一种干态下轮轨滚动接触表面疲劳实验方法

文档序号:9595935阅读:907来源:国知局
一种干态下轮轨滚动接触表面疲劳实验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料实验技术,尤其是干态下进行铁路机车轮轨接触表面疲劳损伤实 验的方法。
【背景技术】
[0002] 铁路作为人类现在和将来的和谐友好绿色交通工具,它的优点众所周知。从1997 年我国铁路第一次大面积提速至今,我国的主要干线铁路经历了六次大提速。车辆在正常 行驶中既有滚动也有滑动,轮轨相互作用时会产生巨大的接触应力和蠕滑现象,随着列车 速度的提高和轴重的增大,轮轨动态相互作用加剧,在一定程度上加速了轮轨磨损和滚动 接触疲劳损伤的发生。若不及时维护,轮轨磨损和滚动接触疲劳损伤会恶化轮轨接触关系, 加大车辆的整体振动和冲击,影响行车安全性、稳定性、乘客舒适度以及造成噪声;也会缩 短车辆系统其它各个部分尤其是行走部件的使用寿命。
[0003] 轮轨滚动接触表面疲劳裂纹损伤的主要发展过程表现为:由于轮轨接触斑切向力 和法向力的共同反复作用,材料发生塑性变形,达到一定程度后塑性变形区由于加工硬化 作用而不产生新的塑性变形,从而达到一种相对稳定状态。但同时每完成一次应力一应变 接触循环后,会产生一个累积残余切应变,当累积残余切应变达到材料的裂纹萌生门槛值 后,裂纹将开始萌生并逐步扩展。轮轨接触表面出现有规律的疲劳裂纹,呈密集分布,裂纹 进一步发展形成轻微的剥离,随时间增长在轮轨表面形成严重的剥离损伤。或者当表面裂 纹达到一定深度后,疲劳裂纹快速扩展,导致形成轨头横向疲劳裂纹和横向断裂,在高速行 车下容易产生突然断裂,对行车安全形成巨大的隐患。为此,我国每年用于更换和维修由于 磨损和滚动接触疲劳引起的伤损轮轨的费用巨大,大大增加了企业的维修工作量和运营成 本。
[0004] 由于高速铁路动车组具有行驶速度高、轴重轻的特点,轮轨磨耗相对较小,轮轨表 面滚动接触疲劳成为主要损伤形式。近几年,现场不断发现的一些新型表面疲劳裂纹损伤, 如在广深线上发现的钢轨表面斜裂纹,就属于接触疲劳裂纹的一种特殊类型。若不及时处 理,一旦扩展到临界值就会引起钢轨的疲劳断裂,严重危及高速列车的行车安全。
[0005] 尽管国内外对轮轨滚动接触表面疲劳损伤分析开展了大量的研究,但大多仍处于 探索研究阶段。通过现场试验可以对表面疲劳损伤的形成过程加以探讨,但其周期长、费用 高,且受到各种现实因素的影响;通过有限元仿真可以定量分析表面疲劳裂纹损伤的萌生 扩展行为及机理,但有限元模型往往是简化的理想化模型,不能完全反映现场接触工况。目 前,国内外滚动接触疲劳实验主要在第三介质(油、水等)下进行,这与实际轮轨接触状态 相差甚远,其实验结果具有一定局限性。根据滚动磨损与疲劳损伤相互作用关系,发明一种 干态下轮轨滚动接触表面疲劳的实验方法对研究轮轨滚动接触表面疲劳损伤问题是十分 重要和必要的。
[0006] 利用轮试样和轨试样进行干态下轮轨滚动接触表面疲劳实验有利于研究表面疲 劳裂纹的萌生与扩展行为,适宜于逐个研究各因素对疲劳裂纹萌生与扩展行为的影响及规 律,探讨其形成机理。而且,可以在短时间内进行多参数和重复的实验验证,减少偶然因素 对实验结果的影响,相对于仿真计算,更能反映实际轮轨接触工况;相对于现场试验,则实 验周期短、费用低。

【发明内容】

[0007] 针对现有技术存在的问题,本发明的目的是提供一种干态下轮轨滚动接触表面疲 劳实验方法,通过再现实验对轮轨滚动表面接触疲劳损伤进行研究,结合安定极限理论,探 究干态下影响表面疲劳裂纹萌生和扩展的因素,以获得表面疲劳裂纹的演变规律,提出轮 轨表面疲劳损伤寿命的综合评价方法,从而找到减轻表面疲劳损伤的方法。本实验方法有 助于减少轮轨表面接触疲劳损伤而引发的各种问题,提升高速轮轨运行的安全性与经济 性,对我国高速铁路的持续健康发展具有重要意义,且实验结果贴近实际,重复性好,实验 费用低,周期短。
[0008] 为了实现上述目的,本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下:
[0009] -种干态下轮轨滚动接触表面疲劳实验方法,包括如下步骤:(1)将车轮材料与 钢轨材料加工成轮形对滚试样,轮形对滚试样由具有一定互补锥度的轮试样和轨试样构 成,轮试样和轨试样分置于两转轴之上,两转轴平行或近平行设置,轮试样和轨试样之间构 成线接触;(2)在分置于两转轴之上的轮试样和轨试样施以径向压力;(3)设置冲角和滑 差:控制两转轴的转速调节使轮形对滚试样间形成滑差;调节两转轴间的平行度实质产生 微小夹角而构成冲角使轮形对滚试样间产生表面蠕滑;(4)实时监测和输出被测轮试样和 轨试样表面疲劳裂纹损伤程度。
[0010] 步骤⑴中,需加工的轮试样和轨试样的锥度依轮试样和轨试样之间所受横向力 的大小来模拟施加,当轮试样和轨试样加工成不同锥度时可模拟不同的横向力。
[0011] 步骤(2)中,不同滑差工况通过两转轴不同齿数齿轮对的匹配实现,当模拟纯滚 动状态时,则将齿轮对拆下。
[0012] 作为一种极端情况,所述轮试样和轨试样的锥度为零时,模拟施加的横向力为零。
[0013] 步骤(3)中,当通过实时观察系统观测到被测试样表面出现整圈且呈规律分布的 表面疲劳裂纹时,即判定被测轮试样和轨试样出现表面疲劳损伤。
[0014] 本发明的工作过程是:
[0015] 将车轮材料与钢轨材料加工成轮形对滚试样,轮试样和轨试样为线接触;加工完 成后对试样表面进行抛光等预处理,以保证接触表面的粗糙度。加工的轮试样和轨试样分 为带锥度试样和平试样两种,轮试样和轨试样所受横向力通过试样的锥度来模拟施加,轮 试样和轨试样加工成不同锥度时可模拟不同的横向力。
[0016] 实验时,所需施加的径向压力大小通过结合现场实际轮轨接触应力与轮试样和轨 试样尺寸,利用安定理论计算得到。
[0017] 不同滑差通过不同齿数齿轮对的匹配来实现,可模拟滑差为:0. 17%、0. 91%、 2. 38 %、3. 83 %、4. 55 %、9. 43% ;当模拟纯滚动工况时,则将齿轮对拆下。
[0018] 调节转动台的角度,通过螺母将转动台固定在底座上,则可模拟轮轨冲角;实验模 拟冲角范围为-3°~+3°。
[0019] 当通过实时观察系统观测到被测轮试样和轨试样表面出现整圈且呈规律分布的 表面疲劳裂纹时,即认为被测轮试样和轨试样出现表面疲劳损伤。
[0020] 在实验进行前后,需要对轮试样和轨试样的硬度、重量、粗糙度等进行一系列测 量,并在实验过程中对磨肩进行收集,以及对磨损量进行测量,从各方面对其摩擦磨损行为 进行研究。
[0021] 与现有技术相比,本发明方法的有益效果是:
[0022] 通过把轮试样和轨试样加工成带锥度试样和平试样两种,可在实验过程中模拟轮 轨的横向力,探究横向力对表面疲劳裂纹损伤萌生与扩展的影响;通过轮试样和轨试样加 工成不同锥度时可模拟横向力的大小。
[0023] 调节转动台的角度,通过螺母将转动台固定在底座上,可在实验过程中模拟轮 轨冲角,探究冲角对表面疲劳裂纹损伤萌生及扩展的影响;实验模拟冲角范围为-3°~ +3。。
[0024] 轮轨接触采用线接触方式,所需施加径向压力不仅结合现场实际轮轨接触应力与 轮试样和轨试样尺寸采用线接触计算公式得到,同时结合安定理论,使轮轨接触状态分别 处于弹性接触区、弹性安定区、塑性安定区和棘轮效应区来研究轮轨接触应力对表面疲劳 裂纹损伤萌生与扩展的影响。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明实施例的轮试样和轨试样尺寸示意图。
[0026] 图2是本发明实施所使用的轮轨滚动磨损试验机工作过程示意图。
[0027] 图3是本发明实施例所使用的轮轨滚动磨损试验机示意图。
[0028] 图4是本发明实施例车轮试样磨损率随循环次数变化图。
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