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原文传递高速轮轨黏着特性数值与实验研究

论文题名：	高速轮轨黏着特性数值与实验研究
关键词：	高速铁路轮轨;黏着机理;热效应;数值拟合
摘要：	高速轮轨黏着问题是轮轨摩擦学研究中的难题之一。列车的牵引和制动能力都受到轮轨黏着特性的制约。我国幅员辽阔，一万多公里的高铁线路都裸露在外，钢轨表面不可避免的会被水、油等“第三介质”污染，从而极大地降低了轮轨间的黏着特性，增加了轮轨的接触疲劳损伤。近年来我国铁路向着高速和重载方向发展，对于轮轨黏着力的发挥提出了更高的要求。由于轮轨黏着是个很复杂的摩擦学现象并且受很多因素的影响，因此目前对于高速轮轨黏着机理的研究十分有限。虽然在实验方面开展的工作较多，但是基本是在中低速条件下的双轮对滚实验，很难精确完整地揭示高速条件下的黏着机理。一般来讲数值模拟可以很好地弥补解释实验中的现象并且可以模拟较高的运行速度，但是相比于实验，研究数值研究鲜见报道。因此，有必要从数值和实验两个方面深入研究高速轮轨黏着的机理，为保障我国高速铁路运营安全以及黏着控制和增黏措施的选取提供理论依据。　　通过数值仿真和高速试验，本论文主要开展了以下几个方面的研究工作: 　　(1)全面地介绍国内外在高速轮轨黏着研究方面的现状，提出了进行此方面研究的必要性，并简要介绍了本文的研究思路。　　(2)建立了在轮轨摩擦副间存在水和油污染时的热效应的三维全膜润滑模型，获得了油水存在时的接触特性。分析了速度和轴重对表面介质膜厚的影响。掌握了考虑温度和等温模型预测的界面流体膜厚的差别。通过此模型进行了二十组数值拟合，获得了适合水介质存在时的三维中心膜厚和最小膜厚与速度、材料参数、载荷及椭圆比相关的经验公式，为后续简化模型的应用提供理论基础。　　(3)系统地调查了基于统计方法的微观弹塑性模型，从微观角度分析了各模型的间隙-接触载荷和接触载荷-接触面积随塑性指数变化的规律;并且从宏观角度基于轮轨接触工况，通过Newton-Raphson法求解了各模型的方程组，获得了不同载荷和不同粗糙度参数下三种模型的接触压力分布规律，并对比了不同载荷下的各模型最大接触压力和接触斑半宽。通过以上对比分析，掌握了各模型间的差别和适用条件为后续混合润滑计算微观粗糙峰接触压力的计算模型选取提供理论基础。　　(4)针对轮轨界面存在水介质时且表面粗糙度较小而引起的低膜厚比（Λ＜0.5）的工况，本文基于Grubin理论和微观弹塑性接触理论建立了二维和三维简化了的高速轮轨黏着模型。首次将入口区粘压温升、微观固体弹塑性接触及微观固体粗糙峰间的摩擦温升等因素耦合到一个模型中进行黏着分析计算。针对一般计算工况（Λ＞0.5），首先建立了三维考虑微观粗糙峰的弹性变形的高速轮轨模型。然后首次将温度、弹塑性和界面流体流变效应耦合到一个二维高速轮轨黏着计算模型中，最后将前面两个模型拓展到更全面的考虑温度和弹塑性的三维高速轮轨黏着模型。成功地拓展了传统的热弹流计算方法使其能够适用于轮轨摩擦副的黏着计算。从数值角度解释了速度、表面粗糙度、轴重、表面纹理、温度、流变特性、滑移率等因素对高速轮轨黏着特性影响的机理。　　(5)利用JD-2高速轮轨滚动接触试验装置对轮轨间存在水、油和水油混合物时的黏着特性进行了试验，试验中最高模拟速度达到300 km/h。获得了三种轨面状态下的速度曲线。通过本文试验从另一个角度揭示了高速轮轨黏着机理，丰富了国内外在试验方面模拟速度在200 km/h以上的数据。将高速轮轨黏着理论模型的数值结果与试验结果进行对比验证。基于试验和数值结果可以为后续轮轨黏着控制和增黏措施的选取提供理论依据。
作者：	吴兵
专业：	载运工具运用工程
导师：	金学松
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文