激光离散宏观形貌对高速滚动接触体水润滑作用的影响

To overcome sharp decrease of traction coefficient of high-speed train wheel/rail with the increase of speed in rain or snow, the investigation proposed a technique, which made a scattered macroscopic morphology on surface of wheel or rail by laser scattered hardening, to improve rolling contact condition between wheel and rail under water lubrication, and enhance the traction coefficient. Since the rheological property of water is far different from that of oil, its lubricaiton works only in rolling contact of low elasticity modulus materials, such as polymer, wood. However if the speed is high enough, water lubrication may work in rolling contact between high elasticity modulus materials. It resulted in decrease of traction coefficient of high-speed train wheel/rail in rain or snow and made wheel racing and sliding, heavily threatening the security and stability of trains running. In this study the mechanism of laser scattered macroscopic morphology evolution will be investigated in dry and water lubrication conditions. A numerical analysis model of rolling contact bodies with laser scattered macroscopic morphology in mixed lubrication will be established. The water lubrication mechanism of high rolling speed, high elasticity modulus contact bodies with laser scattered macroscopic morphology will be studied. A research method of simulating high-speed wheel/rail contact in laboratory and a technique of laser scattered hardening wheel or rail will be developed.

本项目针对高速列车在雨雪天轮轨摩擦系数随速度增加而急剧下降，提出采用激光离散强化技术在车轮或钢轨表面形成离散分布的宏观形貌，改变水介质条件下轮轨接触状态，提高轮轨摩擦系数。由于水的流变特性与油有很大差异，在低弹性模量材料（聚合物、木材等）的滚动接触中水才有润滑作用。而对于高弹性模量材料的滚动接触，当运动速度很大，水的润滑作用也会体现出来。这是高速列车在雨雪天轮轨摩擦系数下降的主要原因，它将导致车轮空转、打滑，严重影响列车运行的安全性和稳定性。本项目通过研究激光离散宏观形貌在干摩擦和水润滑条件下的演变规律，建立具有激光离散宏观形貌接触体的润滑状态数值分析模型，研究其对高速、高模量材料滚动接触体水润滑机理的影响规律，创建在实验室模拟高速轮轨水润滑的研究方法，发展一种激光离散强化轮轨的新技术。

本项目针对高速列车在雨雪天轮轨黏着系数随速度增加而急剧下降的问题，提出：用激光在车轮表面形成离散分布的宏观形貌，提高列车轮轨黏着系数。其科学问题在于：揭示低粘度流体（水）为润滑介质的条件下，表面形貌取向对高速、高弹性模量材料（钢）滚动接触摩擦系数的影响规律，其应用价值在于：①激光形成的表面形貌比机械方法，如：撒砂、设置增粘块，形成的表面形貌具有更高的耐磨性，因而具有更高的形貌稳定性；②形貌的取向是可控的，而在高速（200km/h以上）水润滑条件下，形貌取向对于摩擦系数有显著影响；③完善高速轮轨黏着控制技术。. 本项目设计并用激光加工了三种特定取向的形貌（纵纹、横纹、菱形），用经过改造的摩擦磨损试验机研究了这些形貌在滚滑接触中的磨合规律。用基于确定性模型的统一雷诺方程，建立了激光离散宏观形貌混合润滑数值分析模型，计算了油润滑条件下具有离散宏观形貌轮轨试样的混合润滑摩擦系数，用小尺度摩擦学实验验证了分析模型，并将该数值分析模型推广到高速轮轨运动水润滑的情况，主要结论如下：. 1. 有激光形貌试样的表面粗糙度比无激光形貌的要稳定得多，激光处理大大提高了表面耐磨性，有效地避免了表面粗糙度的衰减。. 2. 具有规则形貌试样的滚动接触摩擦系数均大于随机形貌的摩擦系数，激光形貌通过提高表面粗糙度而大幅提高摩擦系数，进而可有效提高轮轨黏着系数；. 3. 表面粗糙度的取向对摩擦系数有较大的影响。在油润滑条件下，菱形的摩擦系数在三种形貌中是最大的，纵纹和横纹的摩擦系数相差不大；在水润滑条件下，当运动速度超过200km/h时，菱形和横纹的摩擦系数相差不大，并且大于纵纹的摩擦系数；. 4. 表面粗糙度取向通过改变来流和侧流影响粗糙峰接触压力与总压力之比，进而影响摩擦系数。