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        基于滾壓的車輪多邊形抑制機理與試驗研究*

        2022-09-07 08:48:10韓俊臣宋春元韓慶利
        鐵道機車車輛 2022年4期
        關(guān)鍵詞:踏面輪軌多邊形

        劉 闖,韓俊臣,宋春元,韓慶利

        (中車長春軌道客車股份有限公司, 長春 130062)

        車輪多邊形對高速動車組舒適度與安全性具有嚴重的影響,宋春元[1]對車輪多邊形的形成機理和發(fā)展規(guī)律進行了系統(tǒng)的研究,得出車輪硬度偏低和周向硬度分布不均勻是影響車輪多邊形產(chǎn)生的重要因素之一,并提出通過車輪滾壓提高車輪硬度。沈文林[2]進行了車輪輪輞切片和硬度檢測,對硬度分布做了細致的研究。陳水友[3]對車輪材料特性對輪軌磨損與疲勞性能的影響做了細致的研究,結(jié)論表明車輪的硬度增大,輪軌表面的疲勞裂紋長度會減小,但對鋼軌表面狀態(tài)不利。劉吉華[4]研究了幾種車輪材料與U71Mn 熱軋鋼軌匹配特性,發(fā)現(xiàn)輪軌材料的硬度比值決定輪軌的主要磨損機制。趙吉中[5]建立了滾壓輪—車輪—鋼軌三維滾動接觸有限元模型,得出在最佳滾壓方式作用下,車輪踏面的疲勞裂紋萌生壽命提升約58%。周韶博[6]研究了國內(nèi)外高速鐵路輪軌硬度匹配關(guān)系。文中在總結(jié)了滾壓車輪運用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,分析了車輪滾壓后的踏面硬度、表面狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)的變化情況,并跟蹤測試了滾壓車輪的運用情況。

        1 滾壓對車輪硬度提升

        1.1 輪軌硬度

        我國鐵路所用鋼軌主要有U71MnG 和U75VG這2 種 材 質(zhì)[6],U71MnG 主 要 用 于 客 運 專 線,U75VG 主要用于客貨混運線路。2 種材質(zhì)鋼軌硬度見表1。

        表1 鋼軌硬度

        國外輪軌硬度調(diào)查[7]見表2,日本高速鐵路輪軌匹配中車輪采用高強度材質(zhì),車輪硬度較高,輪軌硬度比達到1.3∶1 以上,車輪未大量出現(xiàn)失圓的問題,車輪總的使用壽命長。德國和法國的鋼軌硬度較車輪大,輪軌硬度比0.9∶1,車輪存在失圓問題。

        表2 國外輪軌硬度調(diào)查

        國內(nèi)輪軌硬度調(diào)查見表3,CRH2 型系列動車組采用了2 種材質(zhì)的車輪:SSW-Q3R 材質(zhì)車輪(311~363 HB)和ER8 材質(zhì)車輪(其踏面以下35 mm處最小硬度要求為245 HB,輪輞表面硬度可達260~302 HB);CRH3 型系列動車組采用的是ER8材質(zhì)車輪;CRH5 型系列動車組采用的是ER8C 材質(zhì)車輪。從調(diào)研情況來看,車輪硬度大于鋼軌硬度的車組未發(fā)現(xiàn)對鋼軌造成損傷或增大鋼軌磨耗(根據(jù)鐵科院數(shù)據(jù),鋼軌在2 次預(yù)打磨期間,鋼軌的垂直磨耗量在0.2 mm 左右)[8]。

        表3 國內(nèi)輪軌硬度調(diào)查

        國內(nèi)動車組車輪多為ER8 材質(zhì),規(guī)定其踏面以下35 mm 處最小硬度245 HB,而實際上車輪踏面初始硬度均有差別,且通過運營一段時間后,踏面表面經(jīng)輪軌擠壓會發(fā)生表層硬化,對大量車組進行研究統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)車輪踏面硬度隨車輪直徑減小而逐漸降低,如圖1 所示。

        圖1 車輪硬度調(diào)查

        1.2 滾壓力的影響

        試驗中滾壓裝置為直徑55 mm、圓角R4 mm的滾輪,施加120 kg 的滾壓力對車輪進行滾壓試驗,在車輪周向平均選取10 個點做標記,記錄滾壓前后車輪硬度變化情況,試驗結(jié)果如圖2 所示,滾壓前車輪平均硬度278 HB,第1 次滾壓后車輪硬度達到了333 HB,上升了55 HB,且車輪滾壓后的周向均勻性有所改善。

        圖2 滾壓對車輪硬度影響

        1.3 滾壓次數(shù)影響

        第2 次滾壓后,車輪踏面硬度結(jié)果如圖3 所示,踏面平均硬度達到了338 HB,在第1 次滾壓后的基礎(chǔ)上提高了5 HB,分析滾壓硬化原理認為,通過1 次滾壓后車輪硬度就會達到一個穩(wěn)定值,多次滾壓對車輪踏面硬度提升影響不大。

        圖3 多次滾壓后車輪硬度對比

        2 滾壓對車輪表面狀態(tài)影響

        2.1 滾壓后踏面顯微組織

        利用超景深顯微鏡對滾壓前后車輪表面的顯微組織進行檢測,研究滾壓前后車輪顯微組織的變化。

        2.1.1 舊輪顯微組織

        檢測運營240 萬km 后的輪對,如圖4 所示,旋修前車輪表面顯微組織不均勻;旋修后的車輪珠光體與鐵素體分布均勻,鐵素體呈網(wǎng)狀分布;滾壓后的車輪顯微組織相比旋修后的顯微組織得到細化,但局部分布不均勻,且在視野內(nèi)可看見零落的鐵素體組織,可能是由于滾壓過程中局部鐵素體破裂,但并不影響車輪的正常使用。

        圖4 舊輪顯微組織

        2.1.2 新輪顯微組織

        新輪表面顯微組織分布均勻,而在1 次滾壓與2 次滾壓后,表面顯微組織局部均勻性降低,局部組織得到細化,在視野中可見少量零落的鐵素體組織,且1 次滾壓與2 次滾壓顯微組織區(qū)別不明顯,如圖5 所示。

        復(fù)合法即將兩個獨立的詞合成為一個詞,該詞成為復(fù)合詞。復(fù)合詞在科技詞匯中占有很大比例??萍荚~匯中,復(fù)合法主要用于構(gòu)成復(fù)合名詞,其次是構(gòu)成復(fù)合形容詞。下面以復(fù)合名詞為例,說明其主要復(fù)合類型。

        圖5 新輪顯微組織

        2.2 車輪表面狀態(tài)

        為了研究滾壓是否對車輪踏面廓形有影響,對比測試了新輪滾壓前后的廓形,結(jié)果如圖6 所示,滾壓前后車輪踏面廓形基本吻合。

        圖6 新輪滾壓后踏面廓形

        由于車輪滾壓原理是通過滾壓裝置滾輪周期性旋轉(zhuǎn),將壓力施加到車輪踏面表面,因此為了防止周期性的滾壓引起車輪周向周期性的徑向跳動,試驗測試了4 片滾壓后車輪的不圓度,如圖7所示,滾壓后的車輪1~40 階不圓度粗糙度幅值符合運用維護要求。需要注意的是,在實際應(yīng)用中,要定期對小滾輪的表面精度和不圓度進行及時合理的養(yǎng)護。

        圖7 滾壓后車輪多邊形測試結(jié)果

        分別測試了新輪、運營后車輪和旋修后車輪滾壓前后車輪踏面粗糙度,見表4,旋修后車輪踏面粗糙度最大,達到了6.5 μm,運營后的車輪踏面粗糙度為2.1 μm,新輪踏面粗糙度2.4 μm,3 個車輪滾壓后的踏面粗糙度的比運營后的車輪踏面粗糙度稍小,在1.0~2.0 μm 之間。

        表4 滾壓前后車輪踏面粗糙度 單位:μm

        3 滾壓對車輪應(yīng)力狀態(tài)影響

        為研究滾壓工藝對車輪殘余應(yīng)力的影響,掌握車輪表面材質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)變化,采用u-x360 應(yīng)力測量儀對滾壓前、后的車輪進行了殘余應(yīng)力測試,每個車輪在圓周方向取3 個點取均值。

        3.1 車輪殘余應(yīng)力

        分別對920 mm 的新輪和輪徑860 mm 的舊輪旋修前、旋修后滾壓前和滾壓后的車輪殘余應(yīng)力進行測試,結(jié)果如圖8 所示,旋修前(車輪運營后狀態(tài))車輪殘余應(yīng)力-469 MPa,為壓應(yīng)力,旋修后車輪殘余應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力,舊輪為335 MPa,新輪為455 MPa。經(jīng)滾壓后,應(yīng)力再次由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力,舊輪為-325 MPa,新輪為-491 MPa,可見,滾壓改善了車輪應(yīng)力狀態(tài),將旋修所引起的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力,改善了車輪旋修初期的車輪表面應(yīng)力狀態(tài)。

        圖8 殘余應(yīng)力測試

        3.2 應(yīng)力層分布

        新輪滾壓后在深度為0、0.5、1 mm 時的應(yīng)力值如圖9 所示,殘余應(yīng)力隨應(yīng)力層深度增加不斷降低,呈階梯式變化,滾壓引起的壓應(yīng)力深度超過了1 mm。

        圖9 新輪滾壓后應(yīng)力層分布

        4 應(yīng)用效果

        對滾壓后車輪進行應(yīng)用對比分析,為了保證運用工況的一致性,選取一列長編組動車組,其中1~8 車的車輪進行滾壓處理,涵蓋了動車、拖車、頭車、受電弓車、變壓器車,其余車輪作為對照,進行旋修周期內(nèi)應(yīng)用研究。

        4.1 車輪硬度

        圖10 車輪硬度測試結(jié)果

        4.2 車輪多邊形

        對在線運用車輛進行車輪滾壓處理,跟蹤測試車輪多邊形變化情況,累計測試374 個車輪,結(jié)果見表5,滾壓后車輪多邊形發(fā)生概率約為未滾壓車輪的40%。

        表5 車輪多邊形測試結(jié)果

        4.3 車輪磨耗

        根據(jù)UIC 519 標準進行輪對等效錐度計算,車輪等效錐度及踏面磨耗見表6,在運行7.8 萬km 和12.2 萬km 后,滾壓車輪和未滾壓車輪的等效錐度及滾動圓處踏面磨耗量基本相當,無明顯差別。

        表6 車輪等效錐度及踏面磨耗

        4.4 車輪探傷

        為確定滾壓車輪運行后車輪踏面及近表層的缺陷情況,在旋修后走行7.8 萬km 和13 萬km 時,采用渦流探傷儀對車輪踏面表面及近表面(0~3 mm)進行探傷,2 次探傷均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

        5 結(jié) 語

        滾壓工藝改善了車輪應(yīng)力狀態(tài),將旋修引起的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力,改善了車輪旋修初期的車輪表面應(yīng)力狀態(tài),降低車輪表面粗糙度。且圓周方向硬度均勻性有所改善,顯微組織得到細化,2 次滾壓對車輪狀態(tài)影響不大,運用結(jié)果表明,滾壓可在一定程度上抑制車輪多邊形的產(chǎn)生和發(fā)展。

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