横向、自旋蠕滑诱导的第三介质界面层变化及其对轮轨接触黏着的影响研究

Wheel and rail contact system is an open system, and the contact interfaces are contaminated by the third body inevitably. The adhesion coefficient is affected significantly by the interfacial layer formed by the third body. In this project, the variations of the interfacial layer due to the lateral and spin creepages will be studied, and the corresponding effects on the adhesion coefficient will be investigated as well. Firstly, by conducting the adhesion coefficient tests with different creepage conditions, the quantitative influence of the third body, such as water, oil and leaves, on the adhesion coefficients and the effects of the lateral and spin creepages on the key characteristic parameter of the third body interfacial layer will be studied. Secondly, sand will be used as the high positive friction modifier, and the experiments for understanding the effects of the lateral and spin creepages on the adhesion recovery will be conducted. In addition, the effects of sanding on the adhesion recovery will be studied. Lastly, by summing the experimental results, the mathematical description about the effects of the lateral and spin creepages on the interfacial layer will be derived. Therefore, the numerical model for the adhesion coefficient in consideration of the third body under combined creepages conditions can be obtained. This project is important for the safe and reliable operation of the railways.

作为在开放环境下运行的系统，轮轨接触界面不可避免地会受到第三介质的污染，第三介质在接触界面所形成的界面层能显著改变轮轨黏着特性。本项目将研究横向和自旋蠕滑所诱导的第三介质界面层变化及其对轮轨黏着系数的影响。首先，开展仅有纵向蠕滑和多种蠕滑组合条件下的黏着系数测试试验，揭示横向和自旋蠕滑对界面层关键特征参数的影响规律，并获得水、油和树叶等第三介质存在时轮轨黏着系数的变化规律；第二，开展以砂土为增黏剂的黏着恢复试验研究，揭示横向和自旋蠕滑对黏着恢复的影响机制，明确砂土参数对黏着恢复的影响情况，进而查清砂土在黏着恢复过程中的作用机理；第三，综合相关试验结果，总结横向和自旋蠕滑对第三介质界面层的影响规律，探求其在数值求解建模过程中的数学描述方法，进而建立多种蠕滑条件下考虑第三介质影响的黏着系数数值求解模型。本项目的开展对保证列车安全可靠运行具有重要意义。

作为在开发环境下运行的系统，轮轨接触界面不可避免地会受到第三介质的“污染”。本项目针对多种蠕滑率组合条件下的滚动接触进行数值模拟，在建模过程中考虑了第三介质层存在时的影响，可以得到接触区域的法向应力结果、切向应力分布以及粘连区、滑动区的分布情况。通过与已有文献中的结果进行对比，验证了本项目提出的数值模型的正确性。根据弹性模量不同，对柔性第三介质和刚性第三介质的情况进行了研究，可以发现对于柔性第三介质而言，其接触面积与无涂层情况对比有所增加，层厚越大，接触面积越大。对于刚性介质情况，接触面积与无涂层情况对比有所减小，层厚越大，接触面积越小。在同样的蠕滑率组合条件下，有刚性介质存在时，滑动区域所在的比重越大。.使用球盘滚动试验机开展了多种蠕滑率组合条件下的滚动接触实验，其中纵向蠕滑率根据球和圆盘的转速进行施加，横向蠕滑率通过调整球在圆盘上的相对位置来施加，自旋蠕滑率通过调整球转动主轴与圆盘平面的相对角度来施加。在实验过程中，使用落叶作为第三介质层，研究了不同蠕滑率组合条件下纵向切向力和横向切向力的情况。.此外，在研究过程中注意到以接触分离式摩擦发电机为接触的传感器在轮轨方面获得了广泛的应用。本项目也针对这一问题开展了研究，主要研究了表面微结构所引起的电容变化对接触分离式摩擦发电机的输出电信号的影响情况。在研究过程中首先进行了接触力学建模，根据平板电容理论，得到不同载荷条件下的电容变化。通过考虑和不考虑电容变化对最终输出开路电压的结果对比，指出当接触分离式摩擦发电机应当使用真实接触面积比和电容变化的比值作为参数来预测输出开路电压的结果，而不是仅使用真实接触面积比。