列车运行过程中,由于轮轨接触区域不可避免的摩擦原因,在轮轨接触区域产生摩擦热,该热主要储存在轮轨接触区表层。当其不能及时有效地被散失掉时,积聚的热量使钢轨表面温度显著升高,导致轮轨接触区材料的组织结构等物化特性发生改变,材料的强度降低,使机械磨损加速,产生噪声,同时造成轮轨表面的裂纹、剥离等破坏;另一方面,无缝钢轨限制了钢轨自由伸缩,当钢轨温度变化时,由此产生的热应力几乎与机械应力处于同一数量级,影响列车的安全运行。随着列车高速化、重载化,加上频繁的制动与加速牵引,由此产生的摩擦热极大地促进了列车轮轨接触区域表层温升,使列车的运行环境进一步恶化,给列车的舒适性、平稳性及安全运行带来隐患。由摩擦热引起的轮轨温度过高是导致上述危害的主要因素,而对流换热是摩擦热散失的主要方式。列车在钢轨上摩擦运动过程中不可避免的温升与轮轨接触区域附近的瞬态对流换热系数密切相关,钢轨表面瞬态换热系数的大小直接影响钢轨表面的温度场及温升程度。所以获得钢轨表面轮轨接触附近局域的瞬态对流传热系数非常重要,对钢轨的维护、安全使用,及时准确掌握钢轨表面的动态温度及列车的安全运行,具有十分重要的理论及实际意义。所以,当列车高速通过钢轨时,本文对钢轨表面的瞬态传热特性进行了研究。本文在阅读国内外相关文献的基础上,对轮轨接触模型的传热机理进行了分析,介绍了钢轨表面传热的物理模型,以牛顿冷却公式为实验原理,设计了研究钢轨表面瞬态传热特性的实验系统,以真实列车模型为蓝本,应用相似原理,设计了模拟轮轨。同时,采取了一系列措施,对变频器产生的电磁干扰进行了消除,并对实验时模拟轮的位置进行了定位。用实验方法得到了不同车速下,钢轨表面的瞬态传热特性。对实验数据分析整理后,得到了如下结论:(1)当车轮通过瞬间,钢轨表面的瞬态传热系数随时间呈类似于正弦规律变化。至车轮通过后恢复至成一稳定值。(2)在车轮通过的时间间隙,钢轨表面传热系数的稳定值由车轮的线速度决定,线速度越大,则其值越大。(3)车轮通过瞬间,钢轨表面的瞬态传热系数的变化波幅由车轮的线速度及轮轨间的换热空间决定。