列车轮对弯曲载荷作用下过盈配合面微动行为研究

摘要

目前为止，列车轮对过盈配合面的微动损伤问题仍没有得到完全认识，它直接影响到列车车辆的行车安全，是轮轴技术中亟待解决的问题之一。本文通过轮对原位剖切，对其过盈配合面开展实验分析，揭示了其微动损伤机理；利用新研制的弯曲微动试验机构开展试验，并结合有限元计算，对旋转弯曲载荷下轮对过盈配合面微动滑移区分布、滑移幅值、滑移轨迹、滑移速度等相关行为规律进行了研究；通过量纲分析方法，揭示了原型轮对与缩比轮对微动位移幅值的相似关系；最后提出了一种降低轮对过盈配合面微动幅值的结构设计方法。获得的主要结论如下：
　　(一)铁路轮轴过盈配合面微动损伤机理
　　1)轮对在旋转弯曲载荷作用下长时间运行后，轮座与轮毂配合面两侧均存在一个宽约20mm的微动损伤区，损伤区表面覆盖有红色和黑色的氧化磨屑；
　　2)由于相对滑移幅值及接触压力的不同，轮座表面微动损伤区形成了3个具有明显不同特征的子区域，从接触面外侧往内依次体现为完全滑移区、混合区、部分滑移区特征；
　　3)完全滑移区磨损最为严重，可见厚的磨屑层覆盖在接触区，且有大量磨屑颗粒堆积在磨斑边缘，其磨损机制主要是磨粒磨损、氧化磨损和剥层；混合区的磨损相对轻微，磨斑有典型的塑性流动特征，此区域的磨损机制主要为塑性变形、磨粒磨损、氧化磨损和剥层，实验中在该区域观测到裂纹萌生；部分滑移区磨损最为轻微，微滑发生滑移区的边缘。
　　(二)轮对过盈配合面微动行为
　　1)数值分析表明，轮对在轴重载荷作用下，轮座过盈配合表面两侧相对于轮毂产生完全滑移。内、外侧完全滑移区中，外侧滑移区的面积和平均滑移幅值大于内侧滑移区；
　　2)轮座表面完全滑移区内的节点同时产生了轴向相对位移和周向相对位移，合成位移的幅值和方向处处不同；
　　3)轮对在旋转弯曲载荷下运行一周过程中，轮座表面完全滑移区内的节点相对于轮毂配合面产生一次往复滑移，并经历完全滑移状态→部分滑移状态→完全滑移状态的循环过程，其滑移轨迹近似为纺锤形；
　　4)利用透明试件观测到的轴毂过盈配面合边缘微动情况与轮对过盈配合表面外侧微动情况互相吻合，不同的是由于轴毂试件过盈量较小，试件轴在旋转弯曲载荷下运行一周过程中，其相对滑移点经历完全滑移状态→部分滑移状态→完全滑移状态→部分滑移状态→完全滑移状态的循环过程；
　　5)轮对过盈配合面边缘的微动方式为切向微动(为轴向和周向两个方向的复合)和径向微动的复合微动；从微动疲劳的受载类型来讲，轮对的微动方式属于弯曲微动和扭转微动的复合微动。
　　(三)原型轮对与缩比轮对过盈配合面微动幅值的相似关系
　　通过量纲分析，推导出弯曲载荷下原型轮对与几何相似且材料相同的缩比模型轮对过盈配合面间相对微动幅值的相似关系：当模型轮对为原型轮对的1：n缩比时，若模型轮对的过盈量选取为原型轮对的1/n，轴重载荷选取为原型轮对的1/n2，则模型轮对过盈配合面间的微动幅值为原型轮对的1/n。该相似关系利用有限元计算进行了验证，同时表明，当模型轮对与原型轮对材料不相同时，二者材料的泊松比及摩擦系数是影响过盈配合面微动幅值相似性的重要因素。
　　(四)一种降低轮对弯曲载荷下过盈配合面微动幅值的结构设计方法
　　探索了一种减小弯曲载荷下轮座表面内侧边缘微动幅值的结构设计方法，即将车轴中部局部直径减小，改变轴重载荷下车轴弯曲变形能的分布，从而减小轮座部位的弯曲变形程度，达到减小轮座表面边缘微动幅值的目的。利用该方法，以RD2型车轴为例开展设计与分析计算，结果表明该设计方法对于降低轮座表面内侧边缘相对滑移幅值有效。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 微动摩擦学的基本理论及方法

1.2.1 摩擦学的概念

1.2.2 微动的基本概念

1.2.3 常见微动实例

1.2.4 微动的损伤机理

1.2.5 微动损伤的影响因素

1.2.6 微动图理论

1.3 轮对微动损伤的国内外研究现状

1.3.1 轮对的微动损伤

1.3.2 国内外研究现状

1.4 本文研究的主要内容、目标与方法

第2章 铁路轮轴过盈配合面微动损伤分析

2.1 原位剖切分离轮对

2.2 轮座表面形貌分析

2.2.1 轮座内侧微观形貌分析

2.2.2 轮座外侧微观形貌

2.3 轮座微动损伤分析

2.3.1 损伤特征

2.3.2 损伤机理

2.4 本章小结

第3章 铁路轮轴过盈配合面微动行为有限元分析

3.1 假设条件

3.2 计算过程

3.2.1 实体建模

3.2.2 划分网格

3.2.3 加载与求解

3.3 轮对过盈配合面微动分析

3.3.1 选择研究对象

3.3.2 配合面滑移状态

3.3.3 微动区相对位移分布

3.3.4 微动区节点位移轨迹

3.3.5 复合微动方式

3.4 本章小结

第4章 轴毂过盈配合面微动行为原位观察及分析

4.1 试件的设计

4.1.1 载荷模拟原理

4.1.2 试件的制备

4.1.3 试验机构设计

4.2 试验过程

4.3 数值分析

4.3.1 计算模型及参数

4.3.2 计算结果

4.4 结果分析与讨论

4.4.1 复合微动方式

4.4.2 滑移状态

4.4.3 滑移区分布

4.4.4 滑移速度

4.4.5 与轮对计算结果的对比

4.5 本章小结

第5章 缩比轮对与原型轮对过盈配合面微动幅值的相似关系

5.1 量纲分析概念

5.2 轮对过盈配合面微动幅值量纲分析

5.3 有限元分析

5.3.1 原型轮对过盈配合面微动幅值分析

5.3.2 缩比模型轮对过盈配合面微动幅值分析

5.3.3 有限元分析结论

5.4 本章小结

第6章 一种降低轮对弯曲载荷作用下过盈配合面微动幅值的结构设计

6.1 设计思路

6.2 设计实例

6.3 有限元计算

6.4 强度校核

6.5 讨论

6.6 本章小结

结 论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文