鋼軌踏面斜裂紋模擬再現試驗研究

摘 要：根據鋼軌踏面斜裂紋的損傷特點和輪軌力與斜裂紋關系分析設計試驗方案，在西南 交通大學 JD-1 輪軌模擬試驗機上，對廣深高速鐵路鋪設的 PD3 熱軋鋼軌材料進行了斜裂紋 損傷再現試驗。試驗結果表明，輪軌接觸方式是鋼軌斜裂紋產生和擴展的重要影響因素；軸 重增加會增大輪軌接觸應力，增加磨損量，加速接觸疲勞現象的產生。

關鍵詞：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外高速線路曲線鋼軌的典型破壞現象，屬于滾動接觸疲勞裂紋傷損類型[1,2]。隨著鐵路運輸速度的不斷提高，鋼軌斜裂紋已成為危及鐵路運輸安全的重要因 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， 由踏面斜裂紋引起鋼軌橫向斷裂造成出軌，導致 4 人死亡，70 人受傷[3]。2003 年 4 月的數 據表明，荷蘭 6 690 km 的線路上, 399.6 km 的鋼軌出現踏面斜裂紋，其中 25 km 傷損非常嚴 重[4]。我國廣深準高速鐵路自 2002 年 4 月以來，在準高速區段部分半徑 1 600 m 及 1 400 m 和非準高速區段半徑 1 000 m 及 800 m 的曲線上股鋼軌踏面處陸續出現斜裂紋傷損，并已有 兩處鋼軌發生橫向斷裂[5]，如圖 1 所示。
我國廣深準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展。裂紋發展到一 定程度后，便快速擴展成大尺寸橫向疲勞裂紋，直至鋼軌發生橫向折斷，嚴重危及行車安全
[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”鐵路客運專線網的建設和現有鐵路提速規劃的實施，對鋼軌踏面斜
裂紋的研究已越來越重要。本文根據鋼軌斜裂紋的損傷特點和輪軌力作用方式試驗研究了鋼 軌斜裂紋的形成機制，對緩解鋼軌斜裂紋危害，確保鐵路運輸安全具有重要作用。
2．試驗簡介
2.1 輪軌力與斜裂紋關系
鋼軌踏面斜裂紋多數發生在曲線外股鋼軌的內軌角處、曲線內軌頂面外側、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系示意圖。以曲線外股鋼軌 的內軌角處斜裂紋為例：當輪對通過曲線時，外軌處的車輪輪緣貼靠外軌內角處向前滾動，而另一側車輪踏面尾部和內軌頂部外側發生接觸。由于左右車輪滾動半徑不同和輪對的搖頭 角產生，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動 引起橫向切向力 F ，導致外輪與曲線外軌內側接觸切應力 F 極大。當輪軌接觸壓應力超過鋼軌接觸疲勞強度或抗塑性變形許用值時，踏面表層金屬產生塑性變形，在此反復接觸切應
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展，裂紋擴展到一 定深度后，擴展方向開始受動彎應力和長鋼軌溫度應力的控制而開始向橫向疲勞擴展，最后 導致鋼軌橫向斷裂[7]。
圖 2 輪軌作用力與鋼軌斜裂紋關系
Fig2 The relation between wheel-rail contact force and oblique crack
2.2 試驗方法
試驗在西南交通大學 JD-1 輪軌模擬試驗機上進行[8]。試驗中鋼軌試樣為上輪，下輪為 Φ1150 mm 的對磨輪，對磨輪為主動輪，帶動試樣相對滾動進行試驗。對試樣軸施加不同的垂直壓下力以實現不同試驗載荷的需要。對試樣軸實施夾緊制動力以實現摩擦力要求的試 驗。
對磨輪軸在水平方向轉動 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)，以實現不同曲線半徑的模擬試驗。模擬試驗沖角 α 大小是根據韶山 4 型電力機車轉向 架參數和曲線半徑計算所得。
JD-1 輪軌試驗機采用轉速模擬，即試樣轉速與車速所對應的機車車輪轉動速度相同， 車輪直徑按 1250 mm 計，則：試樣轉速  車速/車輪圓周長。按此式分別求得不同車速下 的試樣轉速。試驗載荷(接觸應力)是依據軸重按赫茲理論有關公式進行計算，需滿足試樣和 線路鋼軌的最大接觸應力相等。
對磨輪接觸面為平面。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 的大小是依據線路輪軌的接觸方式計算確定，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 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通過曲線時受橫向摩擦力 F 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沿斜面方向轉動 β 角度(約為 3 度) 安裝，同時讓試樣能沿試樣軸在 D(2-3mm)范圍內移動。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

試驗選用 PD3 熱軋鋼軌材料，其化學成分見表 1；試驗參數見表 2。
表 1 鋼軌鋼化學成分與機械性能
Tab.1 Constituents of the PD3 rail material
3．試驗結果與討論
按表 2 試驗參數進行滾動模擬試驗，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，各試驗參數相同，但由于接觸方式 不同造成試驗結果相差很大，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，接觸應力較大，因此磨損量也較大。輪軌接觸應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展延伸。某些裂紋與試樣表面的夾角較小，并在表層擴展,最 后形成剝離，如圖 7(a)所示；某些裂紋在擴展前期與試樣表面的夾角較小，但擴展一定長度 后以較大角度向試樣內部擴展如圖 7(b)所示，此裂紋符合文獻[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 裂紋擴展形貌
Fig7 Appearance of rail cracks sample 4
4．總結
1）輪軌接觸方式是鋼軌斜裂紋產生和擴展的重要影響因素，通過改善輪軌接觸形面能 有效降低接觸應力，減緩鋼軌斜裂紋的形成。
2）輪軌接觸應力隨軸重增加而增大，加劇磨損和接觸疲勞現象產生。
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參考文獻
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