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西南交通大学硕士研究生毕业答辩《钢轨综合摩擦管理策略对轮轨磨耗的影响研究》•答辩人:XX•指导老师:XX教授目录CONTENTS01选题背景及研究意义02轮轨磨耗及减磨办法03钢轨摩擦管理概述04轮轨磨耗问题综合评价06仿真计算及结论05试验数据对比分析及结论01选题背景及研究意义01选题背景及研究意义•国外—20世纪20年代在美国首次出现,瑞典、澳大利亚、俄罗斯、南非、巴西、欧洲等国家或地区均发展有重载铁路技术•国内—万吨重载货运列车在国内普遍开行,大秦线年运量突破4亿吨,30吨轴重重载铁路技术实现突破;继“客运高速”后,“货运重载”将成为中国铁路建设新重点重载铁路快速发展IHHA:牵引质量≥8000t,车辆轴重≥27t,年货运量≥4000万t01选题背景及研究意义剥落、剥离、压溃、波浪形磨损、钢轨侧磨以及疲劳裂纹(RCF)高速铁路以疲劳裂纹为主重载铁路则以磨损为主小半径曲线表现为轨侧磨损和轨顶疲劳损伤钢轨损伤形式车轮踏面的剥离磨损和踏面擦伤车轮损伤形式大轴重高密度轮轨间动力作用加剧轮轨磨耗(Wear)滚动接触疲劳(RCF)轮轨服役寿命降低经济效益RCF→踏面剥离磨损频繁制动→踏面擦伤→剥离磨损0102轮轨摩擦管理在欧洲和日本轮轨润滑实践中发现有效的轮轨润滑可以将波磨增长率降低到原先的9%~12.5%钢轨打磨广州地铁对一段出现短波波磨的曲线线路进行钢轨打磨,经过打磨后钢轨波磨仍旧反复出现,但是采用钢轨打磨配合钢轨润滑后轨顶波磨在随后一年跟踪检测中未被发现,研究发现倘若没有适当的钢轨润滑措施钢轨潜在寿命将损失95%01选题背景及研究意义轮轨摩擦功轮轨磨耗横(纵)向蠕滑率自旋系数摩擦系数法向力车辆结构线路条件运用工况轮轨材质轮轨匹配表面状态钢轨廓型打磨轮轨摩擦管理钢轨修复性打磨02轮轨磨耗及减磨办法02轮轨磨耗及减磨办法式中K——微凸体接触时产生磨粒的概率W——微凸体上产生的法向总载荷P0——轮轨屈服压应力轮轨磨耗机理一般而言,磨损是指由于两物体之间的机械作用导致的物体表面材料的逐渐损耗,是由于摩擦结合力的反复扰动而造成的疲劳破坏。03 PQKW粘着磨损轮轨粘着磨损与材料屈服压应力、法向载荷水平有关 aWQKH式中W——法向载荷(N);H——较软材料的硬度(Hv);Ka——磨粒磨损常数。磨粒磨损轮轨磨粒磨损与轮轨材料、法向载荷水平及磨粒材料属性有关02轮轨磨耗及减磨办法疲劳磨耗也叫表面疲劳磨耗,其与黏着磨耗不同,疲劳磨耗产生的磨耗碎片将连续的附着在钢轨上,这些附着于钢轨的碎片将形成薄片状而最终剥离。交变剪应力幅值>轮轨材料持久极限疲劳磨耗疲劳破坏轮轨疲劳磨损与轮轨材料属性、交变载荷幅值有关需要对轮轨界面的摩擦管理介质的腐蚀性进行关注磨蚀磨损“化学反应—摩擦剥离—化学反应”循环过程磨粒磨损粘着磨损02轮轨磨耗及减磨办法vTreadvFlanged两点接触时:vTread≠P0≥σS相对滑动轮缘与轨侧之间剧烈磨损若磨损量记为W则有:W∝d一点接触时:轮轨间为凸点接触FvFlange塑性变形塑性部分与弹性部分之间出现裂纹凸点断裂脱离母材解决方式减小轮轨横向力解决方式轮轨型面匹配轮缘与轨侧磨耗02轮轨磨耗及减磨办法,,spWearKSxyQxyxy接触区域∬轮轨磨耗能量损耗模型与材料性能、滑动接触压力有关的经验参数轮轨摩擦系数控制轮轨型面匹配与优化蠕滑率分布函数蠕滑力分布函数轮轨摩擦(润滑)管理钢轨廓型打磨配合02轮轨磨耗及减磨办法外轨轨面滚动接触疲劳外轨轨侧磨损轮轨接触疲劳轮轨表面磨损此消彼长,相互竞争高速铁路重载铁路小半径曲线铁路轮轨摩擦管理油楔效应轮轨寿命受疲劳控制钢轨打磨主要研究内容:探究在合理的钢轨综合摩擦控制方式下实现磨耗寿命的最大化03钢轨综合摩擦管理概述03钢轨综合摩擦管理概述Kumar教授提出全廓面摩擦管理(TFM)轨侧润滑将导致轮对冲角略微增加,造成内轨轨顶的垂直磨耗增大轨顶摩擦管理(ToRFM)AAR在FAST环行线采用轮缘、轨侧润滑试验结果表明,轨侧润滑减磨效果可达2~10倍,能耗减少34%。曲线轨侧涂油润滑(GFoRFM)But降低钢轨垂直磨耗和侧面磨耗40%~60%,将波磨增长率降低至原先水平的1/11~1/8钢轨摩擦控制方式朔黄铁路采用该理念进行试验外轨侧磨和内轨垂磨下降30%~60%,横向力水平降低20%~40%,钢轨服役寿命延长30%03钢轨综合摩擦管理概述钢轨综合摩擦控制方法在满足列车正常牵引与制动所需要的黏着系数条件下,根据线路参数,综合全面地将直线区段钢轨轨顶与轨侧区域、曲线区段内、外轨轨顶与轨侧区域的摩擦系数控制在预先设定的水平,使得对应线路轮轨磨耗水平降到最低。钢轨综合摩擦管理策略(CFM)就是在全廓面摩擦管理方法(TFM)的基础上考虑外轨钢轨与内轨钢轨的差异性的综合摩擦管控方法。钢轨综合摩擦管理(CFM)“合适的钢轨综合摩擦控制方法”“可行的钢轨摩擦控制剂”“相应的钢轨摩擦控制装置”03钢轨综合摩擦管理概述相对较好的持久耐用性、抗冲击、抗磨性能固体润滑油脂可将摩擦系数控制在0.10~0.27;固体润滑成膏膜可将摩擦系数控制在0.05~0.18机油石墨基固体润滑剂二硫化钼基固体润滑剂具有相对较好的减磨效果摩擦系数可控制在0.03~0.15固液复合型润滑剂需要具备正向的摩擦特征固体润滑剂提供一个中等的摩擦系数水平的干式薄膜轨侧润滑剂轮轨润滑剂(摩擦控制剂)的发展粘性差油楔效应不易准确喷涂20世纪70年代GFoRFM(GFoRLubricant)轨顶摩擦改进剂(ToRFrictionModifier)KELTRACK®—是水基液态材料,其与第三介质发生反应,在水分蒸发后残留的化学反应产物薄膜可将摩擦系数水平控制在0.350.05−+涂油不均、储油量低、劳动负荷大钢轨人工涂油小车可对车轮踏面与轨顶接触面进行摩擦管理作业采用的润滑剂一般为HPF润滑块车载式ToR摩擦管理装置可对轮缘与轨侧接触面进行润滑作业,一般采用的润滑剂为LCF润滑块车载式GFoR润滑装置轨间固定式轨侧润滑装置03钢轨综合摩擦管理概述道旁固定式轨顶摩擦控制装置轮轨润滑(摩擦管理)装置04轮轨磨耗问题综合评价04轮轨磨耗问题综合评价Elkins磨耗指数包含了车辆蠕滑率特别是轮对冲角对于轮轨磨耗问题的影响,能够较好的代表轮轨磨耗的程度,与Heumann磨耗指数、M,K,L磨耗指数相比,Elkins磨耗指数除了可以反映轮缘与轨侧区域的磨耗程度,也能较好的反映踏面接触区域的轮轨磨耗程度。英国Deby研究中心和美国ARR试验中心在大量试验后,均证实该磨耗指数可以较为准确的反映磨耗规律。Elkins磨耗指数01式中F——接触斑区域蠕滑力向量(N);ε——接触斑区域蠕滑率向量;x、y、sp——轨道纵向、横向以及自旋方向。磨耗性指标FxxyyspspWFFFF蠕滑功(摩擦功)WEElkins磨耗指数 ExxyyWFF磨耗功率02WP PFxxyyspspWvWFFFv式中v——车辆运行速度(m/s);Fx、Fy——轨道纵向、横向蠕滑力(N);Fsp——轨道自旋蠕滑力(N);𝜀𝑥、𝜀𝑦——轨道纵向、横向蠕滑率:εsp——轨道自旋蠕滑率。一般地,两滚动接触表面之间的磨耗程度除了与接触区域切向力与滑动量相关,磨耗程度也受滚动距离的影响,磨耗功率越大说明轮轨磨耗作用越剧烈04轮轨磨耗问题综合评价磨耗性指标辅助性磨耗指标03轮轨摩擦功轮轨磨耗自旋系数摩擦系数μ法向载荷W横(纵)向蠕滑率WE、WPμ∝WE、WP轮轴横向力H轮对冲角ψ轮轨横向力QWearWear=f(ψ,Q,H)Ψ≥5.8mrad,Ψ∝Wear较大的冲角造成轮轨形成两点接触时,轮缘对钢轨有一定的切削作用,将导致轮缘与轨侧的快速磨耗vTreadvFlangeF轮轨横向力的数值水平直接决定了在轮缘与轨侧一点接触时的接触压强,当P0≥σS时出现塑性变形乃至侧面磨耗Q∝Wear列车平稳、安全运行是铁路运输最基本的要求,在研究钢轨综合摩擦控制策略对轮轨磨耗的影响这一问题时,车辆系统的运行安全性、平稳性也是确定合理的钢轨摩擦控制策略的基本前提04轮轨磨耗问题综合评价安全性指标tan 1tanQP脱轨系数轮重减载率tantan1tan1tantantan1tan1tanLLRRLLRRLLRRLLRRPP与μ、α有关在本文中采用GB/T5599-1985中Q/P≤1.0,ΔP/P≤0.6是不合理的,因此对安全性指标限定值做图示修正——即安全性指标临界曲线平稳性指标车体垂向和横向加速度幅值大小aV、aH表示车体垂向和横向动载荷,根据GB/T5599-1985货车最大振动加速度为货车振动强度的极限值对于垂直振动要求aV≤0.7g对于横向振动要求aH≤0.5g轮轨摩擦系数μ04轮轨磨耗问题综合评价轮轨摩擦功轮轨磨耗WE、WP轮轴横向力H轮对冲角ψ轮轨横向力QWear安全性指标平稳性指标线性加权多目标优化算法为在最大程度地保证车辆系统运行安全性、平稳性的基础上,通过科学合理的钢轨综合摩擦控制策略实现减缓轮轨磨耗问题,本文在研究过程中选定了车辆系统行车安全性、平稳性和轮轨磨耗性3类指标进行综合评判指标单位数量级指标单位数量级ψmrad100WE—102QkN102WPkN·m/s100HkN102Q/P10-1am/s2100△P/P10-1归一化1 iiniaba多目标优化指标1 meanliminiaaKexpa线性加权91 giiiIbkQPlim=0.8,∆PPlim=0.6aV≤0.7g,aH≤0.5gH≤0.85[15+(Pst1+Pst2)/2]Q≤0.4(Pst1+Pst2)05仿真计算及结论05仿真计算及结论研究中采用LM型车轮踏面与60kg/m钢轨进行配合轮轨接触设置为多点接触模式对于直线轨道,轨顶摩擦系数和轨侧摩擦系数均为变量对于曲线轨道,其摩擦控制变量为四项μTO、μTI、μSO、μSISIMPACK动力学模型及拓扑图05仿真计算及结论钢轨摩擦管理仿真方法钢轨中心线踏面接触轮缘接触轮缘与踏面分界线轮缘润滑和轨顶摩擦控制过渡区钢轨横向摩擦函数设置为模拟轨顶摩擦改进剂的正向摩擦特性,将Kalker权重系数设置为0.1805仿真计算及结论直线轨侧摩擦管理研究(GFoRFM-GaugeFaceofRailFrictionManagement)μside指标轮对冲角ψ轮轴横向力H轮轨横向力Q摩擦功率PW磨耗指数WE脱轨系数Q/P轮重减载率∆PP垂向加速度aV横向加速度aH单位mradkNkNkNm/s———m/s2m/s2数量级10−610−510010−810−610−210−610−210−60.051.0182.0761.4379.8724.4431.1835.5333.6501.0520.101.0182.0761.4379.8724.4431.1835.5333.6501.0480.151.0182.0761.4379.8724.4431.1835.5333.6501.0520.201.0182.0761.4379.8724.4431.1835.5003.6501.0490.251.0182.0761.4379.8724.4431.1835.5333.6501.0530.301.0182.0761.4379.8734.4431.1835.5333.6501.0520.351.0182.0761.4379.8734.4431.1835.5333.6501.0490.451.0182.0761.4379.8734.4431.1835.5333.6501.0520.501.0182.0761.4379.8724.4431.1835.5333.6501.052无激扰工况下各指标的响应状况无轮缘接触,横向力水平由轨顶摩擦力控制安全性指标对轨侧摩擦系数不敏感05仿真计算及结论线
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