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原文传递频繁启停工况下轮轨滚动接触行为与磨屑颗粒排放特性研究

论文题名：	频繁启停工况下轮轨滚动接触行为与磨屑颗粒排放特性研究
关键词：	轮轨磨损;滚动接触;启停过程;磨屑颗粒;排放特性
摘要：	轮轨作为轨道交通车辆运行的关键基础部件，肩负着承载、牵引、制动等重要功能，因而有效评估黏着、磨耗等轮轨关系对轨道交通运输的经济性和安全性具有重要的意义。随着现代轨道交通的日益发展，列车运行速度不断提高。车辆出入站台时的高加速化和高减速化是进一步提高运营速度的必然选择，启停快、站距短、噪音低已成为现代轨道交通发展的必然趋势。轮轨界面的损伤也日益凸显，特别是相比恒速运行时，启停过程中加/减速导致轮轨界面承受的滚动接触应力变得更为复杂，同时磨屑颗粒物的排放特性目前也尚不完全清楚。因此，频繁启停工况下轮轨滚动接触行为与磨屑颗粒排放特性己成为轮轨关系中急需解决的科学问题之一。　　本文基于自行研制的JD-DRCF/M轮轨滚动接触疲劳/磨损试验台，研究了不同加/减速度下的轮轨间滚动接触行为，并利用激光尘埃粒子计数仪记录轮轨界面单位体积空气内颗粒物大小及数目实时监测了轮轨界面的颗粒物排放特性；随后，利用激光粒度仪测定磨屑粒径分布；同时，借助光学显微镜观察金相显微组织、疲劳裂纹及塑性变形行为等情况；利用扫描电子显微镜观察磨痕表面形貌、同时采用X射线能谱分析磨损表面的元素分布；利用光学三维轮廓仪测量试样磨痕三维形貌等。同时，结合ABAQUS有限元模拟，分析了不同频繁启停下轮轨界面的应力及应变行为，进一步揭示了频繁启停工况下轮轨界面的滚动接触损伤机制。论文的主要结论如下：　　(1)开展了不同加速度ar下频繁启停工况的轮轨滚动接触磨损行为研究。结果表明：轮轨间黏着系数受加速度ar的影响显著；加速阶段完成后，随着加速度ar的提高黏着系数依次呈现先下降后上升的趋势；在800r·min-2加速度下黏着系数呈现出最小值，其值约为0.44左右，不到无加速度工况下的70%。　　(2)加速度ar对车轮和钢轨界面磨耗亦有显著影响，但其影响规律不尽相同；轮轨间磨耗与其轮轨界面剪切应力密切相关，适中的加速度（如ar=800r·min-2）可以减缓轮轨磨耗；频繁启停工况对磨屑的形成机制有强烈的干扰作用。无加速度工况下，磨损表面易堆积氧化磨屑。结合有限元分析可知，在加速过程中轮轨界面接触区域内的S-Mise应力、交变剪切应力作用加剧，且随着加速度增大而增大。因此，会导致新鲜的基材更易暴露出来、磨屑不易堆积且不能被及时氧化，剥落特征凸显。因此，当无加速度和加速度较小时，轮轨材料表面堆积的磨屑起到了减磨作用；当加速度较大时，轮轨材料剥落层增加、表面凹凸不平、剥落特征显著，加速度的提升会加剧车轮表面损伤，磨损机制从轻微磨损转变为严重磨损。　　(3)随着加速度ar的增大，车轮的塑性变形层厚度逐渐增加，而钢轨塑性变形层厚度基本保持不变。结合有限元分析可知，在加速度的影响下塑性累积加剧，当处于无加速度工况下时，在有限的循环周次下裂纹仅出现在材料表面，未发现明显的裂纹扩展现象；而当处于加速度工况下时，次表层材料在交变应力作用下萌生次表层裂纹，同时表层裂纹会向下发生扩展；当裂纹扩展过程中，有一部分裂纹会形成枝裂纹。向下扩展的裂纹遇到次表层裂纹后，会在塑性变形区域内沿着铁素体线转向表层发生扩展，当它们到达表层时会形成较大裂纹，试验一段时间后裂纹以上的材料发生疲劳断裂以磨屑形式脱落下来。　　(4)无加速度的稳定运行工况下，磨屑相对疏松、磨屑以颗粒状为主，大尺寸颗粒（50μm至100μm）占比远低于有加速度工况，但小粒径颗粒物（如d≤1.0μm）的排放量高于有加速度工况；加速度工况下，磨屑片状特征显著，其中800r·min-2加速度下大尺寸颗粒（50μm至100μm）最多且其尺寸相对均匀；启停工况（即有加速度）大大提高了可吸入颗粒物（如3.0≤d≤10.0μm）的排放量，尤其在较低加速度（如400r·min-2）下这种现象更为明显。
作者：	秦涛
专业：	化学工程
导师：	熊光耀
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华东交通大学
学位年度：	2021