董永剛 儀 帥 黃鑫磊 宋劍鋒 杜曉鐘

1. 燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，秦皇島，066004 2. 太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原，030024

0 引言

高速重載列車在制動(dòng)過(guò)程中，車輪踏面與閘瓦間的摩擦將車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，摩擦產(chǎn)生的熱量使得踏面溫度急劇上升，而溫度的升高會(huì)導(dǎo)致車輪材料的硬度以及屈服強(qiáng)度明顯降低，踏面表層局部金屬處于塑性狀態(tài)，在輪軌接觸斑接觸應(yīng)力、閘瓦制動(dòng)壓力及熱應(yīng)力綜合作用下，車輪踏面表層同時(shí)與鋼軌和閘瓦發(fā)生高溫、高速滾動(dòng)和滑動(dòng)接觸摩擦磨損。這兩種不同接觸摩擦狀態(tài)的磨損機(jī)理差異較大又同時(shí)發(fā)生，而且制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的摩擦溫升影響車輪鋼材料的物理性能參數(shù)、機(jī)械性能參數(shù)以及輪軌接觸區(qū)、輪瓦接觸區(qū)摩擦因數(shù)和磨損系數(shù)，導(dǎo)致踏面制動(dòng)過(guò)程中的踏面磨損機(jī)理非常復(fù)雜。肖緋雄等[1]通過(guò)對(duì)不同制動(dòng)工況下貨車用高摩合成閘瓦進(jìn)行仿真分析，對(duì)相同工況下不同磨耗程度的閘瓦溫度場(chǎng)進(jìn)行曲線擬合，計(jì)算了閘瓦在不同工況下的磨耗量，結(jié)果表明: 工況越惡劣閘瓦每萬(wàn)公里的磨耗量就越大，相應(yīng)地，閘瓦所能達(dá)到的最高溫度也越高。楊新文等[2]利用MATLAB軟件編制了輪軌接觸熱效應(yīng)分析程序，針對(duì)不同的輪對(duì)橫移量、車輪移動(dòng)速度、摩擦因數(shù)和相對(duì)滑動(dòng)速度進(jìn)行了鋼軌的溫度場(chǎng)研究，結(jié)果表明: 輪軌滑動(dòng)接觸熱效應(yīng)劇烈，會(huì)導(dǎo)致輪軌接觸表面發(fā)生擦傷、裂紋和剝離等熱損傷。陳帥等[3]考慮踏面制動(dòng)溫升對(duì)車輪、鋼軌硬度的影響，建立了重載鐵路車輪磨耗模型，并預(yù)測(cè)了車輪踏面磨耗，結(jié)果表明: 重載鐵路踏面制動(dòng)摩擦溫升會(huì)加劇車輪磨耗，考慮摩擦溫升時(shí)車輪總磨耗體積增大12.1%，當(dāng)制動(dòng)溫升達(dá)到最高時(shí)最大磨耗深度增大22.5%。MANDEEP等[4]通過(guò)對(duì)通勤列車進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到車輪輻板與閘瓦的溫度以及車輪踏面和閘瓦的磨損量，結(jié)合考慮溫度效應(yīng)的銷盤(pán)式磨損試驗(yàn)，給出了一個(gè)磨損率適應(yīng)因子，對(duì)現(xiàn)有高溫磨損率公式進(jìn)行了修正。KATSUYOSHI 等[5]為了研究由于塑性變形以及由滾動(dòng)接觸和踏面制動(dòng)引起的磨損，在輪軌滾動(dòng)接觸的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的踏面制動(dòng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明: 當(dāng)緊急制動(dòng)循環(huán)重復(fù)40次時(shí)，滾動(dòng)接觸中心的踏面磨損深度最大達(dá)到0.2 mm。

眾多學(xué)者研究表明，溫度是車輪踏面磨損不可忽視的影響因素。本文綜合考慮踏面制動(dòng)溫升對(duì)材料屬性、接觸狀態(tài)的影響，利用ABAQUS軟件建立踏面制動(dòng)過(guò)程三維瞬態(tài)熱-機(jī)械耦合有限元模型，仿真得到踏面溫度隨制動(dòng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并通過(guò)動(dòng)力學(xué)方法得到相同制動(dòng)工況下輪軌接觸斑內(nèi)滑移量，最后基于Archard理論分別計(jì)算了輪軌間磨損和閘瓦與踏面間的磨損深度，并得到了制動(dòng)結(jié)束后的踏面磨損輪廓。

1 踏面制動(dòng)過(guò)程模型的建立

1.1 有限元模型的建立

利用有限元軟件ABAQUS建立閘瓦-車輪-軌道模型，如圖1所示。車輪直徑為0.86 m、材料為CL60車輪鋼、標(biāo)準(zhǔn)LM型踏面；閘瓦選擇常見(jiàn)的高磷鑄鐵閘瓦，閘瓦寬度為0.06 m，弧長(zhǎng)為車輪圓周長(zhǎng)的五分之一；軌道輪直徑為1 m，材料為U71Mn，軌道輪型面按照75 kg/m標(biāo)準(zhǔn)斷面軌尺寸進(jìn)行建模。將閘瓦力均勻施加在閘瓦鋼背處，同時(shí)僅保留其沿車輪徑向方向的自由度。軸質(zhì)量載荷施加在車輪中心約束點(diǎn)P1上，P1與車輪軸孔進(jìn)行耦合，同時(shí)僅保留車輪繞軸旋轉(zhuǎn)自由度。軌道輪保留繞軸孔旋轉(zhuǎn)的自由度，溫度邊界條件設(shè)為恒溫26℃。選擇動(dòng)力-溫度位移-顯示分析步，車輪、閘瓦、軌道輪網(wǎng)格均劃分為8節(jié)點(diǎn)熱耦合六面體單元C3D8T，為了得到較好的仿真效果，對(duì)車輪踏面接觸區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，如圖2所示。

圖1 閘瓦-車輪-軌道三維模型Fig.1 Three-dimensional model of brake shoe-wheel-track

圖2 閘瓦-車輪-軌道有限元模型Fig.2 Brake shoe-wheel-track finite element model

1.2 接觸屬性設(shè)置

列車動(dòng)能主要通過(guò)閘瓦與車輪摩擦方式轉(zhuǎn)化為熱能，但由于制動(dòng)時(shí)速度變化較快，輪軌間相對(duì)滑移量相對(duì)增大，因此蠕滑產(chǎn)生的熱量也是整個(gè)熱能系統(tǒng)重要組成部分。摩擦產(chǎn)生的熱量一部分傳遞到閘瓦與軌道輪上，但大部分會(huì)通過(guò)踏面?zhèn)鬟f到車輪，車輪吸收的熱量占總摩擦熱能的百分比稱為熱量分配系數(shù)，在有限元仿真時(shí)熱量分配系數(shù)設(shè)置為0.90[6]，閘瓦與車輪踏面間摩擦因數(shù)f1根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[7]有

(1)

αm=0.3828+14.39vt

(2)

vt=v0-kt

(3)

式中，F(xiàn)N為閘瓦壓力，kN；vt為行駛速度， km/h；v0為初始速度， km/h；t為制動(dòng)時(shí)間；k為減速度；αm為傳熱系數(shù)。

整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)熱輻射系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取0.66[8]，am依據(jù)式(2)取值[9]。以FN為30 kN，軸質(zhì)量為20 t，v0為130 km/h和160 km/h為例，通過(guò)式(1)、式(2)得到閘瓦摩擦因數(shù)與對(duì)流傳熱系數(shù)隨制動(dòng)時(shí)間t的變化曲線如圖3所示。輪軌間接觸類型選擇面-面接觸，考慮到溫度對(duì)摩擦副摩擦因數(shù)會(huì)有一定的影響，文獻(xiàn)[10]中通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得了不同溫度下輪軌間摩擦因數(shù)f2，如圖4所示。

1.αm(vt=130 km/h) 2.αm(vt=160 km/h)3.f1(vt=130 km/h) 4.f1(vt=160 km/h)圖3 摩擦因數(shù)f1、傳熱系數(shù)隨制動(dòng)時(shí)間變化Fig.3 Friction coefficient f1、 convective heat transfer coefficient changes with braking time

圖4 不同溫度下輪軌間摩擦因數(shù)Fig.4 Friction coefficient between wheel and rail at different temperatures

1.3 材料屬性設(shè)置

列車在緊急制動(dòng)過(guò)程中，車輪和閘瓦的溫度在短時(shí)間內(nèi)急劇升高，高溫導(dǎo)致材料的機(jī)械性能(如彈性模量、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等)與熱物理特性(如質(zhì)量熱容、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等)發(fā)生改變，從而影響車輪的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。目前很難得到從常溫到600 ℃區(qū)間內(nèi)車輪鋼CL60、高磷鑄鐵閘瓦的機(jī)械性能及物理性能參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，因此本文通過(guò)JMatPro軟件得到了不同溫度下材料的力學(xué)性能及熱物性參數(shù)。

車輪鋼材料的密度為7850 kg/m3，泊松比μ為0.3，表1列舉了部分不同溫度下車輪鋼材料參數(shù)。閘瓦材料密度為6740 kg/m3，泊松比μ為0.28，表2列舉了部分不同溫度下閘瓦材料參數(shù)。由于在仿真中軌道始終保持恒溫，因此不需設(shè)定高溫下的材料參數(shù)，軌道材料的密度為7830 kg/m3、泊松比μ為0.29、抗拉強(qiáng)度為883 MPa、質(zhì)量熱容為430 J/(kg·℃)、熱膨脹系數(shù)為1.197×10-5/℃、熱導(dǎo)率為47 W/(m·℃)、彈性模量E為210 GPa、屈服強(qiáng)度為620 MPa。車輪材料引入雙線性等向強(qiáng)化準(zhǔn)則，線性強(qiáng)化塑性材料模型如圖5所示(其中，θ為材料的溫度)，強(qiáng)化模量如下：

(4)

表1 CL60車輪鋼材料參數(shù)Tab.1 CL60 wheel steel material parameters

表2 閘瓦材料參數(shù)Tab.2 Brake shoe material parameters

圖5 某溫度下彈塑性曲線Fig.5 Elastic-plastic curve at a certain temperature

1.4 動(dòng)力學(xué)模型的建立

借助多體動(dòng)力學(xué)軟件UM(universal mechanism)建立貨車-軌道動(dòng)力學(xué)仿真模型，車體采用傳統(tǒng)三大件式貨車轉(zhuǎn)向架，如圖6所示。模型中將鋼軌視為無(wú)質(zhì)量的黏彈性力元結(jié)構(gòu)，只考慮鋼軌與軌道板在橫向和垂向的剛度和阻尼，不考慮鋼軌的慣性矩。輪軌型面及摩擦因數(shù)等參數(shù)與1.2節(jié)中相同，軌道設(shè)定為不平順軌道，軌道譜類型選用美國(guó)5級(jí)軌道不平順譜。對(duì)于輪軌接觸模型，采用Hertz理論以及Kalker的FASTSIM算法，將1.2節(jié)中仿真得到的制動(dòng)速度-時(shí)間關(guān)系導(dǎo)入到UM中，進(jìn)行接觸斑形狀及蠕滑區(qū)輪軌滑移量等的仿真。

圖6 貨車-軌道動(dòng)力學(xué)模型Fig.6 Freight car-track dynamic model

為保證有限元仿真與動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果的一致性，分別對(duì)軸質(zhì)量、制動(dòng)速度、軌道型面、車輪型面、摩擦因數(shù)、車輪與軌道的材料屬性等進(jìn)行相同設(shè)置。

2 考慮溫度效應(yīng)的磨耗預(yù)測(cè)理論

Archard磨損公式在輪軌磨耗研究中得到了廣泛應(yīng)用，表達(dá)式如下：

(5)

式中，H為材料硬度，HB；P為法向壓力，N；V為材料磨損體積，m3；S為相對(duì)滑移距離，m；K為量綱一磨損系數(shù)。

踏面制動(dòng)過(guò)程中，車輪每轉(zhuǎn)過(guò)一周，車輪型面上磨損包括兩部分：閘瓦與踏面的磨損、鋼軌與踏面的磨損。為了將Archard磨損公式運(yùn)用到有限元分析中，需要對(duì)其進(jìn)行修正，通過(guò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的磨損量來(lái)表示踏面磨損情況。

2.1 輪軌間磨損計(jì)算

列車在制動(dòng)時(shí)，接觸斑內(nèi)滑移量很大，磨損很劇烈。首先建立接觸斑局部坐標(biāo)系，設(shè)車輪滾動(dòng)方向?yàn)閤正向，軸向方向(車輪外側(cè)至輪緣側(cè))為y正向。輪軌接觸斑磨耗模型如圖7所示，將接觸斑劃分為若干大小相同的單元，每個(gè)單元的長(zhǎng)度和寬度分別為dx、dy，每個(gè)單元面積dA=dxdy。

圖7 輪軌接觸斑磨耗分布計(jì)算模型Fig.7 The calculation model of wheel-rail contact patch wear distribution

接觸斑內(nèi)任一單元的磨損深度為

(6)

式中，K1為輪軸間磨耗系數(shù)。

根據(jù)Hertz接觸理論，得到接觸斑內(nèi)應(yīng)力分布：

(7)

式中，a、b為接觸斑的長(zhǎng)短半軸長(zhǎng)。

由于車輪轉(zhuǎn)過(guò)接觸斑時(shí)間極短，所以視整個(gè)接觸斑內(nèi)踏面溫度相同，車輪鋼材料的硬度與溫度關(guān)系[3]有經(jīng)驗(yàn)式：

H(θ)=-0.3θ+332

(8)

實(shí)際制動(dòng)時(shí)的輪軌型面及接觸位置如圖8a所示，車輪磨耗僅發(fā)生在接觸斑蠕滑區(qū)內(nèi)，圖8b中陰影部分為黏著區(qū)，接觸斑內(nèi)部除黏著區(qū)之外空白區(qū)域?yàn)槿浠瑓^(qū)。在制動(dòng)系統(tǒng)全局坐標(biāo)系下，輪軌間磨損僅發(fā)生在接觸斑的寬度范圍(e≤y≤f)內(nèi)，閘瓦磨損的范圍為0≤y≤L，其中，e、f為接觸斑短軸的y向坐標(biāo)，L為閘瓦寬度。

(a) 輪軌型面及接觸位置

(b) 黏著區(qū)

車輪每轉(zhuǎn)過(guò)一圈與鋼軌接觸一次，接觸斑單元磨耗深度由式(6)計(jì)算得到，沿滾動(dòng)方向?qū)⑺袉卧哪p進(jìn)行疊加，便得到踏面滑過(guò)一個(gè)接觸斑后的磨損深度，由于在制動(dòng)過(guò)程中不同時(shí)刻的磨損狀態(tài)也不一樣，所以當(dāng)車輪制轉(zhuǎn)過(guò)第i圈時(shí)，接觸斑內(nèi)磨損深度為

(9)

輪軌間磨耗系數(shù)K1=4.0×10-4[11]，由于接觸斑內(nèi)不同位置處的滑移量大小不同，在計(jì)算時(shí)，統(tǒng)一選擇最大滑移量dSimax進(jìn)行計(jì)算，其值由UM動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果得到。

2.2 閘瓦與踏面磨損計(jì)算

車輪每轉(zhuǎn)過(guò)一圈，踏面節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)閘瓦接觸區(qū)時(shí)相對(duì)滑移量為定值2πR/5(R為車輪半徑)，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)過(guò)第i圈時(shí)，踏面磨損深度為

(10)

其中，K2為閘瓦與車輪踏面間的磨耗系數(shù)，K2=8.0×10-5，通過(guò)文獻(xiàn)[12]中閘瓦磨損實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行反向推導(dǎo)得到；閘瓦與輪軌間的接觸應(yīng)力p2(y)和踏面硬度H(θ)可在ABAQUS后處理中提取。

假設(shè)在一次連續(xù)制動(dòng)結(jié)束后，車輪總共轉(zhuǎn)過(guò)n圈，在踏面上沿y方向選取一排固定節(jié)點(diǎn)集，假定該節(jié)點(diǎn)集內(nèi)含有l(wèi)個(gè)節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)集內(nèi)任意點(diǎn)處踏面總的磨損深度即為輪軌接觸區(qū)磨損深度與閘瓦接觸區(qū)磨損深度之和(其中，1≤i≤n)，其表達(dá)式為

(11)

由于在接觸斑之外的區(qū)域沒(méi)有磨損，故其磨損深度變?yōu)榱?即

ΔD1(y,n)=0(0≤y≤e,f≤y≤L)

(12)

依次求出l個(gè)節(jié)點(diǎn)的磨損深度，即可表征制動(dòng)結(jié)束后車輪踏面的磨損輪廓。

3 仿真結(jié)果分析

以表3中的參數(shù)進(jìn)行制動(dòng)過(guò)程仿真，圖9為制動(dòng)過(guò)程中踏面溫度達(dá)到最高時(shí)刻仿真圖。當(dāng)初始速度為130 km/h時(shí)，制動(dòng)第26 s時(shí)踏面溫度達(dá)到最高溫度397.00 ℃(圖9a)；當(dāng)初始速度為160 km/h時(shí)，制動(dòng)第32 s時(shí)踏面溫度達(dá)到最高溫度485.90℃(圖9b)。最高溫度集中在車輪踏面中部區(qū)域，車輪外側(cè)與空氣對(duì)流換熱面積較大，因此熱量散失得相對(duì)較快，其溫度低于踏面中部溫度。在車輪內(nèi)側(cè)靠近輪轂處的踏面與閘瓦沒(méi)有直接摩擦，因此溫度也低于踏面中部溫度。

表3 制動(dòng)工況參數(shù)Tab.3 Braking conditions parameters

(a)v0=130 km/h,t=26 s

(b)v0=160 km/h, t=32 s

在踏面上沿軸向方向選擇一排固定的節(jié)點(diǎn)集，提取溫度數(shù)據(jù)通過(guò)MATLAB繪圖得到完整制動(dòng)過(guò)程踏面溫度分布，如圖10、圖11所示。在制動(dòng)初期，由于車輪旋轉(zhuǎn)速度較快，與閘瓦間摩擦較為劇烈，因此溫度上升迅速，隨著速度的逐漸減小，溫度逐漸攀升至峰值，在此時(shí)間點(diǎn)之后，摩擦產(chǎn)生的熱量小于散射的熱量，踏面溫度逐漸降低。

圖10 制動(dòng)速度為130 km/h時(shí)車輪踏面溫度分布Fig.10 Temperature distribution of the wheel tread with braking speed of 130 km/h

圖11 制動(dòng)速度為160 km/h時(shí)車輪踏面溫度分布Fig.11 Temperature distribution of the wheel tread with braking speed of 160 km/h

將整體溫度數(shù)據(jù)代入式(8)，得到車輪踏面硬度隨溫度變化圖，見(jiàn)圖12、圖13。溫度升高使車輪材料的硬度發(fā)生明顯的降低，初速度為130 km/h制動(dòng)時(shí)最低硬度為212.6 HBW，初速度為160 km/h制動(dòng)時(shí)最低硬度為186.23 HBW。

圖12 制動(dòng)速度為130 km/h時(shí)車輪踏面硬度分布Fig.12 Hardness distribution of wheel tread with braking speed of 130 km/h

圖13 制動(dòng)速度為160 km/h時(shí)車輪踏面硬度分布Fig.13 Hardness distribution of wheel tread with braking speed of 160 km/h

由圖9可知，制動(dòng)過(guò)程中溫度最高處位于踏面中間位置，分別提取工況1、工況2下踏面中間位置的溫度值，得到踏面溫度、制動(dòng)速度與制動(dòng)時(shí)間的關(guān)系，如圖14所示。圖15為踏面中部區(qū)域材料硬度隨制動(dòng)時(shí)間的變化圖。

1.溫度(vt=130 km/h) 2.溫度(vt=160 km/h)3.速度(vt=130 km/h) 4.速度(vt=160 km/h)圖14 車輪速度及踏面中部溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.14 Wheel speed and temperature in the middle of the tread over time

1.vt=130 km/h 2.vt=160 km/h圖15 車輪踏面中部硬度隨時(shí)間變化曲線Fig.15 The hardness of the middle of the wheel tread changes with time

由于制動(dòng)過(guò)程中閘瓦壓力和軸質(zhì)量保持不變，而輪軌接觸區(qū)接觸斑形狀和閘瓦接觸區(qū)形狀隨溫度變化很小，溫度變化對(duì)應(yīng)變影響顯著而對(duì)接觸應(yīng)力的影響很小，因此認(rèn)為在制動(dòng)過(guò)程中車輪踏面上的接觸應(yīng)力分布只與軸質(zhì)量和閘瓦壓力有關(guān)。由于軌道不平順作用，接觸斑的大小變化很小，如圖16所示。選取某一時(shí)刻的接觸斑(a=9，b=4)結(jié)合式(7)可以求解出接觸斑內(nèi)的應(yīng)力分布，如圖17所示。閘瓦與踏面接觸區(qū)的應(yīng)力可用閘瓦中部截面上的應(yīng)力代替，如圖18所示。

1.長(zhǎng)半軸長(zhǎng)(vt=130 km/h) 2.長(zhǎng)半軸長(zhǎng)(vt=160 km/h)3.短半軸長(zhǎng)(vt=130 km/h) 4.短半軸長(zhǎng)(vt=160 km/h)圖16 接觸斑內(nèi)應(yīng)力分布Fig.16 Stress distribution in the contact spot

圖17 接觸斑內(nèi)應(yīng)力分布Fig.17 Stress distribution in contact spot

圖18 閘瓦截面應(yīng)力分布Fig.18 Stress distribution of brake shoe section

在UM中提取兩種初速度下多個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的接觸斑，如圖19所示。由于軸質(zhì)量、輪軌型面等因素保持不變，因此接觸斑的形狀及大小變動(dòng)幅度很小，而制動(dòng)參數(shù)、軌道不平順激勵(lì)等因素對(duì)滑移區(qū)的大小產(chǎn)生較為明顯的影響，接觸斑內(nèi)最大滑移量變化幅度較為劇烈，如圖20、圖21所示。從數(shù)據(jù)分布來(lái)看，制動(dòng)初速度為130 km/h時(shí)的平均滑移量為1.38 mm，制動(dòng)初速度為160 km/h時(shí)的平均滑移量為1.02 mm，尤其在制動(dòng)初期，滑移量大小差別較大，在制動(dòng)后期，列車速度大幅度減小，此時(shí)滑移量的變化幅度逐漸趨于穩(wěn)定。根據(jù)圖3中摩擦因數(shù)與速度的曲線，相同制動(dòng)力下速度越大其摩擦因數(shù)越小，則切向蠕滑力與滑移量也越小。

(a) v0=130 km/h

(b) v0=160 km/h

圖20 制動(dòng)速度為130 km/h時(shí)接觸斑內(nèi)最大滑移量Fig.20 Maximum slip in the contact spot at a braking speed of 130 km/h

圖21 制動(dòng)速度為160 km/h時(shí)接觸斑內(nèi)最大滑移量Fig.21 Maximum slip in the contact spot at a braking speed of 160 km/h

通過(guò)式(9)、式(10)可計(jì)算出輪軌摩擦區(qū)及閘瓦摩擦區(qū)踏面累積磨損深度，如圖22所示。制動(dòng)初速度為130 km/h時(shí)，閘瓦摩擦區(qū)與輪軌摩擦區(qū)內(nèi)最大累積磨損深度分別為1.70 μm、4.2 μm；制動(dòng)初速度為160 km/h時(shí)，閘瓦摩擦區(qū)與輪軌摩擦區(qū)內(nèi)最大累積磨損深度分別為2.11 μm、5.32 μm。文獻(xiàn)[5] 以軸質(zhì)量為20 t、閘瓦壓力為30 kN、初始速度為130 km/h和160 km/h兩種制動(dòng)工況在輪軌滾動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了循環(huán)制動(dòng)40次的踩剎車試驗(yàn)，最終得到兩種制動(dòng)初速度下車輪踏面輪廓磨損演化過(guò)程。文獻(xiàn)[5]的試驗(yàn)結(jié)果表明位于輪軌接觸區(qū)內(nèi)的踏面磨損較為嚴(yán)重，當(dāng)初速度為130 km/h時(shí)循環(huán)制動(dòng)40次之后踏面最大磨損深度達(dá)到0.15 mm，那么平均每一次制動(dòng)磨損深度約為3.75 μm。本文通過(guò)仿真得到單次制動(dòng)最大磨損深度為5.90 μm，其值約為文獻(xiàn)[5]試驗(yàn)值的1.31倍，如圖23所示。文獻(xiàn)[5]中，當(dāng)初速度為160 km/h時(shí)，循環(huán)制動(dòng)40次之后踏面最大磨損深度達(dá)到0.20 mm，那么平均每一次制動(dòng)磨損深度約為5 μm，相對(duì)應(yīng)地，本文通過(guò)仿真得到單次制動(dòng)最大磨損深度為7.43 μm，其值約為文獻(xiàn)[5]試驗(yàn)值的1.49倍。

1.輪軌摩擦區(qū)(vt=130 km/h) 2.閘瓦摩擦區(qū)(vt=130 km/h)3.輪軌摩擦區(qū)(vt=160 km/h) 4.閘瓦摩擦區(qū)(vt=160 km/h)圖22 閘瓦區(qū)磨損深度與輪軌間磨損深度對(duì)比Fig.22 Comparison of the wear depth between the brake shoe area and the wheel-rail wear depth

1.vt=130 km/h 2.vt=160 km/h圖23 車輪踏面總的磨損深度Fig.23 Total wear depth of the wheel tread

文獻(xiàn)[13]通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)對(duì)U75VG鋼軌材料進(jìn)行高溫疲勞損傷試驗(yàn)，在不同溫度下U75VG鋼均表現(xiàn)出明顯的棘輪效應(yīng)，尤其當(dāng)溫度升高時(shí)，在塑性-蠕變交互作用下，棘輪行為演變速率呈加速趨勢(shì)。并且在300 ℃時(shí)應(yīng)變強(qiáng)化顯著增強(qiáng)，從而導(dǎo)致車輪材料在宏觀上呈現(xiàn)出硬化現(xiàn)象(彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均增大)；在600 ℃時(shí)，表現(xiàn)出明顯的循環(huán)軟化現(xiàn)象。從以上結(jié)論中推導(dǎo)出U75VG鋼材料的高溫軟化與應(yīng)變強(qiáng)化間存在一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。由于車輪鋼材料同樣屬于應(yīng)變硬化材料，車輪踏面經(jīng)過(guò)反復(fù)碾壓，在溫度與應(yīng)變強(qiáng)化綜合作用下，表現(xiàn)出循環(huán)硬化現(xiàn)象，使磨損更不容易發(fā)生，因此試驗(yàn)所測(cè)得磨損深度小于仿真計(jì)算深度。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于制動(dòng)初速度為130 km/h、160 km/h兩種工況，踏面最高溫度分別達(dá)到了397.0 ℃、485.9 ℃，通過(guò)計(jì)算得到踏面累積最大磨損深度分別為5.90 μm、7.43 μm，與文獻(xiàn)[5]中踏面緊急制動(dòng)試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)較為接近，且踏面上的磨損深度分布趨勢(shì)一致。

(2)緊急制動(dòng)過(guò)程中，踏面中部接觸斑區(qū)域磨損較大。由于輪軌接觸區(qū)位于踏面中間區(qū)域，制動(dòng)過(guò)程中此區(qū)域溫度值及接觸應(yīng)力值均遠(yuǎn)高于踏面兩側(cè)溫度值和接觸應(yīng)力值，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致車輪踏面表層硬度降低，而且輪軌間蠕滑作用加劇了踏面中部接觸斑區(qū)域磨損，因此輪軌接觸區(qū)影響緊急制動(dòng)過(guò)程中踏面磨損深度。

(3)緊急制動(dòng)過(guò)程中，由于受制動(dòng)力、軌道不平順等因素的影響，滑移量增大，加劇了車輪踏面上的磨損，制動(dòng)初速度越大，其對(duì)應(yīng)摩擦因數(shù)越小，則切向蠕滑力與滑移量也越小。初速度為130 km/h、160 km/h所對(duì)應(yīng)滑移量平均值分別為1.38 mm、1.02 mm。

(4)踏面與閘瓦接觸區(qū)磨損屬于高溫低接觸應(yīng)力條件下的大滑移距離磨損，踏面溫度中間磨損比較均勻，由內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸減小，車輪與閘瓦接觸區(qū)磨損寬度與閘瓦寬度相當(dāng)，閘瓦接觸區(qū)影響緊急制動(dòng)過(guò)程踏面磨損寬度。