鋼軌踏面斜裂紋模擬再現(xiàn)試驗(yàn)研究

摘 要：根據(jù)鋼軌踏面斜裂紋的損傷特點(diǎn)和輪軌力與斜裂紋關(guān)系分析設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，在西南 交通大學(xué) JD-1 輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)廣深高速鐵路鋪設(shè)的 PD3 熱軋鋼軌材料進(jìn)行了斜裂紋 損傷再現(xiàn)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，輪軌接觸方式是鋼軌斜裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的重要影響因素；軸 重增加會(huì)增大輪軌接觸應(yīng)力，增加磨損量，加速接觸疲勞現(xiàn)象的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：鋼軌 斜裂紋 接觸疲勞

Abstract:
Based on the damage characters of rail tread oblique crack and the relation between wheel-rail contact force and oblique crack, the reappearance test of rail oblique crack was carried on using JD-1 wheel/rail simulation facility. PD3 rail material was used in the simulation test. The results show that the wheel-rail contact mode is an important influencing factor of the rail oblique crack. The increase in axle load aggravate the wear and rolling contact fatigue of wheel/rail material.

Keywords: Rail, Oblique crack, Contact fatigue

1．引言
鋼軌踏面斜裂紋是國內(nèi)外高速線路曲線鋼軌的典型破壞現(xiàn)象，屬于滾動(dòng)接觸疲勞裂紋傷損類型[1,2]。隨著鐵路運(yùn)輸速度的不斷提高，鋼軌斜裂紋已成為危及鐵路運(yùn)輸安全的重要因 素之一。2000 年 10 月 17 日，英國一高速列車以 185km•h-1 速度通過半徑為 1 460 m 曲線時(shí)， 由踏面斜裂紋引起鋼軌橫向斷裂造成出軌，導(dǎo)致 4 人死亡，70 人受傷[3]。2003 年 4 月的數(shù) 據(jù)表明，荷蘭 6 690 km 的線路上, 399.6 km 的鋼軌出現(xiàn)踏面斜裂紋，其中 25 km 傷損非常嚴(yán) 重[4]。我國廣深準(zhǔn)高速鐵路自 2002 年 4 月以來，在準(zhǔn)高速區(qū)段部分半徑 1 600 m 及 1 400 m 和非準(zhǔn)高速區(qū)段半徑 1 000 m 及 800 m 的曲線上股鋼軌踏面處陸續(xù)出現(xiàn)斜裂紋傷損，并已有 兩處鋼軌發(fā)生橫向斷裂[5]，如圖 1 所示。
我國廣深準(zhǔn)高速鐵路鋼軌斜裂紋不同于以往的魚鱗狀剝離裂紋，一般不發(fā)展成剝離掉 塊，裂紋萌生后沿鋼軌作用邊，呈 45°角，迎行車方向朝鋼軌踏面中心擴(kuò)展。裂紋發(fā)展到一 定程度后，便快速擴(kuò)展成大尺寸橫向疲勞裂紋，直至鋼軌發(fā)生橫向折斷，嚴(yán)重危及行車安全
[6]。
圖 1 廣深線斜裂紋
Fig1 The rail tread oblique cracks in Guangzhou-Shenzhen Quasi High-speed Railway
隨著我國“四縱四橫”鐵路客運(yùn)專線網(wǎng)的建設(shè)和現(xiàn)有鐵路提速規(guī)劃的實(shí)施，對(duì)鋼軌踏面斜
裂紋的研究已越來越重要。本文根據(jù)鋼軌斜裂紋的損傷特點(diǎn)和輪軌力作用方式試驗(yàn)研究了鋼 軌斜裂紋的形成機(jī)制，對(duì)緩解鋼軌斜裂紋危害，確保鐵路運(yùn)輸安全具有重要作用。
2．試驗(yàn)簡介
2.1 輪軌力與斜裂紋關(guān)系
鋼軌踏面斜裂紋多數(shù)發(fā)生在曲線外股鋼軌的內(nèi)軌角處、曲線內(nèi)軌頂面外側(cè)、車輪輪緣根 部和車輪踏面尾部。圖 2 給出了輪軌作用力與外股鋼軌斜裂紋關(guān)系示意圖。以曲線外股鋼軌 的內(nèi)軌角處斜裂紋為例：當(dāng)輪對(duì)通過曲線時(shí)，外軌處的車輪輪緣貼靠外軌內(nèi)角處向前滾動(dòng)，而另一側(cè)車輪踏面尾部和內(nèi)軌頂部外側(cè)發(fā)生接觸。由于左右車輪滾動(dòng)半徑不同和輪對(duì)的搖頭 角產(chǎn)生，滾動(dòng)輪徑差引起外輪軌之間有較大的縱向切向力 Fx , 輪對(duì)的搖頭角較大和橫向運(yùn)動(dòng) 引起橫向切向力 F ，導(dǎo)致外輪與曲線外軌內(nèi)側(cè)接觸切應(yīng)力 F 極大。當(dāng)輪軌接觸壓應(yīng)力超過鋼軌接觸疲勞強(qiáng)度或抗塑性變形許用值時(shí)，踏面表層金屬產(chǎn)生塑性變形，在此反復(fù)接觸切應(yīng)
力 F 作用下疲勞裂紋在塑性變形層表萌生，并以一定的傾斜角度向下擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展到一 定深度后，擴(kuò)展方向開始受動(dòng)彎應(yīng)力和長鋼軌溫度應(yīng)力的控制而開始向橫向疲勞擴(kuò)展，最后 導(dǎo)致鋼軌橫向斷裂[7]。
圖 2 輪軌作用力與鋼軌斜裂紋關(guān)系
Fig2 The relation between wheel-rail contact force and oblique crack
2.2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)在西南交通大學(xué) JD-1 輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行[8]。試驗(yàn)中鋼軌試樣為上輪，下輪為 Φ1150 mm 的對(duì)磨輪，對(duì)磨輪為主動(dòng)輪，帶動(dòng)試樣相對(duì)滾動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)試樣軸施加不同的垂直壓下力以實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)載荷的需要。對(duì)試樣軸實(shí)施夾緊制動(dòng)力以實(shí)現(xiàn)摩擦力要求的試 驗(yàn)。
對(duì)磨輪軸在水平方向轉(zhuǎn)動(dòng) α 角度，使之在水平方向與鋼軌試樣軸形成一定夾角 α(即沖 角)，以實(shí)現(xiàn)不同曲線半徑的模擬試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)沖角 α 大小是根據(jù)韶山 4 型電力機(jī)車轉(zhuǎn)向 架參數(shù)和曲線半徑計(jì)算所得。
JD-1 輪軌試驗(yàn)機(jī)采用轉(zhuǎn)速模擬，即試樣轉(zhuǎn)速與車速所對(duì)應(yīng)的機(jī)車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度相同， 車輪直徑按 1250 mm 計(jì)，則：試樣轉(zhuǎn)速  車速/車輪圓周長。按此式分別求得不同車速下 的試樣轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)載荷(接觸應(yīng)力)是依據(jù)軸重按赫茲理論有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，需滿足試樣和 線路鋼軌的最大接觸應(yīng)力相等。
對(duì)磨輪接觸面為平面。試樣接觸方式有兩種,第Ⅰ種為半徑 R61 的弧面接觸，如圖 3 所 示。半徑 R 的大小是依據(jù)線路輪軌的接觸方式計(jì)算確定，需試樣和對(duì)磨輪接觸面橢圓的長 短半軸之比與線路鋼軌輪軌接觸橢圓的長短半軸之比相等。此接觸弧 R61 是根據(jù) 60 kg/m 鋼
軌與車輪的接觸方式所確定。
第Ⅱ種接觸方式是為了模擬輪對(duì)通過曲線時(shí)受橫向摩擦力 F 的斜面接觸方式。在試樣 滾動(dòng)弧面一端加工 1:20 錐面，并以試樣軸在垂直平面內(nèi)沿斜面方向轉(zhuǎn)動(dòng) β 角度(約為 3 度) 安裝，同時(shí)讓試樣能沿試樣軸在 D(2-3mm)范圍內(nèi)移動(dòng)。如圖 4 所示。
圖 3 接觸方式Ⅰ示意圖
Fig3 Sketch map of contactⅠ
圖 4 接觸方式Ⅱ示意圖
Fig4 Sketch map of contactⅡ

試驗(yàn)選用 PD3 熱軋鋼軌材料，其化學(xué)成分見表 1；試驗(yàn)參數(shù)見表 2。
表 1 鋼軌鋼化學(xué)成分與機(jī)械性能
Tab.1 Constituents of the PD3 rail material
3．試驗(yàn)結(jié)果與討論
按表 2 試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行滾動(dòng)模擬試驗(yàn)，各試樣的磨損量如圖 5 所示。弧面接觸的試樣 1 磨損量小于斜面接觸的試樣 2、3、4。試樣 1 與 2 相比，各試驗(yàn)參數(shù)相同，但由于接觸方式 不同造成試驗(yàn)結(jié)果相差很大，試樣 1 的磨損量僅為試樣 2 的 58%。斜面接觸試樣由于橫向力的作用，接觸應(yīng)力較大，因此磨損量也較大。輪軌接觸應(yīng)力隨軸重增加而增大，因此試樣2、3、4 磨損量逐漸亦隨軸重增加而增大，且呈線性增長。
圖 5 試樣磨損量
Fig5 Abrasion value of samples
圖 6 為試樣 1 和 4 的對(duì)磨輪磨面形貌對(duì)比。試樣 1 對(duì)磨輪磨面磨痕平坦，磨損程度較輕，
且磨面主要表現(xiàn)為塑性變形和磨粒磨損；試樣 4 對(duì)磨輪磨痕深度較深，磨損程度較重，磨面 有明顯較深的溝槽，并出現(xiàn)大量橫向和斜向裂紋。
(a) 試樣 1 (a) Sample 1 (b) 試樣 4 (b) Sample 4
對(duì)各試樣橫縱斷面裂紋的電鏡觀察結(jié)果表明，試樣磨面的裂紋均起源與試樣表面，且與
表面以一定夾角向試樣里層擴(kuò)展延伸。某些裂紋與試樣表面的夾角較小，并在表層擴(kuò)展,最 后形成剝離，如圖 7(a)所示；某些裂紋在擴(kuò)展前期與試樣表面的夾角較小，但擴(kuò)展一定長度 后以較大角度向試樣內(nèi)部擴(kuò)展如圖 7(b)所示，此裂紋符合文獻(xiàn)[3]和[6]中所介紹的斜裂紋特征。
(a) 位置 1 (a) position 1 (b) 位置 2 (b) position 2
圖 7 試樣 4 裂紋擴(kuò)展形貌
Fig7 Appearance of rail cracks sample 4
4．總結(jié)
1）輪軌接觸方式是鋼軌斜裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的重要影響因素，通過改善輪軌接觸形面能 有效降低接觸應(yīng)力，減緩鋼軌斜裂紋的形成。
2）輪軌接觸應(yīng)力隨軸重增加而增大，加劇磨損和接觸疲勞現(xiàn)象產(chǎn)生。
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參考文獻(xiàn)
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