀粗糙峰接觸壓力的計(jì)算模型

5、選取提供理論基礎(chǔ)。
　　(4)針對(duì)輪軌界面存在水介質(zhì)時(shí)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(jiǎn)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(gè)模型中進(jìn)行黏著分析計(jì)算。針對(duì)一般計(jì)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(gè)二維高速輪軌黏著計(jì)算模型中，最后將前面兩個(gè)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(jì)算方法使其能夠適用于輪軌摩擦副的黏著計(jì)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(duì)高速輪軌黏著特性影響的機(jī)理。
　　(5)利用JD-2高速輪軌滾動(dòng)接觸試驗(yàn)裝置對(duì)輪軌間存在水、油和水油混合物時(shí)的黏著特性進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)中最高模擬速度達(dá)到300 km/h。獲得了三種軌