文章编号:0258 7025(2005)03 0306
05立方反射镜失调特性的研究
梁 倩,施翔春,付文强
(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800)
摘要 结合理想坐标系下立方镜镜面微小倾斜后其三个平面法线坐标,利用刚体微量转动的反射法线向量公式,获得非理想立方镜反射矩阵;为了研究在光斜入射时镜面倾斜对出射光方向的影响,利用立方镜绕顶点旋转等效于光斜入射的方法,计算出光束夹角 与单一镜面偏差角 和立方镜旋转角 之间的关系式;对于理想情况下的立方镜,利用几何光学可以证明出射光与入射光不但平行,而且过顶点作任意截面交于两光线所得的两个交点关于顶点对称,从而计算出立方镜绕顶点以外任意轴旋转造成出射光束相对原出射光的偏移量与旋转角关系式,理论计算值与实验数据吻合得很好;介绍了立方镜的制作、调整及检测方法,偏差角的测量与计算.关键词 光电子学;失调;立方镜;反射矩阵中图分类号 T N 248.1 文献标识码 A
Misalignment Property Analysis of Corner Cube Reflector
LIANG Qian,SHI Xiang chun,FU Wen qiang
(Shanghai I nstitute of Op tics and F ine M echanics ,T he Chinese A cademy of S ciences ,S hanghai 201800,China )Abstract T he r eflectio n matr ix o f non ideal corner cube is o bt ained by using the r eflecting nor mal vector equation o f rig id bo dy w ith slight r otation.In o rder to find the effects of dihedral ang le er ro rs o n the emer ging beam,the equivalent pr inciple of co rner cube r otation ar ound a pex is used to calculat e the ang le between the incident beam and the emerg ing beam as a functio n of dihedral angle er ror s and ro tation ang le of corner cube.Fo r an ideal cor ner cube,the emer ging beam is parallel to the incident beam and two int ersect ions that any plane thro ug h the apex cuts the tw o beams must be synmet rical abo ut t he a pex.After cor ner cube r andomly rot ates around apex ,the relat ions betw een the rot ation ang le and offset o f emer ging beam co mpar ing w ith the or ig ina l are investig ated theo retically and ex perimentally.T he results ar e in go od ag reement.T he making ,adjusting and t esting o f the cor ner cube r eflector including the measurement and calculation of the dihedral ang le er ro rs are presented.Key words optoelectro nics;misalig nment;corner cube reflecto r;reflectio n mat rix
收稿日期:2003 12 12;收到修改稿日期:2004 04 14
作者简介:梁 倩(1979 ),女,广西人,中国科学院上海光学精密机械研究所硕士研究生,主要从事激光技术研究.E mail:kadlingzi@hotmail.co m
随着激光技术的不断发展,人们对激光的输出光束质量也有所要求[1~5].如何通过改变激光腔结构设计,提高高功率输出光束质量,是现在面临的主要研究课题.立方镜负支环形非稳腔中的一个重要
组成部分就是立方镜,它具有稳定性好,抗扰动性能强,而且能使腔内激光束产生180 旋转等特点,这就从很大程度上降低了对调整精度的要求.若采用失调灵敏度低,同时又具有良好的模式控制等特点的立方反射镜负支环形非稳腔,使光束在自再现周期内发生旋转或翻转,进而使增益分布不均匀相对
光场得到了均匀化改善,从而提高了光束质量[6].
很多人对立方镜都作过不少有价值的研究[7~12].立方反射镜具有立方棱镜的特点,即最终出射光光轴与入射光光轴平行而与入射角的变化无关.但是,由于立方镜是由三面全反射平面镜两两垂直放置组合而成的,当面间角并不是恰好精确为90 时,出射光会发生偏离,不再平行于入射光.在立方镜的设计和安装调试过程中,需要了解镜面角度的偏差以及由此造成与出射光偏离之间的关系,以便有效地将安装精度控制在允许的范围内,同时如
第32卷 第3期2005年3月
中 国 激 光
CH INESE JOURNAL OF LASERS
Vo l.32,N o.3
M ar ch,2005
何检测三个平面的垂直程度,通过调整来减小偏差,降低由于镜面倾斜造成出射光偏移带来的影响,成了必须解决的一个问题.
本文将对非理想与理想情况下立方镜绕过顶点与不过顶点的任意轴整体旋转进行理论分析,并介绍立方镜的设计、制作、调整与检测方法.
1 理论计算分析
1.1 理想立方镜整体旋转及平移时的特性研究
对于理想情况下的立方镜,通过几何光学可以证明,经其三个面反射后的出射光线以及入射光线不但平行,而且立方镜的顶点一定在这两条光线所组成的平面上,且过顶点作任意截面交于两光线所得的两个交点,一定关于顶点对称.立方镜整体旋转 角,相应地顶点也平移了R !tan ( /2),R 为旋转前立方镜顶点到旋转轴的距离,由于入射光与出射光总是关于顶点对称,那么,当顶点平移!x 时,也就相当于光源沿垂直光轴方向平移了!x ,出射光束也会沿光源移动的反方向平移,这样一来,光源与像点的垂直距离增加了2!x.根据这个特点,可以用几何方法计算出立方镜旋转造成出射光发生平移的偏移量!值
!=2R sin ,
(1)
其中 为立方镜的旋转角.
理想立方镜绕不过顶点的任意轴作整体旋转,
并不改变光的出射方向,只是光束发生了平移,平移量可由(1)式求出.
1.2 非理想立方镜整体微量旋转理论计算
为了具体指定三个全反射面的法线,对应于Cartesian 坐标系必须给立方镜指明特定方向.我们建立的坐标系与T homas 和Wyant 所介绍的完全一致(i,j ,k )[13]
,从底面开始将立方镜的三个面依次以逆时针编号,沿对称轴侧视时,立方镜看上去可以分为六个全等三角部分.如图1(a),(b)所示.定义平面1(A )的法线N A 平行于x 轴,平面1(A )与平面3(C )之间的边缘交线平行于y 轴,则平面1(A )与平面2(B )的边缘交线平行于z 轴.
假设两垂直平面间有一微小误差倾角,记为(?/2+ ), 为非理想情况下立方镜的各镜面的微小差角,并且指定平面的法线间角误差为#,这样可以得出一系列#值,作一阶小角度近似,有cos ?
sin ? .在立方镜镜面微角倾斜的情况下,
面的法线在坐标系中的坐标为
图1立方反射图
(a)坐标系和反射面编号;(b)对应的反射顺序
Fig.1Co rner cube r eflectio ns
(a )
coordinate system and num bering sequence for reflecting
su rface;(b)prism
apertures
with
the
ass ociated
reflection
sequence
N A x =1,N A y =0,N A z =0;N B x = 12,N B y =1,N B z
=0;N C x = 13,N C y = 23,N C z =1.(2)
以上忽略了立方镜作为一个整体旋转时的情况(入射光方向与立方镜对称轴,即光轴方向的偏移).考虑镜面倾斜伴随有立方镜整体旋转,三条法线绕着任意轴(a,b,c )转动 角(不过立方镜的顶点),假设旋转为微量转动.运用求刚体微量转动后的反射的法线向量公式[14]
N #=N +! [P ?N],(3)式中,N 和N #代表刚体微量转动前后的反射面的法
线向量.将(2)式代入(3)式,忽略二次方项#N A x =1,#N A y
=c ,#N A z =-b ;#N B x = 12-c ,#N B y =1,#N B z =a ;
#N C x = 13+b ,#N C y = 23-a ,#N C z =1.(4) 由反射公式#B x #B y #B z
=1-2N 2
x
-2N x N y -2N x N z -2N x N y 1-2N 2y -2N y N z -2N x N z
-2N y N z
1-2N 2
z
B x B y B z ,(5)
上式表明了反射镜特点:一个3?3的反射矩阵R 可以将入射光与反射光联系起来.有
R ijk =R k R j R i ,(6)
这里,i,j ,k =1,2,3且i %j %k.
对于三次反射,将⑷式代入⑸式,立方镜三个面的反射矩阵分别表示为
R #N A =
-1-2c 2b -2c 10
2b
1
;
1-2( ( 12-c )
-0
-307
3期 梁 倩等:立方反射镜失调特性的研究
R #N C =
10-2( 13+b )0
1
-2( 23-a )-2( 13+b )
-2( 23-a )
-1
.
(7)
根据三面全反射镜的反射顺序不同,可将以上三个反射矩阵先后相乘,比如,先从反射镜B 入射,再反射到镜A ,最后由镜C 出射,则小角度镜面倾斜且微量转动的立方镜反射矩阵可分别表示为
R CAB =R B R A R C =-1
-2 122 132 12
-1
2 23-2 13-2 23
-1
;类似地
R BCA =R A R C R B =
-1
2
122
13-2 12-1-2 23-2 13
2 23-1;R ABC =R C R B R A =
-1-2 12-2
132 12-1-2 232 13
2 23
-1
.(8) 由上述三个反射矩阵转置可得出另外三个反射矩阵,它们分别为R BAC ,R ACB ,R CBA .以不同顺序进行反射,出射光偏离的方向都不同,说明出射光束的方向对立方镜的反射顺序具有依赖性.针对这种依赖性,在实验中应选取偏离入射光最小的一组反射顺序,以获得最接近理想情况的反射状态.
一旦照明光束S 0给定,就可以通过R ?S 0计算得出反射光向量S ijk .当光束沿立方镜的对称轴入射时,即S 0的三个方向余弦值都为-3/3,对应的S CA B 为
S x CAB =3/3+23/3( 12- 13);S y C AB =3/3-23/3( 12+ 23);S z CAB =
3/3+23/3( 13- 23).
(9)
从以上的反射矩阵可以看出,微量 角由于出现二次方项均已忽略不计,只存在非理想情况下立方镜的各镜面的微小差角 .可以看出,立方镜的镜面倾斜对出射光束有相当的影响,而相对于立方镜
的镜面倾斜,整体微量旋转对出射光束的影响几乎可以不考虑,因此,在一定程度上可以对于车载或机载出现的微震荡有抗干扰性.也就是说,如果三个平面反射镜之间的角度稍微有点偏离90 ,对应于三面镜子上的六种不同反射顺序组合,出射光束被分为
六个部分沿不同方向进行传播.若入射光方向平行
于立方镜的对称轴,那么,任意两束反射光都相对于
入射方向而对称.如果入射光方向偏离立方镜对称
轴小于几度时,这种对称并没有发生变形.因此,只要出射光近似地平行于对称轴,出射光方向就由镜间偏离90 的微小差角决定,而不必知道那入射光偏离对称轴之间的精确差角.立方镜对入射光位置
的不敏感性,使得工作效率大大提高了.如果
12, 13和 23全为零,可以看出矩阵的主对角线上的元素全是-1,其余全是0,说明了立方镜可使光束旋转
180 的特点.
1.3 偏差角与光束偏转角的关系
当光线是斜入射时,如果立方镜没有镜面倾斜,经过三个面的反射后出射光仍会平行于入射光,然而,实际制作的立方镜总会存在偏差角,下面研究偏差角对出射光方向的影响.
光束斜入射到非理想立方镜,可以等效为立方镜整体绕顶点作相等角度的旋转.对坐标进行变换
T =MB -1M -1,(10)M 为立方镜坐标系变换到定义坐标系的变换矩阵,
B 为坐标系绕其中一条轴转动 角后的变换矩阵
M =
2/6
01/3-1/6 1/2
1/3-1/6-1/2
1/3
,(11)
B =
1000
cos sin 0-sin cos
.
(12) 通过坐标变换,正入射光矢量在坐标轴旋转后可以变化为以下形式
?%&=
-13cos
-13
cos -36sin
-13cos +36sin ,(13)
其中?,%,&为正入射光矢量的三个方向余弦,代入(9)式即求出出射光方向矢量.入射光与出射光方向夹角 可以通过下式求出
cos =
S 0!S CAB S 0!S CAB
.(14) 为了方便,令 12不等于零, 12和 23为零,计算
出光束偏离角与偏差角和立方镜旋转角的关系式cos =
1+ 2
12
83cos 2 +2sin 2 -86
sin
-1
.(15)
308中 国 激 光 32卷
当立方镜存在偏差角时,出射光方向发生了偏
移,
12愈大,立方镜旋转愈厉害,出射光束偏离入射方向也愈大.当 12为零时,立方镜绕顶点旋转并不
改变出射方向.要减少镜面倾斜对出射光的影响,必须调整好镜间角.
2 实验装置
实验中所用的立方反射镜是由三块边长为7cm 的正方形平面反射镜组装而成.先将一块反射镜紧粘在一块铝板上,再将两个粘有另外两块全反射镜的螺旋微调装置分别紧挨着底面镜两邻边用镙钉固定在铝板上,垂直放置的两面反射镜可作二维调整.安装有该立方镜的底板固定在与水平面成35 26 的斜面底座上,以使该立方镜的轴线同水平方向入射的激光束平行.斜面底座再固定在上海联谊光纤激光器械厂生产的ARB4型精密旋转平台上,因而立方镜整体可作水平方向旋转,以研究其存在失调时对激光器性能的影响.
3 立方镜的调整和偏差角的测量
先将三面全反射平面镜两两垂直地固定在一起构成一个立方镜.调整过程中,需要获得较大的调整精度(mrad 量级).每面镜子上都有旋钮,通过观察线性极化的反射光的远场强度分布,用微调旋钮对立方镜三镜面进行精细调节[15].调整测量系统如图2所示.激光束经过望远镜扩束后正入射到立方镜上,经反射后从半透半反镜反射到功率计上,可以检测反射后的光强度;光束从望远镜原路反射回来,这时可以观察到六个分散的小光点
.
图2立方镜的调整测量系统
F ig.2T he schematic o f apparat us used to alig n and
test cor ner cube mir ror s
当调整偏差大于1m rad 时,出射光的方向余弦值由出现在焦距为1m 的透镜焦平面上的六个反
射光点几何确定.
立方镜的反射光点总是对立方镜的对称轴形成对称像.在调整中,观察像点的位置,调节三面反射
镜,尽可能将所有的反射光点调节重合在一起.用CCD 接收观察时,当一个像点达到调整目标时,其他点很有可能就落到了探测器能探测到的范围之外.
调整立方镜三个平面两两垂直的时候,当偏差角小于1#时,用普通的几何方法来测定已经不可能了,这时可采用干涉法来进行调整并且测量[16,17]
.将立方镜(或立方棱镜)作为迈克尔逊干涉仪的一个支臂,用波长为532nm 绿光激光器作为光源,经过扩束望远系统,扩束后的光斑直径为24mm,然后照射到立方镜的中心顶点上;另一支光路中,参考光从一个平面镜反射回来,两束光在纸屏上形成干涉条纹.实验装置如图3所示.调节平面反射镜,使干涉条纹越来越宽,直到获得清晰的均匀场.
图3迈克尔逊干涉仪测量立方镜F ig.3Schematic diag ram o f the M ichelson interfero meter measuring co rner cube
图4两种立方镜的干涉图样
(a)BK 7立方棱镜;(b)立方反射镜
F ig.4M ichelso n inter fero gr am of tw o cor ner cubes
(a)BK 7glas s corner cu be;(b)mirror corner cube
由于立方镜将光路弯折了,灵敏度则为普通干涉仪的2倍,而立方镜的面倾斜引起的光路侧向平移导致光路径偏移也不会影响到条纹的稳定性[16].装置产生的干涉图样由六块不同条纹间隔及条纹方向的扇形组成,图4为实验中CCD 在干涉屏上拍摄到的条纹图样.
309
3期 梁 倩等:立方反射镜失调特性的研究
条纹间隔以及条纹方向都与相应的角偏差 有着紧密的关联[17].所有的条纹频率都可以由测量间隔计算出来,实验数据如表1给出.利用余弦定理可求出同一镜面出射的反射向量(单位矢量)的矢量差L ij.则角偏差 与L成比例关系可表示为
ij=M L ij/42/3n; i=1,2;j=2,3.
(16)其中M为拍摄到的图样尺寸大小与实际图样尺寸大小的比率,n为光的折射率(?为532nm的光在BK 7及空气中传播时n分别为1 52和1).
表1图4中干涉条纹的测量数据和两立方镜的对应角偏差
Table1Data for interferogram in Fig.4and computed dihedral angle errors for two corner cubes Glass cube M ir ro r cube
A per ture seg ment F requency
/mm-1
R elativ e ang le
/()
Dihedral ang le
er ro r(arcsec)
Fr equency
/mm-1
Relative ang le
/()
D ihedr al angle
err or(ar csec)
321 2310.19
0.25
7.5 23=3.51
0.20
0.24
10.1 23=4.66
312 1320.20
0.27
4.0 13=3.83
0.21
0.19
30.8 13=8.75
123 2130.33
0.34
7.5 12=2.33
0.19
0.22
10.7 12=3.97
将数据进行处理,代入(16)式,分别求出两种立方镜三个面的微偏差 ;将 值代入(9)式,即可求出反射光矢量S ijk;当光束以一定角度斜入射时,代入(15)式可求出出射光与入射光的夹角 ,这对用立方镜作为激光器光学元件的研究具有实际意义.
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310中 国 激 光 32卷
15-2~15-3拋物面鏡與球面鏡maulin 探照燈:燈置於球面鏡心、拋物面鏡焦距。?像的觀察法: (A)映像法(B)視線交會法(C)視差法 ?球面鏡
1.在何種情況下,可以用球面鏡來代替拋物面鏡? 小孔徑,鏡面範圍小 A 2.何謂孔徑角? θ=AB/r θ r B 3.孔徑角π徑，曲率半徑r的凹面鏡,其鏡面積若干? 2πr2 4.下列各名詞您能否清楚指出意義或繪圖表示? (a)鏡頂 (b)主軸 (c)焦點 (d)焦平面 (e)曲率半徑 (f)孔徑 (f)鏡邊緣的直徑 5.曲率半徑R的击面鏡,其最大孔徑若干? 2R (一般不可能) 6.有人說平面鏡是击面鏡或凹面鏡之特例,你認為如何? 當球面鏡 R→∞時,可視為平面鏡 7.在孔徑角甚小情況下,下列各入射光其反射光各如何? (a)射到鏡心 (b)經過焦點 (c)經過曲率中心 (d)平行主軸 8.試以數學證明在小範圍時,球面鏡幾近拋物面鏡? y2=4cx…………………………..拋物線 y2+(x-2c)2=(2c)2……球方程?y2=4cx-x2?y2?4cx (當x很小) 9.如圖M為拋物面鏡,F為焦點,則a,b,c三點發出平行主軸之光到焦點, 何者路徑最短? 一樣長
10.若物體距離球面鏡之焦點為So,像距離球面鏡焦點S i,焦距為f(曲率半徑之半為f) 試證S0×S i=f2 11.試由上題證明放大率為M=f/S0=S I/f,並繪出以S0,S i為軸的直角坐標函數圖。 12.若一人由 向凹面鏡之鏡面靠近到達鏡面，其像之運動情形如何? 像的大小如何? 人與像有幾次相遇? 在曲率中心與鏡面共兩次 13.物置於焦距為12cm之凹面鏡前 (a)15em處 (b)9cm處像的位置,性質,放大率各如何?並繪圖示之。 (a)60cm M=4 (b)-36cm M=0.5 14.物置於曲率半徑50cm之击面鏡前 (a)25cm處 (b)15cm處像的位置,性質,放大率各如何? 以圖示之? (a)12.5cm M=1/2 (b)-9.375cm M=5/8 15.若物體於球面鏡前其放大率(橫向放大率)為M,則縱向放大率若干?(即沿主軸方向之放大率) M2 16.物置於球面鏡前會產生一實像時,若將物改置於剛才像的位置,試證明新的像生在原來物的位置。(共軛像) 畫圖(光的可逆性)且實像才有共軛像 17.有一凹面鏡(f=20cm)與击面鏡(f=10cm)同軸而立相距55cm,物距凹面鏡30cm如圖,則二次反射之像位置如何? 凹面鏡前29.5cm倒立時像 . 18.击面鐃之焦距為f，則其像距鏡面之最大值為: (A)f (B)2f (C)3f (D)f/2 (E)f/4 (A)
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910129168.5 (22)申请日 2019.02.19 (71)申请人 西南交通大学 地址 611756 四川省成都市高新区西部园 区西南交通大学科学技术发展研究院 (72)发明人 王文健 师陆冰 丁昊昊 李群 郭俊 刘启跃 周仲荣 温泽峰 (74)专利代理机构 成都盈信专利代理事务所 (普通合伙) 51245 代理人 张澎 崔建中 (51)Int.Cl. G01M 17/10(2006.01) G01N 19/00(2006.01) (54)发明名称 一种快速测量轮轨黏着-蠕滑曲线的实验方 法 (57)摘要 本发明公开了一种快速测量轮轨黏着-蠕滑 曲线的实验方法，试验开始伺服驱动电机以设定 的模拟速度带动两转轴同速转动，保持蠕滑率为 0；轮试样轴上施加方向向下的法向载荷，使轮轨 试样发生滚动接触，其界面接触应力取现场轮轨 界面接触应力水平；其后的实验过程中：轨试样 轴驱动电机保持稳定转速，轮试样轴驱动电机按 照设定的蠕滑率s变化曲线进行调整；控制轮轨 试样间的蠕滑率按照设定的曲线变化，测量并记 录蠕滑率变化过程中轮轨试样间的黏着系数。本 方法可在一次实验过程中获得一条完整的黏着- 蠕滑曲线，与传统方法相比可有效降低实验时 间，且所测曲线均匀连续，包含更多的曲线变化 细节，可有效利用数值拟合方法进行曲线特征分 析。权利要求书1页 说明书4页 附图4页CN 109708906 A 2019.05.03 C N 109708906 A
权 利 要 求 书1/1页CN 109708906 A 1.一种快速测量轮轨黏着-蠕滑曲线的实验方法，将车轮材料与钢轨材料加工成圆盘状对滚试样分别安装于两平行设置的轮试样轴和轨试样轴上，并由两个伺服驱动电机分别驱动以设定的模拟速度带动两轴转动，通过液压机构在上转轴上施加法向载荷，使轮轨试样发生滚动接触；通过设置在轮试样轴上的扭矩传感器和设置在液压机构中的压力传感器测定摩擦力矩和实验力数据而最终获得轮轨界面黏着-蠕滑性能，其特征在于，采用如下的步骤完成实验：(1)试验开始：伺服驱动电机以设定的模拟速度带动两转轴同速转动，保持蠕滑率为0；轮试样轴上施加方向向下的法向载荷，使轮轨试样发生滚动接触，其界面接触应力取现场轮轨界面接触应力水平；(2)其后的实验过程中：轨试样轴驱动电机保持稳定转速，轮试样轴的伺服驱动电机按照设定的蠕滑率s变化曲线进行降速或升速；轨试样转速恒定为n r，轮试样转速n w按照n w＝n r*(1-s)的关系进行实时调整，控制轮轨试样间的蠕滑率按照设定的曲线变化，在此过程中测量并记录蠕滑率变化过程中轮轨试样间的黏着系数；(3)根据记录的蠕滑率和黏着系数输出一条完整的黏着-蠕滑曲线，及曲线的峰值点位置和初始斜率。 2.根据权利要求1中所述的快速测量轮轨黏着-蠕滑曲线的实验方法，其特征在于，模拟制动工况n w
2011年11月第36卷第11期 润滑与密封 LUBRICATION ENGINEERING Nov.2011Vol.36No.11 DOI ：10.3969/j.issn.0254－0150.2011.11.025 *基金项目：国家自然科学基金项目（50905148）；中国博士后科学基金项目（20100471657）．收稿日期：2011－05－09 作者简介：王文健（1980—），男，博士，副研究员，主要从事轮轨磨损与疲劳研究．E- mail ：wwj527@https://www.doczj.com/doc/a610969110.html,．高速轮轨黏着机制进展及模拟试验研究 * 王文健 张鸿斐刘启跃 （西南交通大学摩擦学研究所 四川成都610031檿檿檿檿檿檿 ） 摘要：列车的运行要借助于轮轨之间的黏着和制动，轮轨之间的最大黏着力受到接触斑上黏着系数的限制，因此轮轨关系中的黏着问题是与高速铁路运营密切关联的带有基础性的研究课题。综述国内外高速轮轨黏着的进展及现状，指出研究面临的主要问题。介绍轮轨模拟试验机开展的轮轨黏着试验，结果表明：油水砂介质下的轮轨黏着系数最大，油水介质下的轮轨黏着系数最小，利用此模拟试验机可开展轮轨黏着特性研究。 关键词：高速铁路；轮轨；黏着系数；介质中图分类号：U213 文献标识码：A 文章编号：0254－0150（2011）檿檿檿檿檿檿 11－105－4 Research Progress of Adhesion Mechanism of High-speed Wheel /rail and Simulation Experiments Wang Wenjian Zhang Hongfei Liu Qiyue （Tribology Research Institute ，Southwest Jiaotong University ，Chengdu Sichuan 610031，China ） Abstract ：Trains run must be with the aid of rail /wheel adhesion and brake ， the largest adhesion force between wheel and rail is limited by the adhesion coefficient （friction coefficient ）of contact zone of wheel /rail．Therefore ， the adhesion of high-speed wheel /rail is closely related to the operation of high-speed railway and it is a basic research project．The re-search progress of adhesion mechanism was discussed and the main problem of adhesion of high-speed wheel /rail were giv-en．The adhesion behavior of wheel /rail was investigated using JD-1wheel /rail simulation facilities．The results indicate that the adhesion coefficient is maximal under the mixture of oil ，water and sand condition．The adhesion coefficient is min-imal under the mixture of oil ，water condition．This wheel /rail simulation facilities can be used to investigate the adhesion characteristic of wheel /rail． Keywords ：high-speed railway ；wheel /rail ；adhesion coefficient ；medium 铁路运输是藉轮轨相互作用产生的牵引和制动黏 着摩擦力实现列车的运行，随着高速铁路的修建，使得电力机车牵引负荷日益增大，提高机车黏着性能成为一个至关重要的课题。车轮在轨道上滚动，由于车轮踏面的锥度及轨道弯道、坡道等多种因素影响，存在着不同形式的蠕滑现象，同时由于轮轨之间的牵引和制动黏着摩擦力的作用，使得轮轨之间的作用成为了一种最为复杂的滚动形式，其相互作用过程是一个很复杂的摩擦学过程，轮轨黏着行为直接影响到机车牵引功率的发挥、轮轨表面损伤、列车运行稳定性、列车制动等诸多方面。 高速轮轨关系中黏着问题是与高速铁路运营密切 关联的带有基础性的研究课题，由于高速轮轨黏着问 题的复杂性，轮轨黏着方面有价值的研究主要在20世纪中叶以后。近几十年来，随着高速与重载铁路的发展，铁路发达国家对轮轨黏着问题的研究越来越深入；而我国在此方面的研究才刚刚起步，缺乏系统科学的研究，目前还存在许多问题急需进一步研究与解决，以适应我国高速铁路的快速发展。因此，高速铁路轮轨黏着问题的研究对提高和控制高速列车牵引力利用具有非常重要的理论指导作用。1 轮轨黏着研究现状早在1980年，Pritchard 等 ［1］ 在第七次Leeds- Lyon 摩擦学学术研讨会上发表了一篇世界范围内轮轨黏着 问题的研究综述，讨论了牵引黏着问题的许多方面。由于轮轨共形、共面、塑性变形和第三介质的存在，黏着系数受到许多复杂多变因素的影响，因此轮轨黏着理论研究的开展有一定难度，人们不得不依赖于实验手段来研究轮轨黏着问题。
第三篇望远镜系统 第十九章离轴抛物面镜 当需要对反射光强度作光度测量时，在平行光管及天文望远镜中使用离轴抛物面镜是特别有价值的。因为光源位于有限远处，用离轴抛物面镜可以制成一台优质的平行光管作为透镜的检测系统。 用独特的方法一次可以制造多块离轴小抛物面镜。通常用一块低焦比的大口径反射镜钻下三块或四块小反射镜，并用石膏将反射镜胶进凹孔中。为消除膨胀和应力等不稳定因素，可以用细磨、抛光或酸蚀小反射及开沉孔等新的方法。这些技术，包括细磨和抛光大反射镜毛坯的背面都有助于消除泰曼效应。生产这些产品的光学公司，用同样大小的反射镜毛坯作为框架，并将磨边后的反射镜毛坯放入框架原来所的孔内。一块12in的反射镜毛坯能够制造出四块3.5in 的离轴抛物面镜。这些元件的F数一般较小（f/14~f/5.5）。为了得到较大的相对孔径，离轴抛物面镜变大，其主镜的直径成比例增大就产生加工困难。 反射镜的设计、制造和使用方面已有了一些成果。这些反射镜尺寸中等（直径20.3~30cm），焦比为f/8。最近马科斯.布朗已经制造出一种焦比为f/6，直径为12in的反射镜，并已获得了广泛的应用。关于离轴抛物面镜的一些制造方法已作过介绍，望远镜的业余爱好者可以按此仿制。 1．设计与计算 离轴抛物面的设计取决于光轴的孔间距或孔的位置。小孔是大凹面标准镜的一部分，图19.1 说明了四等分的位置。应特别注意图19.2上的实际光源 位于大凹面镜的轴上，而不是在较小的正在加工的反射 镜上。因此，必须在离轴抛物面镜上刻一个基准记号， 图19.1 一块大的抛物面反射镜上的四个 小的离轴抛物面镜的分布图图19.2一台反射式离轴平行光管的设计 与用于制造小抛物面镜组的大抛物镜一样其轴平面总是明确的。图19.2是作为平行光管离轴抛物镜装置，平行光管带有针孔光源。图25.8c介绍了精确安装针孔光源的方法。如果用在天文望远镜上，则目镜应位于光源的位置上。 复习一下制造大的抛物面及其细磨模的曲率半径时，铣磨机倾角的计算方法，并假设蓝图上的离轴抛物面的数据为：大凹抛物面镜的直径为12in（球面顶点离孔中心是4in、曲磨半径为92.45in）。好的制造工艺是四个高精度离轴抛物面镜中的每一个必须置于大反射镜的一个象限内（参见图19.1）。方程（19-1）是已知工件曲率半径，计算金刚石磨轮的倾角公式。它适用于加工凹的和凸的镜面SinA=D/2R 式中：A为磨轮倾角的度数；D为磨轮的直径；凹面指磨轮的外刃表面；R是要求的曲率半径。 例如：磨轮直径为10in，R为92.45in时试计算A值？ SinA=25.4/2*234.84=0.054079 查正弦函数表求出角度为3°6′。应该注意，机床游标尺的读数精度低于2′。3°6′为金刚
不同轴重下轮轨损伤特性试验研究 申鹏1，曹会琼2，王晓阳1，陈水友3 （1.北华航天工业学院机电工程学院，河北廊坊065000；2.北华航天工业学院经济管理学院，河北廊坊065000； 3.西南交通大学摩擦学研究所，四川成都610031） 来稿日期：2017-02-03 基金项目：国家自然科学基金项目（51405395）；河北省高等学校科学研究计划项目（QN2015257）； 廊坊市科学技术研究与发展计划项目（2015011024）；北华航天工业学院博士科研基金项目（BKY201408） 作者简介：申鹏，（1981-），男，河北邢台人，博士研究生，讲师，主要研究方向：轮轨关系，轮轨摩擦学 1 引言 铁路运输由于其拥有效率高、运输能力大、成本低、安全可靠、环保等特点，铁路运输以其独有的优势在现代运输中占有重要的地位。铁路轮轨间的接触依赖于大小约为100mm 2 的轮轨接 触斑，接触斑同时受到垂向力、横向力、摩擦力的作用，轮轨接触斑的复杂受力状态引起轮轨常见的磨耗、擦伤、波磨、断裂等损伤形式[1-3]。尤其是铁路货物运输不断地向重载化的方向发展，如已成为世界年运量最大的铁路线-大秦铁路的年运量超过4亿吨，大轴重使轮轨间接触状态更为复杂，接触应力增大易加剧车轮和钢轨的磨损和疲劳损伤，加大铁路运输成本的同时会增加列车的行车安全隐患[4-5]。加强对轮轨在不同轴重下的摩擦磨损特性以及 磨损机制的研究，可以为不同轴重运输条件下减轻轮轨的磨耗及疲劳损伤提供试验依据。 国内外对轮轨间不同工况下的损伤特性进行了大量研究。文献[6]进行了车轮和钢轨模拟滚动试验，结果显示随轴重增加，轮轨的磨损量都呈增大的趋势，且高转速状态下轮轨的磨损量较低转速工况下小。文献[7]通过实验室试验研究了钢轨材料表层塑性变形形成机理，结果发现轮轨经过多次循环摩擦作用，组织晶粒破碎细化，材料表面硬度升高，形成了塑性变形层。文献[8]研究了横向力对列车车轮踏面表层材料塑性变形的影响，结果表明在横向力作用下车轮踏面表层材料沿着横向力的方向产生了塑性流动，并且应力方向由高压力区指向低压力区时会发生材料阻挡效应，并在横向力的作用下使得部分金属材料由接触区域延伸至 摘要：利用MMS-2A 型微机控制摩擦磨损试验机研究了不同轴重下轮轨摩擦磨损性能。结果表明：随着轴重的增加，轮 轨间的摩擦系数呈增大趋势，且轴重越大，摩擦系数趋于稳定后的波动系数越小，车轮和钢轨的磨损加剧，但轮轨材料硬度值的差异会导致磨损量的增幅差异；轮轨间接触应力的增加，会导致晶体滑移线向材料里层滑移深度增加，塑性变形层加厚；随着轴重的增加，车轮材料的磨损机制由黏着磨损逐渐向疲劳裂纹方向转变，钢轨材料主要变现为疲劳磨损，由疲劳短裂纹向疲劳长裂纹及多层剥落磨损转变。关键词：轴重；摩擦；磨损量；塑性变形；疲劳裂纹中图分类号：TH16；U213.42 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2017）08-0036-03 Study on Wear and Damage Characteristic of Wheel /Rail at Different Axle Loads SHEN Peng 1，CAO Hui-qiong 2，WANG Xiao-yang 1，CHEN Shui-you 3 （1.Mechanical Engineering Department ，North China Institute of Aerospace Engineering ，Hebei Langfang 065000，China ；2.Economics and Management Department ，North China Institute of Aerospace Engineering ，Hebei Langfang 065000，China ；3.Tribology Research Institute ，Southwest Jiaotong University ，Sichuan Chengdu 610031，China ） Aｂstract ：The wear and damage characteristics of wheel/rail at different axle loads were investigated using a MMS-2A wheel / rail rolling wear testing apparatus.The results showed that the rolling friction coefficient would increase with the increase of axle loads.The larger the axle load is ，the smaller the fluctuation coefficient of friction coefficient after it tended to be stabilized ，and it will aggravation the wear of wheel /rail at the same time.However ，the hardness of wheel /rail materials will result in the difference of the wear volume growth.The increasing of wheel -rail contact stress led to the crystal slip line slipping more deeply from the surface ，therefore the plastic deformation thickness increased.With the increasing of axle loads ，the surface damage of wheel specimen transformed from adhesion damage to fatigue cracks.However ，the rail surface damage is dominated by fatigue wear ，it transformed from short fatigue cracks to long fatigue cracks and deep delamination.Key Words ：Axle Load ；Friction ；Wear Volume ；Plastic Deformation ；Fatigue Crack Machinery Design ＆Manufacture 机械设计与制造 第8期2017年8月 36 万方数据
轮轨关系 轨道车辆和线路的作用问题是铁路轮轨接触式运输的基本问题。发展重载运输必须解决好轮轨之间的动力作用，努力减轻重载列车与线路的动态作用。但由于轮轨关系自身的复杂性，目前的研究理论和模型仍然基于一些假设[1]： 1）法向接触满足Hertz 接触条件； 2）轮轨接触副视为弹性半空间； 3） 接触表面是理想光滑连续的,而接触表面之间的 “第三介质 ,’ 如水、油和其它污染物的影响被忽略； 4) 轮轨接触斑以外边界支撑和约束条件对轮轨接触行为的影响被忽略； 5) 高速轮轨滚动接触时的惯性力被忽略； 6) 不考虑温度的影响。 上述几点假设是不符合实际但是理论的前提。 轮轨关系的主要研究内容为轮轨接触几何的确定和轮轨滚动接触理论的应用。实际接触参数计算和列解微分方程的过程可简述如下： 在某一瞬时位置确定轮轨接触点是关键，之后就可以在确定了接触点的基础上利 用几何推导出各个重要的接触几何参数，如左右轮/轨在接触点的接触角L δ、 R δ，左右轨在接触点处的钢轨顶面曲率半径RR ρ、RL ρ，左右轮在接触点处的踏面曲率半径WR ρ、WL ρ，左右轮实际滚动半径R r 、L r ，轮轨接触时的侧滚角k θ，轮对中心的上下位移k z ，其中变量为轮对相对轨道的横移量和摇头角w y 、w ψ。利用已求得的接触参数和Hertz 接触理论公式计算出接触椭圆的长短半轴，从而确定轮轨接触斑。然后利用接触椭圆的长短半轴长和查表得到的kalker 系数及材料常数计算得到蠕滑系数，之后再通过实际速度和纯滚动速度计算出蠕滑率，将二者带入蠕滑力公式求得蠕滑力。最后就可以列出含有蠕滑力，悬挂力，惯性力的运动微分方程，利用计算机求解得到位移、速度、加速度和相关模态值。 最初进行轮轨接触几何关系研究并确定接触参数的实用方法有两种：一种是圆弧形截面模型，一种是任意截面模型。前者可直观的用数学解析的方法确定其几何关系，后者是数值方法，需编程实现。前者在综述中提到；现重点论述后者，它是一种通用性很强的求解轮轨接触几何的数值方法。
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图２新旧车轮的最大压应力比较 （６０ｋ０／ｍ钢轨） 图３钢轨侧磨时的最大压应力 （６０ｋ０／ｍ钢轨） 应力分别约为２４００ＭＰａ和３９００ＭＰａ，远大于屈服应力和实测值，钢轨顶面的最大压缩应力则基本上为ｌ１００ＭＰａ，和横压的大小无关。 ②弹塑性分析结果：结果表明在横压为３４ｋＮ和６８ｋＮ时的轨侧最大接触应力分别为约９３０ＭＰａ和１７００ＭＰａ，顶面接触应力和横压大小无关，最大为１２５９ＭＰａ。当卸载以后由于塑陛变形产生的残余应力，在顶部亦和横压无关，约为２００ＭＰａ，与实侧值的１００～２００ＭＰａ相一致；在侧部的残余应力较大，相应于横压３４ｋＮ和６８ｋＮ时分别为３７１ＭＰａ和４０７ＭＰａ。 （２）不同车轮踏面的比较。分析结果表明在新品钢轨和车轮接触的条件下，圆弧踏面优于圆锥踏面，其接触应力及磨耗均较小，圆弧踏面为点接触，其最大接触应力小于２点接触的圆锥踏面，后者的侧主应力又大于顶面应力。按２种车轮形状和３种横压条件计算得到的最大压 缩主应力和最大相当应力（图４），轨 侧应力大于轨道顶面的应力，塑性 变形后的残余应力亦随横压而增大， 其值为１５０～３００ＭＰａ。 （３）新品和磨耗品的比较。新 旧车轮和轨道组合时的轮轨接触应 力大于完全为新品或磨耗品的轮轨 接触应力。在车轮和钢轨之一或双 方均为磨耗断面相组合时，分别考 虑６０ｋｇ／ｍ钢轨２、４，７ｍｍ的磨 耗量和运行１０万ｋｍ后的车轮踏面 （圆锥踏面磨耗２ｍｍ，圆弧踏面磨 耗约０．５ｍｍ），在８５ｋＮ轮重和横 压为３４、６８ｋＮ的条件下进行分析 计算。结果表明，当横压为３４ｋＮ 时，不同车轮踏面，新品和磨耗品 的接触应力差别不大；当横压增 大至６８ｋＮ时，圆锥踏面的接触应 力明显大于圆弧踏面?新品和磨 耗品组合的接触应力也有明显增 加，从而对轮轨磨耗的发展有较 大的影响。 （４）轮重影响。当圆弧踏面作 用时轮轨为点接触，在轮轨小于横 压的条件下，其最大压缩应力、剪切 应力和相当应力变化如图５Ｎ示，由 于轮重减少时接触面下移，有接触 面积减少的影响，因此，应力增大。 （５）摩擦系数ｆ和冲角增大的 影响。当轮重小于横压时，随着摩擦 系数ｆ的增加，接触面有上移的倾 向，因此，接触面积增加，导致最大 压缩应力的减少。 （６）车轮上升量的影响。当车 轮上升时，轮轨接触面下移，使接触 面积减少，接触应力增大 ２．１．３考虑车轮表面粗糙的应力分析 （１）分析模型。利用有限元方 法进行弹塑性分析，结果表明粗糙 表面较平滑表面的接触应力有显著 增加。在假设具有粗糙表面的车轮 表层材料厚度为２“ｍ，其硬度为车 轮材料５倍的条件下，对平滑平面和 平均粗糙度为０．４肿的表面进行比 较分析，摩擦系数ｆ按０和０．２两种 情况比较。 （２）分析结果。结果表明相当 应力和剪切应力随车轮表面粗糙度 和摩擦系数的增加而增加，因此，有 必要对车轮表面进行光滑处理以减 轻表面应力或在基层和表层之间设 置能经受大应力的中间层（复合层 化），但同时要考虑表面层和基层之 间的结合性。 ２．２脱轨安全性的研究——小半 径曲线低速运行的安全性评价方法 ２．２．１研究目的和课题 以２００３年３月东京营团地铁日 图４轮轨接触应力 （新的６０ｋｇ／ｍ钢轨） 图５轴重对轮轨接触应力的影响 坝代壤巾轨一交置４／２００９ ＭＯＯＦ．Ｐ，ＮＵＩ诅ＡＮＴＲＡＮＳｆｆ●日◆ 万方数据
表面粗糙度选用 ----------------------------------------------------------- 序号=1 Ra值不大于\μm=100 表面状况=明显可见的刀痕 加工方法=粗车、镗、刨、钻 应用举例=粗加工的表面，如粗车、粗刨、切断等表面，用粗镗刀和粗砂轮等加工的表面，一般很少采用 ----------------------------------------------------------- 序号=2 Ra值不大于\μm=25、50 表面状况=明显可见的刀痕 加工方法=粗车、镗、刨、钻 应用举例=粗加工后的表面，焊接前的焊缝、粗钻孔壁等 ----------------------------------------------------------- 序号=3 Ra值不大于\μm=12.5 表面状况=可见刀痕 加工方法=粗车、刨、铣、钻 应用举例=一般非结合表面，如轴的端面、倒角、齿轮及皮带轮的侧面、键槽的非工作表面，减重孔眼表面 ----------------------------------------------------------- 序号=4 Ra值不大于\μm=6.3 表面状况=可见加工痕迹 加工方法=车、镗、刨、钻、铣、锉、磨、粗铰、铣齿 应用举例=不重要零件的配合表面，如支柱、支架、外壳、衬套、轴、盖等的端面。紧固件的自由表面，紧固件通孔的表面，内、外花键的非定心表面，不作为计量基准的齿轮顶圈圆表面等 ----------------------------------------------------------- 序号=5 Ra值不大于\μm=3.2 表面状况=微见加工痕迹 加工方法=车、镗、刨、铣、刮1～2点/cm^2、拉、磨、锉、滚压、铣齿 应用举例=和其他零件连接不形成配合的表面，如箱体、外壳、端盖等零件的端面。要求有定心及配合特性的固定支承面如定心的轴间，键和键槽的工作表面。不重要的紧固螺纹的表面。需要滚花或氧化处理的表面 ----------------------------------------------------------- 序号=6 Ra值不大于\μm=1.6 表面状况=看不清加工痕迹 加工方法=车、镗、刨、铣、铰、拉、磨、滚压、刮1～2点/cm^2铣齿
轮轨接触力学
轮轨接触动力学报告 —关于轮轨接触动力学的思考 年级：2013级 专业：载运工具应用工程 姓名：刘新龙 学号：13217021
关于轮轨接触动力学的思考 提高机车运行速度和加大牵引能力是当今世界铁路发展的趋势,而达到这 一目的就必须深入轮轨关系的理论研究,改善机车的粘着利用水平。轮轨关系则是机车车辆、轨道系统中最基本、最复杂的一个问题,是特殊的、典型的三维滚动摩擦接触问题。接触理论始于1882年, 由H. Hertz发表的经典论文《论弹性固体的接触》。他提出了椭圆接触面的假设, 把三维接触问题简化为弹性无限半空间问题。Hertz的研究成果为接触理论奠定了坚实的基础, 但Hertz理论仅局限于无摩擦表面及理想弹性固体, 对于轮轨这样复杂的三维滚动接触问题显然是不能准确求解的。 近几十年来,国内外在轮轨滚动接触问题的理论研究和实验研究方面都取 得了很大进展,但随着铁路技术的不断提高,使用解析解法解决轮轨关系问题的局限性也愈加突出。在高速和重载的要求下,轮轨的波磨问题、疲劳损伤问题变得更加严重,而这些问题的产生都与轮轨间作用力有着直接的关系。因此,在现有轮轨滚动接触理论的基础上,使用有限元方法以精确模拟轮轨的几何形状及 其相互接触关系,将是今后解决轮轨关系问题的主要途径。 不断增长的运输量, 要求铁路必须在保证安全的前提下, 增加货物列车的重量, 提高客运列车的速度和运行品质。因此, 新型机车车辆的设计、制造和线路的建设与维护, 都迫切需要预知轮轨之间的动力作用特性。而现在人类已经能够准确地模拟一个飞行体在宇宙空间的运动并进行精确控制, 但却不能精确摸拟铁路轮轨的相互作用。可见轮——轨关系及车辆——线路相互作用仍然是铁道车辆动力学的中心课题。机车车辆或者列车与铁道线路是一个整体系统, 在这个系统中, 它们相互关联, 相互作用。因此在研究机车车辆动力学性能时, 不能简单地视线路为外激干扰。换言之, 线路也并不存在独立于列车的激扰特性。引起系统产生振动和其它动力作用的是钢轨和车轮的滚动面上实际存在的不平顺和其它几何技术特性,当然还有列车中车辆与车辆之间, 机车与车辆之 间的相互作用。
1 / 1 离轴抛物面反射镜有两种不同镀膜供应：保护铝膜（450纳米 - 20微米）,和保护金膜（800纳米 - 10微米）,以及裸金膜（800纳米 - 10微米,金膜外层未加保护膜）,它们被设计用于聚焦和准直宽带光源；包括方形高性能离轴抛物反射镜和椭圆形离轴抛物面金属反射镜。 高性能离轴抛物反射镜 产品具有表面精度高的玻璃基片,使其成为紫外和可见光应用的理想选择。与标准抛物反射镜的不同之处在于,离轴反射镜可在特定角度下直射和聚焦入射平行光,并且支持无限远焦点。这些反射镜普遍应用于柴尔尼特纳和利特罗分光仪配置,以及一般平行光管和扩束器设置。 高性能离轴抛物反射镜为离轴抛物反射镜的的复制品,并已通过严格的检测条件,包括区域干涉测量和Foucault 检测。非球面光学在反射镜基片上采用全像式。 产品特点： · 高质量的玻璃基片 · 表面精度为1/4λ 或 1/2λ · 适用于紫外和可见光应用 离轴抛物金属膜反射镜 与标准抛物反射镜的不同之处在于,离轴抛物金属膜反射镜可在特定角度下直射并聚焦入射平行光 ,并且支持无限远焦点。 这些反射镜普遍应用为Schlieren 和MTF 系统的平行光管,而镀金膜离轴抛物反射镜则用于FLIR 测试系统。 为方便安装,所有反射镜有3个6-32TPI 螺孔（直径规格为25.4mm 的为?"螺栓圈,直径规格为50.8mm 的为1.25"的螺栓圈）,而所有直径规格为76.2mm 和101.6mm 的反射镜则有3个8-32 TPI 螺孔,螺栓圈为2.25"。 · 备有15°、30°、45°、60°或90°的离轴可选 · 点光源准直和平行光束聚焦不会产生球差和色差 · 可选择铝膜和金膜 科教兴国
表面粗糙度：指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下），用肉眼是难以区别的，因此它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度的大小，对机械零件的使用性能有很大的影响，主要表现在以下几个方面： ① 表面粗糙度影响零件的耐磨性。表面越粗糙，配合表面间的有效接触面积越小，压强越大，磨损就越快。 ② 表面粗糙度影响配合性质的稳定性。对间隙配合来说，表面越粗糙，就越易磨损，使工作过程中间隙逐渐增大；对过盈配合来说，由于装配时将微观凸峰挤平，减小了实际有效过盈，降低了联结强度。 ③ 表面粗糙度影响零件的疲劳强度。粗糙零件的表面存在较大的波谷，它们像尖角缺口和裂纹一样，对应力集中很敏感，从而影响零件的疲劳强度。 ④ 表面粗糙度影响零件的抗腐蚀性。粗糙的表面，易使腐蚀性气体或液体通过表面的微观凹谷渗入到金属内层，造成表面腐蚀。 ⑤ 表面粗糙度影响零件的密封性。粗糙的表面之间无法严密地贴合，气体或液体通过接触面间的缝隙渗漏。此外，表面粗糙度对零件的外观、测量精度也有影响。 表面粗糙度有Ra,Rz,Ry 之分，据GB 3505摘录： 表面粗糙度参数及其数值（Surface Roughness Parameters and their Values）常用的3个分别是： 轮廓算数平均偏差(Ra)--arithmetical mean deviation of the profile； 微观不平度十点高度(Rz)--the point height of irregularities； 轮廓最大高度(Ry)--maximum height of the profile。
1、轮对在钢轨上运行，一般承受载荷、载荷 和载荷。 答案：垂直，纵向，横向 2、电磁制动有两种形式：和。 答案：磁轨制动，涡流制动 3、一般城市轨道车辆的制动方式主要有三类：、和电磁制动。 答案：摩擦制动，动力制动 4、伴随着蠕滑产生静摩擦力，轮轨之间才能传递。 答案：切向力 5、动轮与钢轨间切向作用力的最大值与物理学上的最大静摩擦力相比要 (大or 小)一些，情况要更复杂一点，其主要原因是由 于的存在所导致。 答案：小，蠕滑 6、什么是粘着？ 答案：由于正压力而保持动轮与钢轨接触处相对静止的现象。 7、什么是蠕滑？ 答案：由于车轮和钢轨都是弹性体，滚动时轮轨接触处会产生弹性变形，这种新的弹性变形会使接触面间发生微量滑动，这种现象称 为蠕滑(creep)。
8、什么是空转？ 答案：因驱动转矩过大，破坏粘着关系，使轮轨之间出现相对滑动的现象，称之为空转。 9、影响粘着系数的主要因素有哪些？ 答案：影响粘着系数的主要因素有以下几点： a)动轮踏面和钢轨表面状态干燥、清洁的动轮踏面与钢轨表面，粘着系数高，如果踏面或轨面受到污染，则粘着系数低。 b)线路质量钢轨越软或道床下沉越大，轨面的粘着系数越小。 c)车辆运行速度和状态车辆运行速度增高加剧了动轮对钢轨的纵向和横向滑动及车辆振动，使粘着系数减小。 d) 动车有关部件的状态牵引电机特性不完全相同，牵引力大的容易空转或打滑，导致粘着系数下降。 10、简述改善粘着的一般方法。 答案：改善粘着的方法主要有两大类：一是修正轮轨表面接触条件，改善轮轨表面不清洁状态；二是设法改善轨道车辆的悬挂系统， 以减轻轮对减载带来的不利影响。 一般有以下措施：从车辆上往钢轨上撒沙；用机械或化学方法清洗钢轨、打磨钢轨；改进闸瓦材料如用增粘闸瓦，改善车辆悬 挂，减小轴重转移等。
粗糙度设定规范 目录 1.粗糙度的定义-----------------------------------------------------------------2 2.内容-----------------------------------------------------------------------------2 4.1粗糙度介绍--------------------------------------------------------------2 4.1.1粗糙度产生的原因-------------------------------------------------2 4.1.2粗糙度的评价标准-------------------------------------------------3 4.1.3表面粗糙度代（符）号及其注法------------------------------6 4.2表面粗糙度的选用----------------------------------------------------11 4.2.1表面粗糙度的选用原则-----------------------------------------11 4.2.2表面粗糙度参数值的适用表面--------------------------------12 4.2.3轴和孔的表面粗糙度参数推荐值-----------------------------13 4.2.4各种常用加工方法可能达到的表面粗糙度-----------------14 4.2.5座椅常用部品粗糙度设定--------------------------------------15 4.3表面粗糙度的检测方法----------------------------------------------16 3.相关文件---------------------------------------------------------------------17 4.实施要求---------------------------------------------------------------------17 5.附件---------------------------------------------------------------------------17
图一：放大n倍后的工件截面/表面粗糙度及轮廓： 图二：各种加工方法能得到的表面光度： 图三：常见的表面粗糙度仪的工件测量：
表面粗糙度关键技术术语： (1)表面粗糙度：取样长度L 取样长度是用于判断和测量表面粗糙度时所规定的一段基准线长度，它在轮廓总的走向上取样。 (2)表面粗糙度：评定长度Ln 由于加工表面有着不同程度的不均匀性，为了充分合理地反映某一表面的粗糙度特性，规定在评定时所必须的一段表面长度， 它包括一个或数个取样长度，称为评定长度Ln。 (3)表面粗糙度：轮廓中线（也有叫曲线平均线）M 轮廓中线M是评定表面粗糙度数值的基准线。 评定参数及数值: 国家规定表面粗糙度的参数由高度参数、间距参数和综合参数组成。 表面粗糙度高度参数共有三个: (1)轮廓算术平均偏差 Ra ：
在取样长度L内，轮廓偏距绝对值的算术平均值。 (2)微观不平度十点高度Rz 在取样长度L内最大的轮廓峰高的平均值与五个最大的轮廓谷深的平均值之和。 (3)轮廓最大高度Ry 在取样长度内，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离。 表面粗糙度间距参数共有两个： (4)轮廓单峰平均间距S 两相邻轮廓单峰的最高点在中线上的投影长度Si，称为轮廓单峰间距，在取样长度L内，轮廓单峰间距的平均值，就是轮廓单 峰平均间距。 (5)轮廓微观不平度的平均间距Sm
含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段中线长度Sm i，称轮廓微观不平间距。 表面粗糙度综合参数： (6)轮廓支承长度率t p 轮廓支承长度率就是轮廓支承长度n p与取样长度L之比。 另附： 中美表面粗糙度对照表 中国旧标准(光洁度)中国新标准(粗糙度)Ra美国标准(微米 )Ra美国标准(微英寸)，Ra ▽4 6.38.00320 6.30250 ▽5 3.25.00200 4.00160 3.20125 ▽6 1.62.50100 2.0080 1.6063 ▽70.81.2550 1.0040 0.8032 ▽80.40.6325 0.5020 0.4016 国内表面光洁度与表面粗糙度Ｒａ、Ｒｚ数值换算表(单位：μｍ) 表面光洁度 ▽1▽2▽3▽4▽5▽6▽7
国内表面光洁度与表面粗糙度Ｒａ、Ｒｚ数值换算表(单位：μｍ)
另附：粗糙度仪新旧标准参数变化对照表现将TR200粗糙度仪依据新标准更改参数的情况列表如下，如有问题，由时代公司负责解释。本表还适用于公司TR1系列粗糙度仪。修改后可测量参数的总数没有变化，仍为13个参数，只是显示在不同的标准中,也就是说：时代粗糙度仪产品参数：涵盖新旧标准参数！（详见表）
另附：表面粗糙度国际标准加工方法 表面粗糙度参数及其数值（Surface Roughness Parameters and their Values）常用的3个分别是：轮廓算数平均偏差(Ra)--arithmetical mean deviation of the profile； 微观不平度十点高度(Rz)--the point height of irregularities； 轮廓最大高度(Ry)--maximum height of the profile。
Ra--在取样长度L内轮廓偏距绝对值的算术平均值。 Rz--在取样长度内5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最大的轮廓谷深的平均值之和。 Ry--在取样长度L内轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离。 如果图面没标注粗糙度选用Ra /Rz /Ry 的情况下默认为Ra。 表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在
1mm以下），用肉眼是难以区别的，因此它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度的大小，对机械零件的使用性能有很大的影响，主要表现在以下几个方面： ①表面粗糙度影响零件的耐磨性。表面越粗糙，配合表面间的有效接触面积越小，压强越大，磨损就越快。 ②表面粗糙度影响配合性质的稳定性。对间隙配合来说，表面越粗糙，就越易磨损，使工作过程中间隙逐渐增大；对过盈配合来说，由于装配时将微观凸峰挤平，减小了实际有效过盈，降低了联结强度。 ③表面粗糙度影响零件的疲劳强度。粗糙零件的表面存在较大的波谷，它们像尖角缺口和裂纹一样，对应力集中很敏感，从而影响零件的疲劳强度。 ④表面粗糙度影响零件的抗腐蚀性。粗糙的表面，易使腐蚀性气体或液体通过表面的微观凹谷渗入到金属内层，造成表面腐蚀。 ⑤表面粗糙度影响零件的密封性。粗糙的表面之间无法严密地贴合，气体或液体通过接触面间的缝隙渗漏。 此外，表面粗糙度对零件的外观、测量精度也有影响。 粗糙度：0.012、0.025、0.050、0.100、0.20、0.40、0.80、1.6、3.2、6.3、12.5、25、50、100 6.3：半精加工表面。用于不生要的零件的非配合表面，如支柱、轴、、支架、外壳、衬套、盖等的端面；螺钉、螺栓各螺母的自由表面；不要求定心和配合特性的表面，如螺栓孔、螺钉通孔、铆钉孔等；飞轮、带轮、离合器、联轴节、凸轮、偏心轮的侧面；平键及键槽上下面、花键非定心表面、齿顶圆表面；所有轴和孔的退刀槽；不重要的连接配合表面；犁铧、犁侧板、深耕铲等零件的摩擦工作面；插秧爪面等。1、外观的光滑与摩擦是一个矛盾问题，总的来说，既要光滑美观，又要有相当的摩擦， 以方便安装，以下是常见的一些粗糙度数值： 2、粗糙度0.8以下：抛光 3、粗糙度0.8：用磨床加工的面 4、粗糙度1.6—3.2：车床、铣床加工面 5、粗糙度3.2—12.5：一般性的常规加工 6、一般而言，既要光滑美观，又要有相当的摩擦，以方便安装的话，粗糙度0.8可以，既显得美观高档，手感也可以的 7、如果手拧部分需要减低等级的话也可以的，建议选择粗糙度1.6—3.2，但是，好看吗？会不会影响外观的美感呢？ 8、如果需要重视手拧的功能，最好是做滚花处理，滚花有“直纹”和“网纹”两种，图纸上的标注：网纹0.8（用箭头指明需要滚花的部位，再写上文字） 如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！