关键词： 重载铁路   珠光体钢轨   贝氏体钢轨   轮轨对磨   轮轨损伤  

摘要： 随着重载铁路技术的发展以及对于运输效率和降低运营经济成本的需求,近年来我国重载铁路的列车轴重不断增加,但是随之而来出现了各种轮轨服役问题。轮轨材料的合理选择与恰当匹配对平衡轮轨磨耗、保证列车运行安全以及延长轮轨材料的服役寿命以降低运营成本具有重要意义。本文针对重载铁路轮轨材料匹配问题,开展不同轮轨材料组合的摩擦磨损性能试验研究。论文采用摩擦磨损实验机研究了U75V热处理、U75V热轧、U78CrV热处理、U78CrV热轧四种珠光体钢轨与CL60和CL70两种珠光体车轮摩擦磨损与抗接触疲劳性能;通过设计不同接触应力和滑差进行试验室研究,以探究贝氏体钢轨磨损性能;对比分析不同钢种的磨耗和抗接触疲劳规律,得到主要结论如下:(1)从磨耗的层面分析,耐磨性最好的钢轨为U78CrV热处理轨,最好的轮轨材料搭配组合为U78CrV热处理-CL60车轮和U78CrV热处理-CL70车轮,此外车轮材料的硬度增加,导致与之对磨的钢轨材料的磨耗随之增加,但硬度高的车轮材料本身耐磨性优异;四种珠光体钢轨与不同种类车轮材料对磨的体系摩擦系数差异较大,与CL60车轮对磨的体系摩擦系数约为0.38,与CL70车轮对磨的体系摩擦系数约为0.45;1430MPa的接触应力和2%滑差的工况下轮轨接触表面的伤损类型主要为剥落、起皮等滚动接触疲劳损伤,主要磨损形式为接触疲劳磨损;因裂纹长度和深度均最小,U78CrV热处理钢轨具有良好的抗滚动接触疲劳性能,此外,当摩擦体系为珠光体钢轨-CL70车轮时,钢轨表层裂纹更容易向基体深入发展。(2)随着接触应力和滑差的增大,贝氏体钢轨和CL60车轮的磨损量也随之增大;贝氏体钢轨和CL60进行滚滑磨损时,接触界面间的摩擦系数与两试样间法向接触应力大小成反比,同时摩擦系数与滑差成正比;相比于滑差的增加,接触应力的增加对于贝氏体钢的塑性流动的产生和裂纹的萌生与扩展具有更强烈的影响;在低滑差(2%)条件下,接触疲劳磨损机制起着重要作用,但在高滑差(10%)条件下,主要磨损机制向磨粒磨损转变,贝氏体钢在高滑差时磨粒磨损条件下耐磨性较差,不适用于高滑差工况。(3)通过对比5种不同组织高强钢轨的平均磨损率,发现贝氏体钢轨虽然具有很高的初始硬度,但是其耐磨性在重载工况下不如其他四种珠光体组织的钢轨;磨合阶段摩擦系数呈现先增加后降低的趋势,达到稳定磨损阶段,摩擦系数基本保持不变;达到加工硬化层深度的最大值的速度取决于钢种母材的初始硬度;贝氏体钢轨的裂纹深度和长度数值在磨损前期同比珠光体钢轨要小,相同条件下贝氏体钢轨试样裂纹达到最大值的时间更长。(4)综合考虑轮轨试样体系磨损和表面伤损U78CrV热处理+CL60车轮这对组合为所研究体系中的最佳合理搭配。

关键词： 地铁钢轨波磨   减振扣件轨道   有限元法   轮轨瞬态滚动接触   轮轨高频振动   形成机理  

摘要： 钢轨波磨形成机理至今仍是亟待解决的难题。钢轨波磨尤其短波长波磨易激发轮轨系统高频振动,导致车辆轨道振动噪声过大和关键部件疲劳失效,严重时威胁行车安全。近年来,随着地铁新型减振轨道结构的不断发展和广泛应用,车辆轴重和运行速度等不断提高,涌现的地铁波磨状态也呈现多样化,而其成因尚不完全明晰,以至于无法采取有效的措施减缓或消除钢轨波磨。本文针对国内某地铁线路中减振扣件轨道出现的钢轨短波长波磨现象,结合现场试验和理论仿真方法,从轮轨系统高频动态特性的动力类成因角度研究了其形成机理。主要工作和结论如下:(1)现场调查减振扣件轨道出现的钢轨波磨特征,其显著波长表现为40～50 mm,波深约为0.05～0.12 mm,列车以103 km/h速度通过该轨道时导致的波磨通过频率为572～715 Hz。在车辆运行条件相同前提下,同一条线路不同轨道结构呈现出不同波长的钢轨波磨,该现象的产生可能与轨道固有特性相关。(2)基于ABAQUS有限元隐式―显式算法相结合的方法,建立地铁减振扣件轨道三维弹性轮轨瞬态滚动接触有限元模型,模型中考虑轮轨结构高频柔性、轮对旋转效应和簧上质量惯性作用,减振扣件系统和一系悬挂通过刚度和阻尼单元模拟。基于数值模型,分析典型工况下车轮通过直线段光滑钢轨时的轮轨瞬态滚动接触行为,包括:轮轨高频振动特性、钢轨动态位移、接触斑内黏滑分布、轮轨瞬态滚动接触力及应力分布等。结果表明,车轮以103 km/h速度滚动约2.2 m后轮轨振动基本达到稳态,此刻轮轨垂向力与静轮重相差0.39～4.68 k N。模型考虑车辆牵引对轮轨纵向滚动接触力的影响,相比无牵引即纯滚时,牵引系数为0.3的轮轨接触斑内滑动区占总接触斑面积的31.5%,最大切向接触应力增大了约6.5倍。此外,借助Hertz接触理论和Kalker的CONTACT程序验证有限元模型的准确性,有限元模型计算得到的最大接触压力分别比Hertz接触理论和CONTACT程序小7.11%和4.74%;有限元模型和CONTACT程序计算得到的黏着区轮轨切向接触应力有略微差异,最大相差约6%。(3)利用模态分析法研究轨道、轮对及耦合结构的高频固有特性,以及通过现场力锤敲击和宽频带激励响应法分析轨道结构的高频敏感频带。结果表明,减振扣件轨道出现的40～50 mm波长波磨通过频率(572～715 Hz)与钢轨pinned-pinned共振频率(1106 Hz)不同,而与钢轨相对道床板弯曲振动模态频率(敏感频带为570～720 Hz)相近。当车轮通过钢轨不同长度(25～90 mm)凹坑不平顺激励时,40 mm长度凹坑激励下的轮轨振动加速度和轮轨垂向力响应最敏感,其表现频带范围分别为574～720 Hz和521～736 Hz,这与轨道敏感频带相近,若车辆通过40 mm长度不平顺则容易引起轨道共振,易诱发39～55 mm显著波长波磨。(4)结合轮轨瞬态滚动接触有限元模型计算获得的轮轨力和黏滑分布等接触参量,建立基于Archard磨耗计算方法的钢轨磨耗模型,研究车轮瞬态通过钢轨凹坑的轮轨动态力与钢轨纵向磨耗特征。仿真结果表明:1)轮轨力波动与钢轨摩擦功和钢轨磨耗相关,牵引系数为0.075、0.15和0.3时导致的钢轨磨耗波长基本为恒值,显著波长分别为51 mm、52 mm和52 mm。2)车辆以75 km/h、85 km/h、95 km/h和103 km/h速度通过减振扣件轨道时,轮轨垂向力和钢轨纵向磨耗表现频率固定机制(显著频率范围为610～838 Hz),形成的钢轨磨耗显著波长分别为44 mm、46 mm、49 mm和52 mm。3)减振扣件轨道钢轨40～50 mm短波长波磨的形成,主要由570～720 Hz敏感频带内的钢轨垂向弯曲模态被激发所致,仿真模拟的钢轨磨耗波长与现场实测结果基本吻合。

关键词： 地铁车辆   轮轨短波不平顺   动力学仿真   轮轨相互作用   振动响应   P2共振  

摘要： 在现代轨道交通工程中,动力学数值模拟已成为研究车辆轨道动力性能的主要研究手段之一。随着车辆运营,轮轨关系会出现恶化,轮轨局部不平顺、钢轨波磨和车轮多边形磨耗等轮轨短波不平顺在轨道交通系统中较为常见。轮轨短波不平顺会导致轮轨系统出现中高频振动响应,这对轨道车辆动力学仿真计算的可靠性提出了更高要求。因此,对轨道车辆动力学仿真模型展开深入研究具有十分重要的理论和现实意义。本文结合某地铁线路现场试验数据,针对地铁车辆动力学仿真,研究轮对和轨道建模方法对计算结果及计算效率的影响;同时,针对地铁实际运营中较常见的多边形磨耗问题及P2共振问题展开了相关详细研究。主要工作和结论如下:（1）对我国某条地铁线路进行车轮非圆化磨耗调查、钢轨不平顺调查和地铁车辆线路振动试验,系统分析轮轨异常磨耗激励下车辆系统动态响应。通过试验可知,该地铁轮轨异常磨耗严重,钢轨焊接接头不平顺激扰容易激发轮轨系统P2共振,车轮多边形异常磨耗加剧车辆系统振动响应,影响车辆运行安全性和舒适性。（2）基于动力学分析软件SIMPACK和有限元分析软件ANSYS,建立了四种地铁车辆动力学分析模型,即:多刚体动力学模型、考虑轮对柔性动力学模型、考虑轨道结构柔性动力学模型以及考虑轮对-轨道结构柔性动力学分析模型。（3）基于四种动力学分析模型,系统地对比分析各类轮轨不平顺激励下不同模型轮轨动态相互作用和车辆系统动力学性能的差异,结合模型仿真计算效率,为动力学仿真计算时模型选取提供参考。结果表明,0～30 Hz低频轮轨激励下,轮轨刚/柔性对计算结果影响较小,但考虑轮对、轨道结构柔性计算效率低下,建议采用多刚体模型。30 Hz以上中高频轮轨激励下考虑轮对结构弹性变形动力学模型其计算结果略优于多刚体模型,但由于没有考虑轨道结构弹性变形会高估轮轨中高频振动响应,计算结果仍存在较大误差。考虑轨道结构柔性的动力学模型及考虑轮对-轨道结构柔性动力学分析模型能较准确反映系统P2共振,其计算结果更准确可靠。此外,考虑轮对-轨道结构柔性动力学分析模型还能较好反应轮对固有模态频率。综合对比分析,建议分析中高频轮轨激励时采用考虑轮对、轨道结构柔性的刚柔耦合动力学模型。（4）利用现场车辆-轨道线路振动试验数据验证了适用于中高频分析的地铁车辆动力学分析模型。针对地铁实际运营中较严重的多边形磨耗问题及P2共振问题展开了相关研究。结果表明,车轮谐波型磨耗激励下阶次和速度的增大会加剧地铁车辆关键零部件振动;当车轮多边形通过频率与轮轨系统P2共振频率（64 Hz）及轮对弯曲模态频率（88 Hz）接近时,会加剧轮轨间动态相互作用从而导致系统振动异常;车轮圆周局部不平顺会激发轮轨系统P2共振,该地铁线路普通整体道床P2共振频率为64 Hz;簧下质量及钢轨扣件刚度对系统P2共振频率影响较大,轮轨系统P2共振频率随扣件刚度增大而增大,扣件刚度由20 MN/m增大至75 MN/m,P2共振频率增大了43 Hz;轮轨系统P2共振频率随簧下质量增大而减小,簧下质量从1000 kg增大至2000 kg,系统P2共振频率从73 Hz降低至53 Hz。

关键词： 和谐型电力机车   轮轨关系   蠕滑   增黏措施  

摘要： 对和谐型电力机车担当本务机车运行途中存在的轮轨关系问题进行研究,阐述了电力机车轮轨关系的接触状况及影响因素,对提高和谐型电力机车轮轨黏着提出了改善性建议.

关键词： 高速铁路   轮轨噪声   噪声控制   隔声裙  

摘要： 近年来我国高速铁路的快速发展在一定程度上推动了中国经济水平的迅速增长。高速铁路在满足更高速度等级要求的同时,轮轨间的冲击和振动将会增强,噪声水平随之迅速上升,高速铁路发展所引发的噪声污染问题也将愈发严峻。高速铁路噪声不仅严重干扰人们的正常作息,还会对其身心健康造成不可逆的损伤;除此之外,列车运行产生的剧烈振动会导致沿线建筑物的受迫振动以及相关设备使用寿命的减少。因此,开展高速铁路噪声的预测及控制具有不可忽视的重要意义。轮轨噪声在高速铁路噪声中占比极大,而车轮噪声又是轮轨噪声的重要组成,所以本文针对车轮隔声裙对轮轨噪声的屏蔽和控制进行了系统的研究。首先选取高速列车车轮作为研究对象,基于结构振动理论和声学理论,采用有限元和边界元分析法,以自振特性、位移导纳、声辐射效率和声辐射指向性作为评价指标,对车轮的振动与噪声辐射特性进行了一系列的研究,为车轮噪声辐射的预测与控制提供一定的理论基础。其次利用车轮隔声裙对轮轨噪声进行控制,在结构隔声理论的基础上,采用统计能量分析法,以传递损失作为评价指标,系统分析了车轮隔声裙相关参数对其降噪性能的影响,为车轮隔声裙的优化设计与选取提供一定的理论参考。最后使用近轨矮屏障作为车轮隔声裙的补充措施,屏蔽车轮下半部噪声以优化隔声裙的降噪性能,并对近轨矮屏障传递损失的影响参数进行了优化设计。研究结果表明:第一,车轮自由振动主要表现为轴向的0节圆模态、轴向的1节圆模态、径向模态和周向模态四类,其振型均沿着节径对称分布;车轮踏面和辐板的面外轴向振动属于轴向模态,而辐板和踏面的面内径向振动属于径向模态;车轮的声辐射效率在较低频率范围内与频率成正比,到高频段后其值约为1;车轮声辐射指向性因车轮结构特性呈现出对称性,且在车轴的方向出现了极小值;车轮指向性在节径较大的模态处跳动性较强同时曲线较平缓;轴向模态下车轮指向性极小值较大。第二,在整个频段内,隔声裙的结构和材料参数都会影响其传递损失,高频段内尤为明显,而高频段内车轮声辐射效率较大,说明隔声裙可以针对性的控制车轮噪声辐射。相同条件下,增大隔声裙的端面厚度有利于阻隔轮轨噪声;Y型隔声裙相比T型隔声裙具有更强的降噪性能,且两者均对隔声过程中的吻合效应有衰减作用;不同隔声材料的降噪性能对频率的敏感性不同,因此隔声裙可考虑多材料多层的复合式设计。第三,近轨矮屏障可以有效增强隔声裙的降噪性能。研究其结构和材料参数对降噪性能的影响发现,近轨矮屏障的传递损失对厚度的敏感性比其对高度的敏感性更强;近轨矮屏障的单位质量与其隔声性能成正比;顶部倾斜式的近轨矮屏障,其传递损失增大,吻合谷深度减小。

关键词： 轮轨关系   接触力学   接触-冲击   非赫兹滚动接触   钢轨焊接接头  

摘要： 铁路系统通过轮轨滚动接触实现列车的支撑和导向,并依靠轮轨接触界面上的滚动摩擦力完成列车的牵引和制动。因而轮轨关系一直是铁路研究的核心问题之一,关系着列车运行的安全与品质、轮轨摩擦噪声的产生以及轮轨界面的损伤演变,而轮轨滚动接触力学行为模拟则是轮轨关系研究的基础科学问题之一。为实现轮轨间的低滚动阻力,需要选用高刚度的轮轨材质,这便导致了轮轨接触斑面积狭小（mm2）与高应力分布（GPa）。目前,通过试验手段直接捕捉轮轨滚动接触行为仍然面临着极大的挑战。因此,采用解析方法或数值手段建立准确可靠的滚动接触力学模型是研究轮轨滚动接触行为的核心。本文详细地论述了轮轨滚动接触模型的创建和动态发展历程,将其分为三个方面:经典滚动接触理论的建立与发展、车辆-轨道动力学或轮轨损伤模拟为导向的快速算法研究、以及基于有限元方法的复杂滚动接触问题研究。然而,随着高速重载铁路及城市轨道交通的不断发展,上述三个方面的研究仍存在一定的不足之处,本文正基于此开展。Kalker提出的变分方法及其数值程序CONTACT,是目前业界求解滚动接触问题最具权威的稳态滚动接触理论。然而Kalker的理论仍是基于诸多前提假设建立,与实际轮轨接触条件存在一定差异,表现在共形或曲面接触问题的求解。本文第2章推广并拓展了Kalker的变分方法,使其适用于具有曲面特征的三维轮轨非对称滚动接触行为的模拟,并编制了相应的数值程序CURVE。利用该模型详细地分析了三维非对称接触几何和曲面接触特征对轮轨滚动接触解的影响,为车辆-轨道动力学仿真和轮轨滚动接触的高效求解提供了依据。虽然Kalker的变分方法可以获得准确的轮轨滚动接触解,但需要反复迭代以确定最终解,这种迭代本质使得该类方法的计算效率很难大幅提升,急需发展一种更为高效的新型简化算法。第3章详细地对比了几个典型简化接触算法应用于非赫兹型轮轨滚动接触问题时的精度,并找到了将FASTSIM和Fa Strip推广到非赫兹型滚动接触模型的最优非椭圆适应方法。为了解决现有简化接触算法处理法向接触问题精度不足以及影响切向接触边界的问题,第4章提出了一种求解法向接触的非赫兹型快速计算方法及其数值程序INFCON,并采用Fa Strip和Ayasse-Chollet的局部椭圆法处理切向接触问题,其有效性通过与CONTACT和简化接触算法的对比得到了验证。进一步提出了“因地制宜”思想的混合接触建模策略并建议了实施该策略的两个几何判定指标,可望统一现有的简化接触算法,提供更为高效的接触建模方法。为突破经典接触算法基本假设的限制,第5章基于显式有限单元法建立了一种三维轮轨瞬态滚振动接触模型。该章节详细地介绍了该有限元模型的建模方法、任意几何不平顺的施加、求解方法的实现、滚动接触解的后处理程序编制等。利用该模型模拟了光滑轮轨表面处的准稳态滚动接触解,通过与CONTACT的对比验证了其准确性。随后,将其应用于钢轨波磨处的瞬态滚动接触行为的模拟,并探讨了变摩擦系数对波磨发展的影响。为推广瞬态滚振动模型的工程应用,将其用于钢轨焊接接头处滚动接触-冲击行为的模拟,建立了焊接接头几何不平顺梯度、轮轨动态冲击力和轴箱加速度的定量关系。据此,提出了两种评估钢轨焊接接头质量的方法,其一是基于轴箱加速度的动态监测方法,另一种是基于几何不平顺测量的静态检测方法。此两种方法可为高速列车的安全服役及铁路工务部门的养护维修提供有效的监测/检测方法。本文建立的三类滚动接触模型基本全面覆盖了轮轨滚动接触力学的应用范围,可为曲面接触、车辆-轨道耦合动力学、界面损伤预测、轮轨接触动力学与冲击等问题提供准确且适宜的滚动接触数值求解方法。

关键词： 轮轨滚动接触   滚动接触疲劳   有限元法   疲劳寿命  

摘要： 近年来,随着我国铁路高速化及重载化的迅猛发展,列车轮对与钢轨之间的接触疲劳现象愈演愈烈。如果列车通过钢轨疲劳严重部位时,车体会因为钢轨疲劳发生高速抖动现象。如果不能及时发现并进行处理,会影响乘客的乘车舒适性,甚至影响列车的运行安全性。因此,研究列车的轮轨接触关系以及接触疲劳问题对列车安全运行意义重大。通过现场调研发现,车辆轴重和钢轨波磨对钢轨疲劳的影响比较大。为此,通过搭乘高速综合检测车,采用钢轨型面测量仪实际检测我国国内某条高速铁路存在波浪形磨耗的钢轨区段,采集相关波磨区段几何参数的数据,并以此实测数据建立存在钢轨波磨的钢轨有限元模型,计算了不同的轴重下的钢轨应力应变情况,然后计算了不同参数对钢轨疲劳寿命的影响。本文具体的研究工作体现在以下几个方面:(1).首先,依据实际几何参数建立轮对、钢轨以及轨道板三维模型。其中踏面类型为LMA磨耗型踏面,钢轨为60kg/m,轨道板型号为CRTS-Ⅲ,轨底坡比例为1:40。轮轨滚动接触疲劳的关键区域主要位于接触部位,需将轮对和钢轨之间接触区域进行网格细化。在不影响计算结果准确性的前提下,采用划分过渡网格方式,从车轮-钢轨接触部位的细化网格过渡到轮辋部分的大网格,降低车轮及钢轨的网格数量,进而提高工作效率。(2)其次,基于有限元法建立轮轨滚动接触三维模型,并通过仿真计算得到车轮在钢轨上的滚动接触状态。本文重点研究了在稳定滚动接触时,列车轴重及单侧钢轨波浪形磨耗对轮轨接触的影响。计算结果表明:钢轨所受到的接触应力以及最大等效塑性应变随列车轴重的增加而增大,且钢轨最大接触应力应变均位于与车轮接触表面下方3mm左右处的次表面。(3)当钢轨存在波浪形磨耗(钢轨波磨)时,位于波浪形磨耗区段的钢轨所受接触应力和应变均大于正常区段。当车轮通过钢轨一侧波磨区段时,轮轨间发生振动导致不稳定接触,使得接触带呈波浪型。振动激发钢轨另一侧出现高速轮轨振动冲击,最终引起该侧钢轨出现与之对应的钢轨波磨。(4)最后,采用损伤函数来估算疲劳裂纹萌生寿命,通过轮轨滚动接触模型结果研究列车轴重以及存在单侧钢轨波磨对钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明:钢轨所受的接触应力应变随着轴重的增加,导致钢轨疲劳寿命呈现出逐步降低的趋势,但是降低速率逐步减缓;且钢轨波磨现象的出现会大幅度降低钢轨寿命。

关键词： 高速列车   轮轨动力学   车轮擦伤   动力学建模   轮轨接触行为  

摘要： 高速列车是指车头流线造型设计,行驶速度在200km/h及以上的列车.随着列车运行速度的提高,复杂轮轨载荷占比的提升.由轮轨滚动接触引起的钢轨接触疲劳裂纹、钢轨磨耗、剥离掉块等钢轨损伤问题越来越严重,对列车运行安全造成极大的威胁.轮轨接触关系在高速轨道交通系统动力学中的重要性变得很突出.为了研究高速运行的列车更加实际的轮轨接触关系,本文从轮轨接触原理出发,运用先进的轮轨几何接触关系算法,构建出三维模型,利用仿真验证算法的有效性和准确性,以解决轮对在不同姿态下的轮轨接触问题.建立了高速列车轮轨接触力学模型,在此基础上进行相应的数值计算、分析和研究.

关键词： 重载机车   车轮擦伤   频谱分析   轮轨冲击   车辆-轨道耦合振动  

摘要： 车轮踏面擦伤会造成剧烈的轮轨冲击作用,加剧车辆和轨道结构部件的疲劳破坏.为揭示实际车轮擦伤状态下的重载机车-轨道耦合振动响应特征,基于车轮擦伤的现场实测数据,拟合出了车轮擦伤模型.采用重载机车-轨道耦合动力学模型,详细考虑了钢轨垫层与扣件弹条相互作用,分别从时域和频域角度仿真计算了机车车轮擦伤引起的轮轨动态响应.研究结果表明:实际车轮擦伤呈不对称的几何形状;车轮擦伤激起的冲击力对轨道部件影响较大;车轮擦伤可能引发钢轨与扣件系统的短暂分离.研究结果可为踏面损伤识别、轨道部件检修提供理论参考.

关键词： 高速轮轨   放电腐蚀   激光熔覆   摩擦磨损  

摘要： 在铁路高速化、重载化发展的趋势下,轮轨间接触振动加剧,通过轮轨间牵引回路电流作用,轮轨表面不可避免会出现放电腐蚀损伤从而诱发轮轨磨损使其过早失效。采用激光熔覆的方法,制备应用于轮轨表面抗放电腐蚀性能、耐磨性优良的熔覆层,从而抑制轮轨因点蚀引起的损伤,具有重要研究意义。本文采用激光熔覆的方法在车轮材料表面以新型镍基自熔性合金粉末（加入1%W、1%Mo及2%Cu的Ni45粉末）加纳米氧化铈成功制备了能够有效减轻轮轨放电腐蚀的熔覆涂层。采用金相显微镜（OM）,扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、能谱分析仪（EDS）,研究了不同纳米氧化铈含量对熔覆层显微组织的影响、放电腐蚀对轮轨基材及熔覆层组织形貌的影响;采用同步热分析仪、数控电火花成型机、显微硬度仪、摩擦磨损试验机研究了熔覆层及轮轨基材的热学性能、抗放电腐蚀性能、硬度及摩擦磨损性能。依据上述试验结果,合理的设计了熔覆层材料成分,并利用正交试验得到的最佳工艺参数制备了车轮钢熔覆层,研究了车轮钢熔覆层对轮轨材料抗放电腐蚀性能及摩擦磨损性能的影响,验证了激光熔覆抑制轮轨放电腐蚀的可行性。得出的主要结论如下:（1）在电火花专用机油介质中进行了轮轨材料放电腐蚀机理分析:从放电腐蚀表面形貌可见,随着电流增加、放电间隙减小,表面蚀坑变大变深,显微裂纹增多加深;轮轨材料放电腐蚀后表面主要成分为Fe3O4和马氏体;放电腐蚀后轮轨材料表面平均硬度增加;车轮材料（正极）的放电腐蚀速率总大于钢轨材料（负极）。（2）在车轮材料表面以镍基自熔性合金粉末（加1%W、1%Mo及2%Cu的Ni45粉末）加不同含量纳米氧化铈进行激光熔覆试验,通过正交试验得到了最佳的工艺参数:激光功率600W、激光扫描速率200mm/min,送粉速率20g/min。添加纳米氧化铈的车轮钢熔覆层组织细密均匀。车轮钢熔覆层组织主要为枝晶和共晶组织,添加纳米氧化铈前后的车轮钢熔覆层物相并没有发生变化,车轮钢熔覆层物相主要由（Fe,Ni）固溶体以及MxCy碳化物、MxBy硼化物（M=Cr、Fe、W、Mo）等硬质相组成。添加纳米氧化铈后车轮钢熔覆层的显微硬度与车轮钢基材相比提升较大。随着纳米氧化铈含量的增加车轮钢熔覆层表面平均硬度先增加后减小,其中含1.5%纳米氧化铈的车轮钢熔覆层表面平均硬度最高,为376 HV0.1,相较于未添加纳米氧化铈的车轮钢熔覆层与未熔覆车轮钢基材的表面平均硬度分别提升了15.3%和30.1%。添加1.5%纳米氧化铈的车轮钢熔覆层与钢轨钢基材表面平均硬度比HW:HR≈1.15:1.00,符合现代轮轨硬度匹配度的要求。添加1.5%纳米氧化铈后车轮钢熔覆层抗放电腐蚀性能改善效果最好。在本试验条件下,最佳的纳米氧化铈添加量为1.5%。（3）车轮钢熔覆层的热学性能优于车轮钢和钢轨钢基材,激光熔覆改性处理后的车轮钢熔覆层及配对的钢轨钢基材的放电腐蚀速率分别为0.0045g/min和0.0017 g/min,与未熔覆轮轨基材相比,放电腐蚀速率分别下降了84.7%和61.1%。改性轮轨材料放电腐蚀表面裂纹明显减少,且蚀坑变小变浅。车轮钢熔覆层表面放电腐蚀后的主要物相为（Cr,Fe）2O3和Ni Cr2O3,车轮钢及钢轨钢基材表面放电腐蚀后的主要物相为Fe3O4和马氏体。放电腐蚀后改性轮轨材料及未改性轮轨材料的显微硬度及表面平均硬度明显增加,改性轮轨材料放电腐蚀后硬度比达到要求而未改性轮轨材料放电腐蚀后硬度比未达到要求。激光熔覆改性后车轮钢熔覆层和配对的钢轨钢材料抗放电腐蚀性能都得到了较大的提升。车轮钢熔覆层的体积磨损率及摩擦系数相较于车轮钢基体都有所降低,车轮钢熔覆层的体积磨损率为9.247×10-5mm3/m,车轮钢基材的体积磨损率为2.9456×10-4mm3/m,车轮钢熔覆层相较于车轮钢基材减少了68.8%。车轮钢基材的磨损机制主要为磨粒磨损及疲劳剥落,车轮钢熔覆层的磨损机制主要为氧化磨损和轻微的磨粒磨损。激光熔覆改性后的车轮钢熔覆层的耐磨性得到明显改善。