以轮轨为研究对象,基于摩擦磨损实验和数值仿真技术,分析载荷、速度及材料对轮轨温度场的影响。通过仿真结果与实验结果对比,验证了有限元仿真分析方法解决复杂非线性摩擦学问题的可行性。

在MMS-2A型滚动摩擦试验机上研究了干态、水态和水砂态三种工况下轮轨材料间的摩擦磨损行为,分析了轮轨试样表面的损伤情况。结果表明相比于干态,水会使轮轨材料间的摩擦因数、磨损量明显下降;水介质中撒砂可增加轮轨材料间的滚动摩擦因数和磨损量,且加重了轮轨表面的损伤,水砂态试验中的干摩擦会使摩擦因数恢复到干态下的正常水平;随水态、干态到水砂态工况的变化,车轮试样表面从粗糙凸起并伴有轻微剥落向严重剥落损伤转变,钢轨材料的表面损伤主要表现为片层状剥离并伴有剥落现象,但较车轮材料的剥落损伤程度轻。

建立模拟轮轨滑动接触的热弹塑性有限元三维模型,以2种滑动速度为例研究机械荷载作用下对流换热系数对接触区的温度、接触斑的大小以及最大等效应力等轮轨接触特性的影响。研究结果表明：各研究工况下轮轨滑动摩擦热均能使接触区域达到相变温度;轮轨接触区的温度、接触斑的大小以及等效应力在有、无对流换热系数2种情况下差异显著,故对流换热系数在对轮轨滑动状态进行数值分析时不应忽略;对流换热系数的变化对接触特性的影响与滑动速度有关,建议2 m/s及以上速度的研究中对流换热系数可以取为定值,但在1 m/s及以下速度的研究中,对流换热系数的准确选取需进行深入研究。