高速列车轮轨滚动函数型摩擦系数研究及其对轮轨表面损伤的影响

轮轨摩擦模型是轮轨滚动接触理论的重要组成部分，高速列车轮轨摩擦系数随列车运行速度呈非线性变化,且直接影响列车运行品质和安全性。本项目从微观的角度使用MCA数值方法研究高速列车轮轨滚动摩擦问题，首先建立时速达400km/h的高速列车轮轨MCA数值模型，通过科学的数值仿真方案发现摩擦系数与列车行驶速度、轮轨材料特性和摩擦温升等影响因素的函数关系，采用试样试验的方法验证并完善函数型摩擦系数模型。将函数型摩擦系数与轮轨滚动接触数值分析方法如有限元法、扩展有限元法等有效结合，通过数值仿真的手段进一步探索函数型摩擦系数对高速列车轮轨表面损伤的影响规律，并与现场观测数据以及库伦摩擦定律条件下轮轨表面损伤研究结果进行对比分析，形成对铁路部门高速列车轮轨维护起理论支撑作用的技术文件。预期研究成果将丰富我国的高速列车研究理论和技术，具有一定的学术价值。

随着高速列车在世界各地的发展，越来越多的人注意到了轮轨滚动接触摩擦系数随列车运行速度的提高呈非线性变化，因此迫切需要有新的轮轨材料摩擦系数模型来满足高速列车轮轨滚动接触分析的研究要求。本项目运用分子动力学方法在原子分子尺度上去研究轮轨间的力学行为。同时，使用UMT-3摩擦试验机，通过试样试验的方法来研究轮轨材料摩擦学问题，依据数值计算和实验研究提出新的摩擦系数关系式。. 以CRH2型动车组使用的LMA磨耗型车轮和我国标准CHN60钢轨为分析对象，按照Lagrangian方法建立轮轨滚动接触静态模型，轮轨滚动接触稳态分析则采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立轮轨滚动接触有限元模型，以mixed Lagrangian/Eulerian轮轨接触有限元模型的稳态计算结果为初始条件，按照Lagrangian方法建立轮轨滚动接触瞬态分析有限元模型并用显式方法完成计算。通过轮轨接触静态、稳态和瞬态分析结果发现摩擦系数对轮轨接触斑内纵向剪切应力和横向剪切应力影响较大。. 考虑到轮轨摩擦系数对轮轨滚动接触切向特性的影响，在有限元模型的接触定义中采用轮轨函数型摩擦系数替换传统的常数摩擦系数，并结合非线性有限元软件ABAQUS中集成的金属棘轮效应塑性本构模型进行轮轨滚动接触棘轮效应分析；在此基础上使用基于损伤因子的Jiang-Sehitoglu疲劳寿命预测模型进行轮轨滚动接触疲劳寿命分析。. 扩展有限元方法是求解不连续力学问题的有效方法，在求解裂纹问题时不需要对裂尖进行高密度的网格细化，在模拟裂纹扩展时也不需要对裂纹进行网格重划。以轮轨滚动接触疲劳分析结果为基础，建立轮轨接触扩展有限元裂纹模型，重点分析了轮轨摩擦系数对轮轨接触表面裂纹扩展的影响。. 已有的轮轨函数型摩擦系数虽然在一定程度上能反映轮轨间摩擦真实状态，但对于存在第三介质（如水、油、磁场）等多场耦合作用下的高速轮轨来说，还需要开展更深入的研究来揭示高速轮轨间的摩擦行为，建立更为准确的轮轨间函数型摩擦系数。