馬超智，辛 濤,2,3，高 亮,2,3，崔旭浩

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,北京 100044；2. 北京交通大學(xué) 軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044；3.北京交通大學(xué) 北京市軌道交通線路工程與防災(zāi)工程技術(shù)研究中心,北京 100044)

車輪及鋼軌的磨耗磨損成為影響鐵路運(yùn)輸安全性及經(jīng)濟(jì)性的重大問題。文獻(xiàn)[1-2]表明輪軌發(fā)生磨耗后,接觸狀態(tài)易由單點(diǎn)接觸變?yōu)閮牲c(diǎn)接觸,并加速接觸表面的磨耗傷損。為研究輪軌磨耗的作用機(jī)理,人們基于能量耗散磨損或黏著磨損理論對(duì)輪軌磨耗開展了大量的仿真研究。文獻(xiàn)[3]以能量耗散磨損機(jī)制為理論基礎(chǔ),分析了摩擦系數(shù)對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸磨耗的影響。文獻(xiàn)[4]基于Zobory以能量流密度為基礎(chǔ)建立的車輪磨耗模型,分析了壓剪復(fù)合型彈性車輪的磨耗行為。文獻(xiàn)[5-6]基于Archard磨損模型,建立輪軌型面磨耗的數(shù)值分析方法及磨耗演化過程。由于摩擦功等能量耗散模型以接觸界面摩擦應(yīng)力、相對(duì)滑動(dòng)速度為參量,Archard磨耗模型以輪軌摩擦副較小的硬度值表征,故都無法分別表征輪軌介質(zhì)各自的磨耗程度,不能很好反映不同屈服強(qiáng)度匹配時(shí)輪軌摩擦副的差異磨耗現(xiàn)象。

另外文獻(xiàn)[7]對(duì)比分析了輪軌滾動(dòng)接觸的彈性及彈塑性解答,結(jié)果表明材料塑性變形改變了接觸斑的黏滑分布范圍。文獻(xiàn)[8-9]通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)輪軌接觸表面多處產(chǎn)生明顯的剪切塑性變形。文獻(xiàn)[10]認(rèn)為輪軌材料的抗磨損能力取決于材料抵抗塑性變形的能力。而材料進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)后,抵抗塑性變形能力急劇降低,則抗磨損能力亦大幅降低。因此，材料的塑性屈服對(duì)接觸磨損有顯著影響,而既有的摩擦功指標(biāo)主要關(guān)注接觸界面的摩擦力、相對(duì)滑動(dòng)速度,將接觸斑滑動(dòng)區(qū)范圍內(nèi)的塑性屈服區(qū)與非屈服區(qū)采用單一摩擦功指標(biāo)進(jìn)行整體考慮,無法細(xì)致反映材料塑性屈服對(duì)磨耗造成的影響,亦無法反映輪軌磨耗程度的差異。故需綜合介質(zhì)本身材料特性及摩擦磨損機(jī)理,對(duì)輪軌彈塑性滾動(dòng)接觸的磨耗機(jī)制做進(jìn)一步研究。

本文針對(duì)傳統(tǒng)輪軌磨耗模型無法關(guān)注接觸處介質(zhì)塑性屈服對(duì)接觸磨損造成的影響,也不能很好反映不同屈服強(qiáng)度匹配時(shí)輪軌摩擦副的差異磨耗現(xiàn)象。依據(jù)摩擦功模型的能量耗散理論,通過Mises屈服準(zhǔn)則對(duì)接觸斑滑動(dòng)區(qū)進(jìn)行彈、塑性分區(qū),并提出塑性區(qū)摩擦功(滑動(dòng)區(qū)與塑性區(qū)交疊部分的摩擦功密度之和)的概念,以此表征接觸處材料塑性屈服與滑動(dòng)區(qū)摩擦磨損的共同作用。為進(jìn)一步探索改進(jìn)摩擦功模型的可行性,建立能考慮不同材料強(qiáng)度的三維輪軌滾動(dòng)接觸模型,將本文提出的輪軌塑性區(qū)摩擦功與接觸斑總摩擦功進(jìn)行綜合分析,并進(jìn)一步闡明其隨輪軌屈服強(qiáng)度比的變化規(guī)律。

1 摩擦功模型改進(jìn)

1.1 磨耗模型概述

接觸磨耗模型主要分為兩大類,一類以能量耗散為理論基礎(chǔ),主要有摩擦功模型或與磨耗指數(shù)有關(guān)的磨耗模型；另一類以黏著磨損為理論基礎(chǔ),且以Archard磨耗模型應(yīng)用最廣。

摩擦功模型認(rèn)為磨耗僅發(fā)生在滑動(dòng)區(qū)As，并且磨耗與摩擦功成正比[11]。任一單元格摩擦功(率)密度與Zobory模型的能量流密度計(jì)算公式相同,為

(1)

為衡量滾動(dòng)接觸時(shí)輪軌總體磨耗情況,可用接觸斑內(nèi)耗散的總能量近似表征,故取接觸斑總摩擦功Wf為滑動(dòng)區(qū)范圍內(nèi)各單元格摩擦功之和,計(jì)算公式為

(2)

Archard[12]認(rèn)為,材料磨耗的體積Vwear與接觸法向力、滑動(dòng)距離成正比,與材料的硬度成反比,即

(3)

式中：k為磨耗系數(shù),通過大量磨耗實(shí)驗(yàn)獲得；Fn為接觸法向壓力；s為滑動(dòng)距離；H為材料的硬度,取摩擦副的較小值。

1.2 磨耗分區(qū)及塑性區(qū)摩擦功的提出

輪軌材料是典型的彈塑性材料,借鑒文獻(xiàn)[13],假定本構(gòu)關(guān)系為雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型,見圖1。通常材料的應(yīng)力可表示為

圖1 輪軌彈塑性材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

式中：σ和ε分別為材料的應(yīng)力和應(yīng)變；σs和εs分別為塑性屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變；Ee和Ep分別為彈性模量和塑性屈服后的強(qiáng)化模量。

當(dāng)介質(zhì)加載進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)后,材料變軟及抵抗變形能力大幅度降低,通過文獻(xiàn)[10]可知,抵抗磨損的能力也顯著降低,在加載條件下會(huì)大幅度增加磨耗程度。若磨耗只發(fā)生在滑動(dòng)區(qū)的假設(shè)仍成立,當(dāng)接觸斑內(nèi)塑性區(qū)與滑動(dòng)區(qū)沒有交疊時(shí),即塑性區(qū)全部在黏著區(qū)內(nèi),則該塑性區(qū)內(nèi)由于沒有摩擦功的作用,故不會(huì)造成輪軌介質(zhì)磨耗及顯著的塑性流動(dòng)變形；當(dāng)接觸斑內(nèi)塑性區(qū)與滑動(dòng)區(qū)有部分交疊時(shí),交疊區(qū)范圍內(nèi)介質(zhì)材料由于硬度、抵抗磨損能力顯著降低以及輪軌間摩擦功的能量耗散作用,會(huì)加劇輪軌接觸處介質(zhì)的磨損并造成顯著的塑性流動(dòng)變形。

基于上述思路,材料塑性屈服后大幅度減小的抗磨損能力與接觸斑滑動(dòng)區(qū)摩擦功激擾的共同作用,會(huì)明顯加劇摩擦副材料的磨損。故有必要將由黏著區(qū)及滑動(dòng)區(qū)組成的接觸斑[14]基于材料Mises屈服準(zhǔn)則進(jìn)一步細(xì)分為塑性黏著區(qū)、彈性黏著區(qū)、塑性滑動(dòng)區(qū)以及彈性滑動(dòng)區(qū),見圖2,并提取塑性區(qū)摩擦功,以此表征材料塑性屈服變軟與摩擦功磨耗的共同作用。此外由于車輪、鋼軌自身材料本構(gòu)、接觸幾何形位的不同,輪軌接觸斑內(nèi)應(yīng)力分布,以及依據(jù)Mises準(zhǔn)則判定的塑性區(qū)分布也都不同,鋼軌塑性區(qū)摩擦功不等于車輪塑性區(qū)摩擦功。故在應(yīng)用塑性區(qū)摩擦功時(shí),需先指明是車輪還是鋼軌,這也表明了塑性區(qū)摩擦功這一評(píng)估指數(shù)可以反映輪軌磨耗程度的差異。

圖2 基于材料塑性屈服的接觸斑劃分

圖3 輪軌滾動(dòng)接觸有限元模型

根據(jù)接觸斑總摩擦功的計(jì)算方法,定義車輪(鋼軌)塑性區(qū)摩擦功為摩擦功密度在車輪或鋼軌接觸斑塑性滑動(dòng)區(qū)上的積分，即

(4)

若設(shè)未進(jìn)入塑性屈服的滑動(dòng)區(qū)為彈性滑動(dòng)區(qū),則接觸斑總摩擦功可進(jìn)一步表示為

(5)

式中：Aps為車輪(鋼軌)接觸斑塑性區(qū)與滑動(dòng)區(qū)的交疊區(qū)域(塑性滑動(dòng)區(qū))；Wpf為車輪(鋼軌)塑性區(qū)摩擦功；Wef為車輪(鋼軌)彈性區(qū)摩擦功。

根據(jù)上述定義,把塑性區(qū)摩擦功作為接觸磨耗程度的衡量指標(biāo),其優(yōu)點(diǎn)為:(1)可以考慮材料塑性屈服對(duì)摩擦副磨耗程度的影響；(2)能分別表征輪軌介質(zhì)各自的磨耗程度,反映輪軌磨耗程度的差異。為研究改進(jìn)磨耗模型的合理性及可行性,本文建立了彈塑性滾動(dòng)接觸有限元模型,以作進(jìn)一步分析。

2 輪軌滾動(dòng)接觸模型

輪軌滾動(dòng)接觸有限元模型見圖3,圖中Fz為車輪載荷，ω為轉(zhuǎn)速。為減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量與計(jì)算成本,鋼軌和車輪只取接觸局域進(jìn)行建模,通過試算車輪進(jìn)入穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)的時(shí)間,將鋼軌和車輪柔性體長(zhǎng)度取400 mm。由于彈塑性介質(zhì)的阻尼耗能、窄帶濾波作用,在遠(yuǎn)離接觸點(diǎn)的部分,介質(zhì)僅有很小的彈性變形[15],且該模型主要關(guān)注接觸界面的復(fù)雜力學(xué)行為,因此本模型中輪軌柔性體垂向厚度各取30 mm即可保證很好的計(jì)算精度。此外為保證仿真結(jié)果能很好顯示接觸斑的形狀,獲得準(zhǔn)確的接觸應(yīng)力分布,接觸區(qū)域網(wǎng)格尺寸應(yīng)足夠小,結(jié)合文獻(xiàn)[16-17],本模型接觸區(qū)網(wǎng)格尺寸取為1 mm。為進(jìn)一步減少整體網(wǎng)格數(shù)量并避免網(wǎng)格形狀在某一方向尺寸超限而影響網(wǎng)格質(zhì)量,對(duì)于輪軌非接觸區(qū)網(wǎng)格尺寸最大為4 mm。

將對(duì)接觸斑力學(xué)特性影響不大的部分設(shè)置為剛體,其中車輪剛體由輪心處的質(zhì)點(diǎn)和與車輪柔性體綁定連接的環(huán)形剛體組成。采用這樣的建模方法：一可以在不影響計(jì)算精度的同時(shí)顯著縮短求解時(shí)間；二方便輪載集中力、滾滑速度的施加。本模型采用剛體驅(qū)動(dòng)柔性體法來模擬車輪在鋼軌上的滾動(dòng)接觸行為，滾滑速度設(shè)置方法如圖3所示,即以施加鋼軌剛體向左的平動(dòng)速度Vx來模擬車輪向右的平動(dòng)速度,同時(shí)施加車輪剛體繞車軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度ω,基于運(yùn)動(dòng)的合成法則即可模擬輪軌的滾動(dòng)接觸行為。為避免初始滾動(dòng)、平動(dòng)時(shí)剛體對(duì)柔性體造成的巨大沖擊,降低輪軌系統(tǒng)的初始振蕩,縮短進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)的時(shí)間,分別對(duì)車輪、鋼軌柔性體施加與剛體相同的初始轉(zhuǎn)動(dòng)速度和平動(dòng)速度。鋼軌前、后截面施加非反射邊界約束,以此消除反射應(yīng)力波所造成的數(shù)值不穩(wěn)定,同時(shí)對(duì)車輪剛體橫向自由度、鋼軌剛體垂向和橫向自由度施加約束。平穩(wěn)狀態(tài)時(shí),縱向蠕滑率為

(6)

式中：r為接觸點(diǎn)的車輪滾動(dòng)圓半徑；ωr為接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

輪軌接觸面間的摩擦系數(shù)是影響磨耗的重要因素,采用面面自動(dòng)接觸和庫倫摩擦準(zhǔn)則來模擬輪軌接觸界面的力學(xué)傳遞行為。為避免輪軌接觸過程中不必要的數(shù)值振蕩,垂直于接觸表面的接觸阻尼設(shè)置為臨界阻尼的20%。庫倫摩擦模型為[18]

(7)

式中：p為法向接觸應(yīng)力；τlim為動(dòng)摩擦應(yīng)力；fd、fs、DC分別為動(dòng)摩擦系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、指數(shù)衰減系數(shù)；Vrel為輪軌相對(duì)滑動(dòng)速度；τx、τy為縱橫向切應(yīng)力。本模型中fd=0.4,fs=0.4,DC=0；輪軌接觸面摩擦系數(shù)μ取值為0.4[19]。

為進(jìn)一步減小系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間,將模型分兩步進(jìn)行求解。(1)添加人工阻尼并采用動(dòng)態(tài)松弛法,求解得到靜輪載作用下的位移場(chǎng)；(2)以位移場(chǎng)作為初始狀態(tài),施加與靜輪載相同的輪載集中力、滾平動(dòng)速度進(jìn)行滾動(dòng)接觸仿真。圖4為仿真得到的法向接觸力fz、縱向蠕滑力fx時(shí)程曲線,在6.0 ms之后,輪軌滾動(dòng)接觸進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。提取此時(shí)刻輪軌接觸斑節(jié)點(diǎn)速度、接觸法向、切向應(yīng)力以及Mises應(yīng)力等數(shù)據(jù),確定接觸斑滑動(dòng)區(qū)、黏著區(qū)、塑性區(qū)分布范圍以及摩擦功密度、接觸斑總摩擦功、輪或軌塑性區(qū)摩擦功的數(shù)值。

圖4 法向接觸力、縱向蠕滑力時(shí)程曲線

3 基于塑性區(qū)摩擦功的接觸磨耗分析

3.1 算例

黏著系數(shù)會(huì)影響接觸斑內(nèi)滑動(dòng)區(qū)的分布,進(jìn)而影響塑性滑動(dòng)區(qū)的分布以及塑性區(qū)摩擦功的數(shù)值。當(dāng)車速小于300 km/h時(shí),干態(tài)條件下輪軌黏著系數(shù)呈現(xiàn)無規(guī)律波動(dòng),并在0.2～0.4范圍內(nèi)無序變化[20],本文取黏著系數(shù)為0.28開展相關(guān)研究。以車輪屈服強(qiáng)度550 MPa、鋼軌屈服強(qiáng)度500 MPa為例,分析車輪載荷80 kN、速度100 km/h以及黏著系數(shù)0.28時(shí)輪軌接觸磨耗特征?；诮佑|節(jié)點(diǎn)力大于0、庫倫摩擦準(zhǔn)則以及Mises屈服準(zhǔn)則,仿真得到車輪及鋼軌接觸斑黏滑、彈塑性分布見圖5(圖中X、Y為接觸斑尺寸坐標(biāo)),與圖2基于材料塑性屈服的接觸斑分區(qū)吻合,表明了改進(jìn)摩擦功模型的可行性。由于車輪屈服強(qiáng)度是鋼軌的1.1倍,鋼軌接觸斑與車輪接觸斑塑性區(qū)分布不同,鋼軌接觸處介質(zhì)有明顯屈服而表現(xiàn)為較大塑性區(qū),并與滑動(dòng)區(qū)有交疊形成塑性滑動(dòng)區(qū)；車輪材料屈服強(qiáng)度較高,接觸時(shí)車輪表面只有小部分介質(zhì)進(jìn)入塑性屈服狀態(tài),且沒有擴(kuò)展延伸至滑動(dòng)區(qū),故不會(huì)形成塑性滑動(dòng)區(qū)?；诖吮砻?當(dāng)輪軌材料強(qiáng)度不同時(shí),穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)時(shí)雖然黏滑分布特征一致,但塑性滑動(dòng)區(qū)卻因輪軌屈服強(qiáng)度的不同而有顯著差別。這也進(jìn)一步表明改進(jìn)的磨耗模型具有分別評(píng)價(jià)輪軌介質(zhì)各自磨耗程度的優(yōu)點(diǎn)。

圖5 鋼軌和車輪表面黏滑及彈塑性分布

圖6 接觸斑摩擦功密度分布圖

為進(jìn)一步確定塑性區(qū)摩擦功、總摩擦功的數(shù)值,量化磨耗程度。圖6給出了接觸斑內(nèi)摩擦功密度分布情況,由圖可知,摩擦功密度分布呈明顯的自旋效應(yīng),最大值為37.0 W/mm2,在滑動(dòng)區(qū)內(nèi)對(duì)摩擦功密度積分得接觸斑總摩擦功為970.45 W,在鋼軌塑性滑動(dòng)區(qū)內(nèi)對(duì)摩擦功密度積分得鋼軌塑性區(qū)摩擦功為307.52 W,塑性區(qū)摩擦功為總摩擦功的31.69%。在車輪塑性滑動(dòng)區(qū)內(nèi)對(duì)摩擦功密度積分得車輪塑性區(qū)摩擦功為0,說明車輪接觸斑滑動(dòng)區(qū)與塑性區(qū)無交疊。當(dāng)車輪屈服強(qiáng)度為550 MPa、鋼軌為500 MPa,即車輪屈服強(qiáng)度高于鋼軌時(shí),車輪塑性區(qū)摩擦功小于鋼軌塑性區(qū)摩擦功,得到車輪磨耗程度低于鋼軌的結(jié)論,而這結(jié)論是接觸斑總摩擦功反映不出的,顯示出了塑性區(qū)摩擦功這一磨耗指標(biāo)的優(yōu)越性。

3.2 不同輪軌屈服強(qiáng)度的磨耗分析

我國鐵路使用的輪軌材料多樣，不同材料的屈服強(qiáng)度存在差異，目前合理的輪軌屈服強(qiáng)度比值仍存在較大爭(zhēng)議。本節(jié)以提出的塑性區(qū)摩擦功以及總摩擦功為衡量磨耗程度的指標(biāo),分析輪軌屈服強(qiáng)度比在0.9～1.2范圍內(nèi)的磨耗變化規(guī)律，并探討合理的輪軌屈服強(qiáng)度比值。此外,為明確材料塑性屈服對(duì)磨耗產(chǎn)生的影響,設(shè)置輪軌材料都為線彈性作對(duì)比分析；為揭示輪軌系統(tǒng)高、低屈服強(qiáng)度下磨耗的變化規(guī)律,設(shè)置輪軌屈服強(qiáng)度比為550 MPa/550 MPa作對(duì)比分析,共計(jì)11種工況,見表1。分析結(jié)果綜合反映了塑性區(qū)摩擦功等評(píng)估指數(shù)隨輪軌強(qiáng)度比值、大小等因素的變化規(guī)律。

表1 不同輪軌屈服強(qiáng)度比下磨耗指標(biāo)

保持鋼軌屈服強(qiáng)度不變時(shí),不同車輪屈服強(qiáng)度下的摩擦功與塑性區(qū)摩擦功變化規(guī)律見圖7。從分析改進(jìn)模型及傳統(tǒng)摩擦功模型可得如下結(jié)論:

圖7 摩擦功與塑性區(qū)摩擦功隨輪軌屈服強(qiáng)度比變化曲線

(1)基于改進(jìn)摩擦功模型(由塑性區(qū)摩擦功表征):

①相同鋼軌屈服強(qiáng)度下,提高車輪屈服強(qiáng)度使鋼軌塑性區(qū)摩擦功增大,即鋼軌磨耗程度增大；而車輪塑性區(qū)摩擦功則先減小后保持不變,即車輪磨耗程度先減小后變化不明顯。該結(jié)論與文獻(xiàn)[21]基于3種材質(zhì)車輪與3種材質(zhì)鋼軌的對(duì)磨試驗(yàn)得到的測(cè)試結(jié)果是一致的。

②車輪及鋼軌塑性區(qū)摩擦功之和(系統(tǒng)塑性區(qū)摩擦功)變動(dòng)顯著,并呈先減小后增大的趨勢(shì)。文獻(xiàn)[22]基于摩擦磨損試驗(yàn)表明,隨著輪軌硬度(強(qiáng)度)比的提高,輪軌系統(tǒng)的磨損量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),改進(jìn)摩擦功模型反映的結(jié)論與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本吻合。

(2)基于傳統(tǒng)摩擦功模型(由總摩擦功表征):隨著輪軌屈服強(qiáng)度比的提高,總摩擦功緩慢增大,輪軌磨耗程度均逐漸增大。傳統(tǒng)摩擦功模型反映的磨耗規(guī)律與文獻(xiàn)[22]的試驗(yàn)結(jié)果有一定偏差。

對(duì)比改進(jìn)及傳統(tǒng)摩擦功模型得到的結(jié)論,發(fā)現(xiàn)改進(jìn)摩擦功模型與輪軌摩擦磨損試驗(yàn)得到的結(jié)果基本相符,且還可根據(jù)車輪塑性區(qū)摩擦功、鋼軌塑性區(qū)摩擦功的相對(duì)大小來衡量輪軌磨耗的相對(duì)高低,反映輪軌磨耗程度的差異,所能反映的輪軌磨耗特征信息更合理、豐富；而傳統(tǒng)摩擦功模型僅采用單一的總摩擦功為輪軌磨耗評(píng)判指標(biāo),所能反映的輪軌磨耗特征信息較少,無法體現(xiàn)輪軌磨耗程度差異。

(3)依據(jù)表1及圖7,還可得到如下結(jié)論:

①彈塑性材料的摩擦功密度峰值低于線彈性材料,分析原因主要是輪軌接觸處介質(zhì)進(jìn)入塑性屈服后,造成接觸應(yīng)力重分布,進(jìn)而降低接觸應(yīng)力集中程度,使得接觸斑摩擦功密度分布趨向均勻。

②輪軌屈服強(qiáng)度比小于0.96時(shí),車輪塑性區(qū)摩擦功大于鋼軌塑性區(qū)摩擦功,車輪磨耗程度高于鋼軌；輪軌屈服強(qiáng)度比為1.01～1.02時(shí),系統(tǒng)塑性區(qū)摩擦功降到最小,由于總摩擦功在屈服強(qiáng)度比0.9～1.2范圍內(nèi)增幅不明顯,磨耗程度近似可由塑性區(qū)摩擦功衡量,基于此輪軌屈服強(qiáng)度比控制在1.01～1.02時(shí),有利于減小系統(tǒng)磨耗；輪軌屈服強(qiáng)度比大于1.01時(shí),車輪塑性區(qū)摩擦功減小到0,表明車輪接觸斑內(nèi)滑動(dòng)區(qū)未與塑性區(qū)發(fā)生交疊,即車輪接觸斑磨耗區(qū)(滑動(dòng)區(qū))范圍內(nèi)材料未進(jìn)入塑性屈服狀態(tài),此時(shí)車輪磨耗程度則應(yīng)由總摩擦功衡量。

③輪軌屈服強(qiáng)度均為500 MPa或550 MPa,這兩組數(shù)據(jù)表明,輪軌屈服強(qiáng)度相同時(shí)鋼軌塑性區(qū)摩擦功均高于車輪,說明接觸處鋼軌介質(zhì)比車輪介質(zhì)更容易進(jìn)入塑性屈服狀態(tài),以及鋼軌比車輪更易產(chǎn)生磨耗,分析原因可能是由于車輪踏面錐度以及軌底坡等接觸幾何形位造成的。

④在保證輪軌屈服強(qiáng)度比不變的情況下,整體提高屈服強(qiáng)度,接觸斑總摩擦功稍微增大,但車輪或鋼軌塑性區(qū)摩擦功顯著減小。如當(dāng)輪軌屈服強(qiáng)度由500 MPa提高至550 MPa時(shí),總摩擦功增大4.8%,系統(tǒng)塑性區(qū)摩擦功減小83.2%,鋼軌塑性區(qū)摩擦功減小71.9%,車輪塑性區(qū)摩擦功減小至0,表明整體提高輪軌屈服強(qiáng)度,對(duì)減少系統(tǒng)磨耗有積極意義。

4 結(jié)論

本文基于既有能量耗散磨損理論,通過考慮輪軌接觸時(shí)材料塑性屈服對(duì)磨耗造成的影響,提出了彈、塑性分區(qū)磨耗分析方法及塑性區(qū)摩擦功這一評(píng)估指數(shù)。進(jìn)一步建立了可考慮輪軌材料不同屈服強(qiáng)度比的滾動(dòng)接觸模型,仿真分析了塑性區(qū)摩擦功、總摩擦功隨輪軌屈服強(qiáng)度比的變化規(guī)律,探討了輪軌合理的屈服強(qiáng)度匹配。主要結(jié)論為：

(1)相比總摩擦功,塑性區(qū)摩擦功既可考慮材料塑性屈服后抗磨損能力降低對(duì)輪軌磨耗的影響，也能分別表征輪軌各自的磨耗程度,反映輪軌磨耗的差異，體現(xiàn)了塑性區(qū)摩擦功這一評(píng)估指數(shù)的優(yōu)越性。

(2)相同鋼軌屈服強(qiáng)度下,提高車輪屈服強(qiáng)度使鋼軌塑性區(qū)摩擦功增大,即鋼軌磨耗程度增大，而車輪塑性區(qū)摩擦功則先減小后保持不變,即車輪磨耗程度先減小后變化不明顯。

(3)隨著輪軌屈服強(qiáng)度比的提高,接觸斑總摩擦功緩慢增大,車輪及鋼軌塑性區(qū)摩擦功之和變動(dòng)顯著,并呈先減小后增大的趨勢(shì)。系統(tǒng)塑性區(qū)摩擦功隨輪軌屈服強(qiáng)度比的變化規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)了很好的一致性。

(4)輪軌屈服強(qiáng)度比小于0.96時(shí),車輪塑性區(qū)摩擦功大于鋼軌,車輪磨耗高于鋼軌；輪軌屈服強(qiáng)度比為1.01～1.02時(shí),系統(tǒng)塑性區(qū)摩擦功降到最小,有利于減小系統(tǒng)磨耗。由于車輪踏面錐度及軌底坡等接觸幾何形位的影響,輪軌同強(qiáng)度時(shí)接觸處鋼軌介質(zhì)比車輪介質(zhì)更容易進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)以及鋼軌比車輪更易產(chǎn)生磨耗。

(5)在保證輪軌屈服強(qiáng)度比不變的情況下,整體提高屈服強(qiáng)度,接觸斑總摩擦功稍微增大,輪或軌塑性區(qū)摩擦功均顯著減小,基于此整體提高屈服強(qiáng)度對(duì)降低輪軌系統(tǒng)磨耗有積極意義。