鋼軌踏面斜裂紋模擬再現(xiàn)試驗(yàn)研究

1、鋼軌踏面斜裂紋模擬再現(xiàn)試驗(yàn)研究_hasgo122 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-r

2、ail 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

3、. 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 185kmh-1 速度通過半徑為 1 460 m 曲線時， 由踏面斜裂紋引起鋼

4、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)

5、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

6、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)輪對通過曲線時，外軌處的車輪輪緣貼靠外軌內(nèi)角處向前滾動， 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。由于左右車輪滾動半徑不同和輪對的搖頭 角產(chǎn)生，滾動輪徑差引起外輪軌之間有較大的縱向切向力 Fx , 輪對的搖頭角較大和橫向運(yùn)動 引起橫向切向力 Ft ，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，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

7、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 1150 mm 的對磨輪，對磨輪為主動輪，帶動試樣相對滾動進(jìn)行試驗(yàn)。對試樣軸施加不同的 垂直壓下力以實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)載荷的需要。對試樣軸實(shí)施夾緊制動力以實(shí)現(xiàn)摩擦力要求的試 驗(yàn)。 對磨輪軸在水平

8、方向轉(zhuǎn)動 角度，使之在水平方向與鋼軌試樣軸形成一定夾角 (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 大小是根據(jù)韶山 4 電力機(jī)車轉(zhuǎn)向 架參數(shù)和曲線半徑計算所得。 JD-1 輪軌試驗(yàn)機(jī)采用轉(zhuǎn)速模擬，即試樣轉(zhuǎn)速與車速所對應(yīng)的機(jī)車車輪轉(zhuǎn)動速度相同， 車輪直徑按 1250 mm 計，則：試樣轉(zhuǎn)速w = 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)行計算，需滿足試樣和 線路鋼軌的最大接觸應(yīng)力相等。 對磨輪接觸面為平面。試樣接觸方式有兩種,第種為半徑 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

9、算確定，需試樣和對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。 第種接觸方式是為了模擬輪對通過曲線時受橫向摩擦力 Ft 的斜面接觸方式。在試樣 滾動弧面一端加工 1:20 錐面，并以試樣軸在垂直平面內(nèi)沿斜面方向轉(zhuǎn)動 角度(約為 3 度) 安裝，同時讓試樣能沿試樣軸在 D(2-3mm)范圍內(nèi)移動。如圖 4 所示。 圖 3 接觸方式示意圖 Fig3 Sketch map of contact 圖 4 接觸方式示意圖 Fig4 Sketch map of contact _hasgo122 試驗(yàn)選用

10、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)行滾動模擬試驗(yàn)，各試樣的磨損量如圖 5 所示?；∶娼佑|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

11、增長。 圖 5 試樣磨損量 Fig5 Abrasion value of samples 圖 6 為試樣 1 和 4 的對磨輪磨面形貌對比。試樣 1 對磨輪磨面磨痕平坦，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

12、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。 (免論文網(wǎng)提供的文檔轉(zhuǎn)換) BR參考文獻(xiàn) 1 Rene Heyder.UIC 新版鋼軌傷損分類J鐵工程師, 2002(1) 21-27. 2 D.F.Cannon.A International Cross Reference of Rail Defects A Report Commissioned by the UIC/WEC Rail Defect Management Project Steering Group R.Paris: UIC, 2001. 3史密斯(英國).鋼軌滾動接觸疲勞的進(jìn)一步研究J.中國鐵道科學(xué), 2002, 23(3): 6-10. 4Jerone Smalders.應(yīng)對滾動接觸疲勞J.國際鐵道工程, 200