摘要： 多年来,沈志云在机车车辆动力学的研究方面硕果累累,其高铁战士、高铁卫士的形象在中国高铁发展史上跃然纸上。他是中国铁路运输工程领域唯一的一位双院士,他参与、推动和见证了中国高铁技术从无到有的全部发展历程,他是我国高铁领域的先驱科学家之一两院院士沈志云。1929年,沈志云出生于湖南长沙。其父小学教师,其母家庭妇女。沈家并不富裕,兄长沈立芸是沈志云人生领路人。自幼父兄教育他,只有好好读书才能有出息。抱着这样的信念,沈志云读书非常用功。高中毕业时,湖南临近解放,沈志云一心想参加革命工作。兄长沈立芸派人去国师附中将沈志云"押"回家,让他复习备考大学,沈志云报考了唐山工学院、清华大学和武汉大学,

关键词： 脱轨因素   模糊层次分析法   轮轨纵向位移   鱼雷罐车   脱轨监控  

摘要： 钢铁生产过程中常因鱼雷罐车发生脱轨事故而造成严重的人员伤亡和财产损失。因此,对鱼雷罐车的脱轨行为进行监控,并提前做好相应的预防措施就显得十分必要。本文依托于国家重点研发计划课题“高温熔融金属转运安全监控预警与防倾翻技术装备研发”(2017YFC0805104)中的子课题“专用运输车辆转运作业实时安全监控与预警装备研发”,对鱼雷罐车的脱轨监控技术开展了相关研究和试验。研究成果对鱼雷罐车脱轨监控系统的开发具有重要参考价值。具体内容如下:1、针对鱼雷罐车的脱轨事故,运用模糊层次分析法对事故的主要因素进行分析,计算脱轨因素权重,对脱轨因素进行风险评价,确定造成鱼雷罐车发生脱轨事故的主要因素。2、分析鱼雷罐车的主要脱轨类型和运行特点,选择动态脱轨评价准则作为鱼雷罐车的脱轨评价准则。选择纵向位移指标作为脱轨监控的主要指标,并利用轮轨三维接触几何计算,推导了脱轨危险系数的计算公式。3、对监控使用的电涡流传感器进行选型。开展电涡流传感器的静态精度试验和动态响应度试验,测试了传感器的精准度和响应度。4、设计鱼雷罐车脱轨监控方案,开发了脱轨监控软件;在示范单位开展了实车试验,对软件进行了测试,并对方案的有效性进行了验证。

关键词： 高速铁路   翻浆冒泥   动力加载   数值模拟   不均匀沉降  

摘要： 随着国内高速铁路的快速建设与投入使用,翻浆冒泥也开始频繁发生在无砟轨道上。目前国内外关于翻浆冒泥的理论和试验研究主要在有砟轨道方面,针对无砟轨道翻浆冒泥的发生机理研究较少。本文基于物理模型试验和数值模拟,系统地研究了高速铁路翻浆冒泥产生的机理,以及路基退化引起的CRTS Ⅰ型板式无砟轨道变形和受力特性和车辆的动力响应,本文的主要研究工作及相应的研究成果如下:（1）通过分析采集浊液的浊度发现,当双层填料交界处的水力梯度达到一定水平时,砂土中的细颗粒将不断流向级配碎石层。砂土中的细颗粒进入级配碎石第四层后,级配碎石各层内部水头随加载曲线波动,对细颗粒产生“泵吸”作用,细颗粒在级配碎石内部发生交换,细颗粒逐渐迁移到级配碎石表面,最终导致翻浆冒泥的发生;（2）级配碎石回弹模量随荷载幅值的增大而衰减,阻尼比随荷载幅值的增大而增大;级配碎石的永久应变和弹性应变随应力幅度的增加而增加,提出了级配碎石逐级加载永久变形预测公式;（3）建立了实现板下不均匀沉降的高速列车-CRTS Ⅰ型板式无砟轨道-路基三维有限元模型,并验证了数值模型的可行性;板底路基产生不均匀沉降后,轨道结构的端部与路基表面的接触关系受不均匀沉降波长、幅值和动荷载的共同影响;在列车荷载的作用下,路基压应力可高达1 MPa,且仅有波长2m和4m波长对应的不均匀沉降满足混凝土疲劳强度的要求;对于中国列车服役状态标准,沉降为6 m/100 mm、8m/10 mm、10m/10～15 mm、15 m/20～30 mm、20 m/25～40 mm的工况会造成轨道退化,而6 m/15～40 mm、8 m/15～40 mm、10 m/20～40 mm、15 m/35～40 mm的工况威胁列车安全运行。

关键词： 轮轨界面   摩擦管理   运行速度   曲线半径   水、油介质   轮轨磨损  

摘要： 轮轨作为轨道交通最核心的部件之一,合理科学的维修养护对保障运行安全和降低运营成本具有关键影响作用。轮轨界面摩擦管理作为轮轨系统运维的关键技术内容,通过设计轮轨界面摩擦管理系统,构建关键功能模块,可为轮轨界面摩擦管理目标选取与摩擦管理应用提供重要的支撑作用。本文首先对轮轨界面摩擦管理系统进行了需求分析与总体设计,构建了轮轨界面状态评价模块与车轮磨损预测模块。基于构建的模块进行了不同运行速度与曲线半径下轮轨界面摩擦管理目标选取分析,对干态、水态、油态下的车轮磨损规律进行了预测分析,提出了轮轨界面摩擦管理目标选取与应用方案的初步建议。论文研究的主要结论如下:（1）完成轮轨界面摩擦管理系统的业务需求分析、功能需求分析、数据需求分析;提出系统总体设计方案,包括系统设计目标、系统架构设计、系统功能设计、系统界面设计;构建了轮轨界面状态评价模块与车轮磨损预测模块。（2）在400m半径曲线下,当运行速度小于120km/h时,优化轨顶摩擦管理目标比轨侧更有效,当运行速度为40km/h时,建议轨侧摩擦管理目标大于0.10,以避免随轨顶摩擦系数增加导致轮对冲角过大,且轨顶摩擦管理目标不宜过高,以避免脱轨系数超出安全限值;当运行速度大于120km/h时,优化轨侧摩擦管理目标则更有效,当运行速度为140km/h时,建议轨顶摩擦管理目标取0.30,此时轮轨横向力相对较低,同时轮重减载率超出安全限值0.65,应降低车辆运行速度。（3）当曲线半径小于800m时,降低轨侧摩擦系数可降低轮轨磨损,降低轨顶摩擦系数可提升车辆行驶安全性,建议轨侧摩擦管理目标取0.10～0.20,轨顶摩擦管理目标取0.30～0.45。当曲线半径大于800m时,降低轨顶摩擦系数可降低轮轨磨损,建议对轨顶进行摩擦调节剂涂敷,同时为了避免横向加速度出现超出安全限值的情况,轨顶摩擦管理目标应大于0.30。（4）在多曲线路段,各转向架的第1轮对磨损情况最严重,应作为轮轨界面摩擦管理应用的重点对象。干态下,随着运行距离的增加磨损集中于轮缘处的现象愈加严重,建议对轨侧实施涂油或者涂脂润滑,将轨侧摩擦系数控制在0.05～0.20范围内,轨顶可保持干态或者进行摩擦调节剂的涂覆,同时2号车轮存在轮缘偏磨现象,可相对增加2号车轮的润滑频率与润滑量。干态下的车轮磨损,随运行距离增长呈先快后慢的趋势,对处于磨损初期的轮对应进行重点的摩擦管理。在水态、油态下,车轮磨损深度、磨损增长速度均较小,建议更加关注车辆行驶的安全性与平稳性。

关键词： 轮轨磨耗   车辆系统动力学   轮轨滚动接触   材料磨耗   磨耗预测  

摘要： 随着我国城市轨道交通的快速发展,地铁作为大运能快速客运系统,在城市轨道交通中发挥着重要的作用。地铁车辆运行以其轨道线路小半径曲线占比多、常态超负荷运营和频繁加减速的特点,更进一步加剧了轮轨磨耗。轮轨磨耗的加剧会引起噪声以及车辆轨道的剧烈振动等问题,影响地铁车辆运行的安全性、稳定性、平稳性和乘坐舒适度,情况恶劣的会导致车辆脱轨,对乘客的人身和财产安全造成危害。研究地铁车辆轮轨磨耗预测,分析轮轨磨耗对地铁车辆动力学性能的影响对保障地铁运营的安全性和可靠性尤为重要。本文详细论述了国内外学者对于轮轨磨耗预测的研究现状,明确了轮轨磨耗预测研究的背景意义和目的,并且梳理了本文的整体研究思路和主要研究内容。介绍了A型地铁车辆ZMC120转向架的基本结构和设计特点,根据A型地铁车辆参数,并做了适当的简化,在UM多体动力学软件中建立了相对应的车辆动力学仿真模型。根据地铁实际运行线路和地铁设计规范,建立了基于实际线路的线路模型,并且添加了轨道不平顺激励。介绍了轮轨滚动接触理论和相关算法,以及常用的材料磨耗模型。使用UM多体动力学仿真软件进行动力学仿真计算,将得到的参数结合基于虚拟渗透的非赫兹接触KikPiotrowski方法和Archard磨耗模型,计算得到车轮型面的变化量,从初始的车轮型面中去掉这些变化量并进行平滑处理就可得到磨耗后的车轮型面,多次循环计算实现车轮型面磨耗的预测。基于地铁车辆系统动力学模型、轮轨滚动接触模型和材料磨耗模型建立了轮轨磨耗预测模型并进行了10万公里磨耗预测仿真,得到了不同运行里程下的车轮磨耗情况:车轮踏面和轮缘均有磨耗,且轮缘磨耗量显著大于踏面磨耗量;磨耗范围主要分布在-40mm～40mm之间,不同运行里程下车轮磨耗范围基本一致,且车轮磨耗外形基本相似;车轮磨耗深度随着运行里程的增加呈线性增加。并且分析了不同轮轨磨耗程度下轮轨接触几何参数的变化规律:不同磨耗阶段的等效锥度变化规律大体一致且差别较小,轮对横移量小于5mm左右时磨耗轮轨匹配的等效锥度大于标准轮轨匹配,而轮对横移量大于5mm左右时则刚好相反;不同磨耗阶段轮轨接触角变化规律也大体一致,轮对向左移动时,当轮对横移量在-8mm～-4mm范围内时,轮轨接触角随着运行里程数的增加而增加,当轮对横移量在-4mm～0mm范围内时,轮轨接触角随着运行里程数的增加而略微减小,轮对向右移动时变化不明显,但磨耗轮轨匹配的轮轨接触角略小于标准轮轨匹配。从直线运行性能和曲线通过性能两个角度,从车辆运行的稳定性、平稳性和曲线通过安全性三个方面分析了轮轨磨耗对地铁车辆动力学性能的影响。结果表明轮轨磨耗后地铁车辆运行稳定性降低,蛇形失稳临界速度变小,但轮轨磨耗对车辆运行的平稳性影响较小。轮轨磨耗后车轮脱轨系数变大,在相同运行速度下,外轨上车轮脱轨系数整体上大于内轨上车轮,外轨上车轮最大脱轨系数小于0.8满足良好标准,内轨上车轮最大脱轨系数小于0.6满足优等标准。轮轨磨耗对轮轨横向力产生波动影响,外轨上车轮的轮轨横向力远远大于内轨上车轮,并且最大轮轨横向力小于37KN,在安全限值内。轮轨磨耗对轮重减载率影响较小,在相同运行速度下,前转向架1位轮对的最大轮重减载率比2位轮对的整体较大。

关键词： 轮轨接触关系   非赫兹接触   法向接触   切向接触   车轮磨耗  

摘要： 轮轨接触关系问题是进行车辆动力学计算以及研究轮轨磨耗的关键问题,而经典的赫兹理论无法准确地反应轮轨间真实的接触行为,因此一系列接触计算方法应运而生。本文以六种简化的非赫兹接触算法为中心,研究不同接触模型对计算轮轨接触行为、动力学仿真以及预测车轮磨耗的影响。（1）首先梳理总结了国内外轮轨滚动接触计算的发展过程以及介绍前后提出的接触计算模型,明确研究轮轨间相互作用的意义以及明确用于计算分析的接触模型。（2）接下来,本文系统研究了六种用于法向接触计算的简化接触模型,包括早些年提出基于虚拟表面变形法的KP模型、STRIPES模型、采用近似表面变形法的ANALYN模型,以及近四年新发展的考虑摇头角的EKP、MKP、MSHM模型。以Kalker完全理论程序CONTACT作为标准对比,分析其对法向接触计算的精度以及稳定性。结果表明:除极端非赫兹接触工况外,六种简化接触模型均能获得令人满意的接触斑形状以及法向接触应力分布结果,其中KP模型以及改进后的MKP模型能够兼顾准确性与稳定性,且摇头角并不会对法向计算产生很大影响。（3）第三章实现了FASTSIM、Fa Strip两种切向接触算法,通过等效椭圆法或局部椭圆法将其分别适配于以上六种简化接触算法进行局部切向接触对比计算。在完成法向以及切向计算的基础上,本文选择USFD模型对不同简化接触算法预测车轮磨耗的精度进行计算。结果表明:采用Fa Strip作为切向算法的ANALYN、MKP、EKP模型可以获得更加准确的切向应力分布,而FASTSIM算法会错误估计剪切应力以及黏滑分布。EKP、MKP、MSHM这几种改进模型能够提高车轮磨耗的预测精度,摇头角则会造成接触斑内能量指数增大,从而可能使车轮产生较大的磨耗。当摇头角较大接触斑处于全滑动状态时,不宜采用MSHM模型进行磨耗预测。（4）本文采用两种策略分析简化算法在动力学计算中的稳定性及其适用性。结果表明:在动力学分析中,衡量接触斑非赫兹程度的形状数是影响接触计算精度的主要因素,仅就本文的计算结果,形状数小于0.4时,建议选用Hertz模型,即可满足计算精度要求;而形状数大于0.4时,建议采用始终能够兼顾精度与效率的MKP模型。

关键词： 高速列车   轮轨接触试验   第三介质   摩擦系数   有限元  

摘要： 近年来,中国经济迅速增长,高速铁路取得了跨越式进展,截至2019年底中国高速铁路运营总里程超过3.5万公里,占世界高速铁路运营里程比例超七成。随着运行速度的提高,大量技术问题得以显现,其中包括日益严峻的轮轨黏着问题。轮轨黏着特性很大程度上影响着高速铁路的牵引、制动性能及运行品质,而第三介质对于轮轨黏着的作用不可忽视。因此,研究不同第三介质对高速列车轮轨接触的影响,对于延长车轮使用寿命,降低车辆运营成本具有重要意义。本文运用试验和仿真计算两种方法对高速列车的轮轨接触进行研究,搭建了一种轮轨接触试验台,对磨耗后高速列车轮对和60kg/m钢轨使用线切割技术进行加工,获得了实验所需的车轮试块和钢轨试块,进行试验研究以及接触计算。主要得出以下结论:（1）在高速列车轮轨间不同的横移量位置处进行轮轨接触实验,磨耗后的车轮踏面几何外形发生改变,不同横移量下的接触状态也随之改变;以对中位置为中心,远离轮缘方向,接触斑形状为椭圆形,靠近轮缘位置,出现多点接触现象,接触斑面积较大。（2）根据实验结果,干洁轮轨间的摩擦系数为0.45左右,轴重的改变对轮轨间的摩擦系数较小;水、油、落叶等介质作用下,轮轨间摩擦系数在0.24-0.32之间,与干洁轮轨间的摩擦系数相比,下降幅度为27.27%-45.45%;石英砂作用下,摩擦系数为0.98,与干洁轮轨间相比,轮轨间摩擦系数上升122%。（3）探究不同轴重、不同第三介质对高速列车轮轨间摩擦系数的影响,水介质、油介质、落叶介质单独存在于轮轨间都会使得轮轨间的摩擦系数降低;石英砂介质可以增大轮轨间的摩擦系数,水和落叶同时存在时将使得轮轨之间的摩擦系数急剧减小,石英砂能明显地改善由于水、油、落叶导致的牵引不足现象。（4）建立轮轨接触三维有限元模型,针对高速列车的启动工况进行有限元计算,将实验结果与有限元计算结果进行对比分析,分析不同摩擦系数下的等效应力和轮轨接触力;随着横移量变化,靠近轮缘位置处的最大等效应力和最大轮轨接触法向力均大于远离轮缘位置,不同横移量对轮轨接触摩擦力影响较小,摩擦系数对轮轨接触间的最大Mises等效应力以及轮轨接触力影响较小。

关键词： 制动尖叫   车轮多边形磨耗   钢轨波磨   摩擦自激振动   制动闸片   车轮结构   轨道支撑结构  

摘要： 制动摩擦副和轮轨摩擦副是车辆系统中两个重要的摩擦接触副,其工作稳定性直接影响列车的正常运行以及行车安全。当摩擦副发生自激振动时,往往会引起接触部件之间产生振动和冲击,并传递到相关连接部件,加速部件的磨损和疲劳损伤等故障,同时产生剧烈尖叫噪声,降低乘车舒适性。轮轨系统的钢轨波磨和车轮多边形磨耗是典型的轮轨损伤问题,严重影响轨道结构及其相关零部件的精度、可靠性和使用寿命。已有研究发现,摩擦自激振动可能是造成钢轨波磨和车轮多边形磨耗的重要原因,但是对其产生原因和联系尚没有统一说法。因此研究制动系统和轮轨系统的摩擦自激振动特性以及其与制动尖叫噪声、钢轨波磨及车轮多边形磨耗间的映射关系具有很强的学术创新性以及工程应用背景。本文从摩擦学的角度出发,主要开展了以下几个方面的研究工作:(1)采用现场测试和数值仿真的方法研究了某车型盘式制动尖叫噪声的形成原因和影响因素。在现场测试中,通过采集列车制动时转向架区域的噪声信号以及制动装置的振动信号,并进行噪声特性和振动特性分析,探究制动系统自激振动与盘式制动尖叫噪声之间的相互联系。同时,建立了盘式制动系统有限元模型,采用复特征值分析计算了该系统的不稳定振动模态。通过对比现场测试数据与数值仿真结果可知,有限元预测结果与现场测试结果有良好的一致性,并揭示制动闸片与制动盘间的摩擦自激振动是导致制动尖叫的根本原因。最后,对闸片的材料和结构进行参数敏感性分析,结果表明:提高制动闸片的杨氏模量与阻尼系数,或者选择合适的泊松比可以有效的抑制制动系统的摩擦自激振动,从而达到降低制动尖叫的目的;改变制动闸片的形状,例如三角形、六边形和沟槽型闸片对抑制盘式制动尖叫具有明显的效果,其中沟槽型闸片效果最佳。(2)研究了车轮结构以及制动参数对高速铁路22-23阶车轮多边形磨耗的影响。首先,建立高速列车轮对-钢轨-盘式制动系统摩擦自激振动有限元模型,使用复模态分析方法在频域上分析系统的摩擦自激振动发生趋势,研究轮对-轨道-盘式制动系统摩擦自激振动与车轮多边形磨耗之间的关系。系统预测结果中最小等效阻尼比对应的频率为652.8 Hz的自激振动发生的可能性最大,该频率与实际线路中23阶车轮多边形磨耗频率接近,证明了该模型的准确性。然后,利用参数敏感性分析研究了车轮结构和制动参数对车轮多边形磨耗的影响。研究发现:相同条件下直辐板车轮比斜辐板车轮和S型辐板车轮更容易产生22-23阶车轮多边形磨耗;而随着车轮直径的增大,S型辐板和斜辐板车轮系统中等效阻尼比随之增大,说明22-23阶车轮多边形磨耗发生概率在减小,而直辐板车轮呈现相反的变化趋势,22-23阶车轮多边形磨耗发生概率呈现增大的趋势;车轮踏面磨耗深度的增加会导致等效阻尼比减小,从而使得22-23阶多边形磨耗发生的概率增大;制动压力大致在10 k N时,22-23阶车轮多边形发生的概率最小;高阻尼系数的制动闸片可以有效抑制22-23阶车轮多边形磨耗;而增大闸片杨氏模量会导致自激振动频率增高,车轮容易产生更高阶的多边形磨耗;闸片泊松比对车轮多边形化的影响较小。(3)建立普通短轨枕、梯形轨枕、科隆蛋扣件等轨道支撑结构下的导向轮对-轨道系统有限元模型,使用复特征值分析法研究三种不同轨枕的地铁小半径曲线轨道上钢轨波磨现象。动力学分析和复特征值分析结果表明:列车通过小半径曲线轨道时,导向轮对的轮轨间蠕滑力达到饱和,轮轨之间发生相对滑动;轮轨系统在饱和蠕滑力激励下发生摩擦自激振动,不稳定振动引起的变形主要发生在低轨与内侧车轮上,这可以解释实际线路中小半径曲线轨道钢轨波磨主要发生在低轨的原因。同时研究了弹簧阻尼对扣件、实体单元-固定扣件和实体单元-接触扣件三种模拟方法得到的钢轨波磨有限元预测模型的结果差异,研究表明:针对小半径曲线短轨枕和梯形轨枕轨道,采用实体单元替代原有的弹簧阻尼单元的扣件建模方法能够更好的预测现场钢轨波磨。而小半径曲线科隆蛋扣件轨道,三种扣件建模方法得到的预测结果相差不大,都可以满足预测要求。而采用实体单元-接触扣件建模方法充分考虑轨枕垫的弹性变形以及弹条的垂向约束和钢轨与扣件的纵向摩擦约束,更加接近实际工况,因此与地铁真实线路波磨现象的一致性明显优于其他建模方法。

关键词： 轮对车体系统   轨道不平顺   车轮踏面缺陷   功率流   振动响应  

摘要： 轮对车体系统振动特性受轮轨接触状态改变影响明显,尤其是在轨道不平顺、车轮踏面缺陷(车轮多边形、车轮扁疤)等故障激励下引起的振动会通过轮对传递到车体,直接影响到轨道车辆的运行安全和使用寿命。而目前考虑车轴弹性的轮对车体系统动力学建模欠缺以及复合故障激励下振动传递机理不明确,因此需要开展在轮轨复合故障激励下轮对车体系统振动特性分析。本文以某型铁路货车的轮对车体系统为研究对象,建立考虑车轴弹性的轮对车体系统动力学模型,并引入轮轨复合故障激励,基于车辆系统动力学理论和功率流法分析了轨道不平顺、车轮踏面缺陷以及轮轨复合故障激励下的轮对车体系统振动响应及传递特性。主要研究内容包括:(1)采用有限单元法建立车轴模型,并融合车体两自由度模型,构建了考虑车轴弹性的轮对车体系统动力学模型。并引入轮轨接触的法向力和蠕滑力,采用Newmark-β时域积分法进行数值仿真,并将计算结果与SIMPACK模型计算结果对比,验证模型的正确有效性。(2)在轮对车体系统动力学模型的基础上,引入了轨道不平顺激励,分析了不同速度、不平顺幅值对轮对车体系统振动特性的影响。结果表明,随着速度和幅值的增加,系统的振动响应也在增大,且振幅主要在集中在低频范围内。(3)针对车轮多边形引起的轮对车体系统振动问题,分析了车轮多边形的形成机理并将多边形激励引入到轮对车体系统动力学模型中,研究了速度和多边形幅值、阶次以及两侧车轮多边形激励差异对轮对车体系统振动特性影响。结果表明,随着速度、阶次和幅值的增加,系统振动响应和轮轨垂向力在增大;此外在多边形倍频下,对轮对车体系统功率流变化影响最大。(4)针对车轮扁疤引起的轮对车体系统振动问题,分析了车轮扁疤的形成机理并将扁疤激励引入到轮对车体系统动力学模型中,研究了不同速度和扁疤长度对轮对车体系统振动特性影响。结果表明,在频率图中扁疤激励下的振动响应曲线对应的频域间隔等于车轮转频;轮轨垂向力表现出先减小后增大的趋势。(5)将轮轨复合故障激励引入到轮对车体系统动力学模型中,其中包括轨道不平顺和车轮踏面缺陷激励,分析了不同速度、多边形幅值、阶次以及扁疤长度对轮对车体系统振动特性影响。结果表明,系统振动响应频域图中的曲线变化是由垂向不平顺和车轮踏面缺陷共同叠加所导致;且悬挂系统有效减小了f>nfr时中高频振动从轮对传递给车体。本文构建了轮对车体系统动力学模型,研究在轮轨复合故障激励下轮对车体系统振动响应及传递特性,可为车轮多边形和扁疤下的轮对故障诊断以及车轮镟修限值提供理论支撑。

关键词： 轮轨材料   预制裂纹   等离子体淬火   磨损行为   裂纹扩展  

摘要： 等离子体淬火技术作为一种重要的表面强化技术,在提升轮轨材料耐磨性和抗疲劳性等方面具有巨大潜力,然而在等离子体淬火轮轨材料损伤机理等方面的研究尚未成熟。本文利用层流等离子体射流对轮轨试样进行表面点状淬火处理,采用电火花加工方法在车轮试样表面预制裂纹,基于MJP-30滚动接触疲劳试验机进行磨损试验,研究了表面预制裂纹对淬火前后轮轨试样磨损行为的影响,并建立了淬火轮轨材料的损伤机制图。论文研究主要得出以下结论:对于未淬火试样,预制裂纹显著增加车轮试样的磨损量(60%～111%),一定程度增加钢轨试样的磨损量(46%～62%)。对于淬火试样,预制裂纹增加车轮试样的磨损量(24%～30%),一定程度增加钢轨试样的磨损量(13%～21%)。对于未淬火车轮试样,预制裂纹附近的材料因填补预制裂纹所占空间而发生额外切变,额外切变的不断累积提供了额外的磨损量并在车轮试样表面局部形成严重磨损区,使未淬火车轮试样表面出现不均匀磨损的现象,并且预制裂纹深度的增加将加剧不均匀磨损的程度。对于未淬火钢轨试样,因受到车轮试样表面不完整而引入的冲击载荷,一定程度加速表层塑性变形,略微增加磨损量,但无不均匀磨损特征。对于淬火车轮试样,淬火区未发生明显塑性变形,基体材料的塑性变形程度因淬火区的钉扎作用而略有减小。损伤特征以淬火区出现边缘碎裂和预制裂纹附近出现贯穿淬火区的大角度裂纹为主。其中,淬火区边缘碎裂的主要原因是该处淬火区薄,切应力使该处产生脱离淬火区主体的趋势,同时在垂向载荷的周期性作用下形成边缘碎裂特征;预制裂纹附近的大角度裂纹主要因冲击载荷所致,大角度裂纹略微减轻淬火区边缘的碎裂程度,显著增加淬火区大块剥离的风险。此外,未贯穿淬火区的浅预制裂纹出现内壁剥离的现象,其周向宽度在磨损后增加约51%;贯穿淬火区的深预制裂纹磨后出现预制裂纹后接触一侧的淬火区整体位移的现象,其周向宽度在磨损后缩减约17%。淬火钢轨试样的损伤特征与淬火车轮相似,以淬火区边缘碎裂为主,其边缘碎裂程度高于车轮试样,主要原因是相同工艺下钢轨材料得到的淬火区尺寸更小。