钢轨踏面斜裂纹模拟再现试验研究

摘 要：根据钢轨踏面斜裂纹的损伤特点和轮轨力与斜裂纹关系分析设计试验方案，在西南 交通大学 JD-1 轮轨模拟试验机上，对广深高速铁路铺设的 PD3 热轧钢轨材料进行了斜裂纹 损伤再现试验。试验结果表明，轮轨接触方式是钢轨斜裂纹产生和扩展的重要影响因素；轴 重增加会增大轮轨接触应力，增加磨损量，加速接触疲劳现象的产生。

关键词：钢轨 斜裂纹 接触疲劳

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
钢轨踏面斜裂纹是国内外高速线路曲线钢轨的典型破坏现象，属于滚动接触疲劳裂纹伤损类型[1,2]。随着铁路运输速度的不断提高，钢轨斜裂纹已成为危及铁路运输安全的重要因 素之一。2000 年 10 月 17 日，英国一高速列车以 185km•h-1 速度通过半径为 1 460 m 曲线时， 由踏面斜裂纹引起钢轨横向断裂造成出轨，导致 4 人死亡，70 人受伤[3]。2003 年 4 月的数 据表明，荷兰 6 690 km 的线路上, 399.6 km 的钢轨出现踏面斜裂纹，其中 25 km 伤损非常严 重[4]。我国广深准高速铁路自 2002 年 4 月以来，在准高速区段部分半径 1 600 m 及 1 400 m 和非准高速区段半径 1 000 m 及 800 m 的曲线上股钢轨踏面处陆续出现斜裂纹伤损，并已有 两处钢轨发生横向断裂[5]，如图 1 所示。
我国广深准高速铁路钢轨斜裂纹不同于以往的鱼鳞状剥离裂纹，一般不发展成剥离掉 块，裂纹萌生后沿钢轨作用边，呈 45°角，迎行车方向朝钢轨踏面中心扩展。裂纹发展到一 定程度后，便快速扩展成大尺寸横向疲劳裂纹，直至钢轨发生横向折断，严重危及行车安全
[6]。
图 1 广深线斜裂纹
Fig1 The rail tread oblique cracks in Guangzhou-Shenzhen Quasi High-speed Railway
随着我国“四纵四横”铁路客运专线网的建设和现有铁路提速规划的实施，对钢轨踏面斜
裂纹的研究已越来越重要。本文根据钢轨斜裂纹的损伤特点和轮轨力作用方式试验研究了钢 轨斜裂纹的形成机制，对缓解钢轨斜裂纹危害，确保铁路运输安全具有重要作用。
2．试验简介
2.1 轮轨力与斜裂纹关系
钢轨踏面斜裂纹多数发生在曲线外股钢轨的内轨角处、曲线内轨顶面外侧、车轮轮缘根 部和车轮踏面尾部。图 2 给出了轮轨作用力与外股钢轨斜裂纹关系示意图。以曲线外股钢轨 的内轨角处斜裂纹为例：当轮对通过曲线时，外轨处的车轮轮缘贴靠外轨内角处向前滚动，而另一侧车轮踏面尾部和内轨顶部外侧发生接触。由于左右车轮滚动半径不同和轮对的摇头 角产生，滚动轮径差引起外轮轨之间有较大的纵向切向力 Fx , 轮对的摇头角较大和横向运动 引起横向切向力 F ，导致外轮与曲线外轨内侧接触切应力 F 极大。当轮轨接触压应力超过钢轨接触疲劳强度或抗塑性变形许用值时，踏面表层金属产生塑性变形，在此反复接触切应
力 F 作用下疲劳裂纹在塑性变形层表萌生，并以一定的倾斜角度向下扩展，裂纹扩展到一 定深度后，扩展方向开始受动弯应力和长钢轨温度应力的控制而开始向横向疲劳扩展，最后 导致钢轨横向断裂[7]。
图 2 轮轨作用力与钢轨斜裂纹关系
Fig2 The relation between wheel-rail contact force and oblique crack
2.2 试验方法
试验在西南交通大学 JD-1 轮轨模拟试验机上进行[8]。试验中钢轨试样为上轮，下轮为 Φ1150 mm 的对磨轮，对磨轮为主动轮，带动试样相对滚动进行试验。对试样轴施加不同的垂直压下力以实现不同试验载荷的需要。对试样轴实施夹紧制动力以实现摩擦力要求的试 验。
对磨轮轴在水平方向转动 α 角度，使之在水平方向与钢轨试样轴形成一定夹角 α(即冲 角)，以实现不同曲线半径的模拟试验。模拟试验冲角 α 大小是根据韶山 4 型电力机车转向 架参数和曲线半径计算所得。
JD-1 轮轨试验机采用转速模拟，即试样转速与车速所对应的机车车轮转动速度相同， 车轮直径按 1250 mm 计，则：试样转速  车速/车轮圆周长。按此式分别求得不同车速下 的试样转速。试验载荷(接触应力)是依据轴重按赫兹理论有关公式进行计算，需满足试样和 线路钢轨的最大接触应力相等。
对磨轮接触面为平面。试样接触方式有两种,第Ⅰ种为半径 R61 的弧面接触，如图 3 所 示。半径 R 的大小是依据线路轮轨的接触方式计算确定，需试样和对磨轮接触面椭圆的长 短半轴之比与线路钢轨轮轨接触椭圆的长短半轴之比相等。此接触弧 R61 是根据 60 kg/m 钢
轨与车轮的接触方式所确定。
第Ⅱ种接触方式是为了模拟轮对通过曲线时受横向摩擦力 F 的斜面接触方式。在试样 滚动弧面一端加工 1:20 锥面，并以试样轴在垂直平面内沿斜面方向转动 β 角度(约为 3 度) 安装，同时让试样能沿试样轴在 D(2-3mm)范围内移动。如图 4 所示。
图 3 接触方式Ⅰ示意图
Fig3 Sketch map of contactⅠ
图 4 接触方式Ⅱ示意图
Fig4 Sketch map of contactⅡ

试验选用 PD3 热轧钢轨材料，其化学成分见表 1；试验参数见表 2。
表 1 钢轨钢化学成分与机械性能
Tab.1 Constituents of the PD3 rail material
3．试验结果与讨论
按表 2 试验参数进行滚动模拟试验，各试样的磨损量如图 5 所示。弧面接触的试样 1 磨损量小于斜面接触的试样 2、3、4。试样 1 与 2 相比，各试验参数相同，但由于接触方式 不同造成试验结果相差很大，试样 1 的磨损量仅为试样 2 的 58%。斜面接触试样由于横向力的作用，接触应力较大，因此磨损量也较大。轮轨接触应力随轴重增加而增大，因此试样2、3、4 磨损量逐渐亦随轴重增加而增大，且呈线性增长。
图 5 试样磨损量
Fig5 Abrasion value of samples
图 6 为试样 1 和 4 的对磨轮磨面形貌对比。试样 1 对磨轮磨面磨痕平坦，磨损程度较轻，
且磨面主要表现为塑性变形和磨粒磨损；试样 4 对磨轮磨痕深度较深，磨损程度较重，磨面 有明显较深的沟槽，并出现大量横向和斜向裂纹。
(a) 试样 1 (a) Sample 1 (b) 试样 4 (b) Sample 4
对各试样横纵断面裂纹的电镜观察结果表明，试样磨面的裂纹均起源与试样表面，且与
表面以一定夹角向试样里层扩展延伸。某些裂纹与试样表面的夹角较小，并在表层扩展,最 后形成剥离，如图 7(a)所示；某些裂纹在扩展前期与试样表面的夹角较小，但扩展一定长度 后以较大角度向试样内部扩展如图 7(b)所示，此裂纹符合文献[3]和[6]中所介绍的斜裂纹特征。
(a) 位置 1 (a) position 1 (b) 位置 2 (b) position 2
图 7 试样 4 裂纹扩展形貌
Fig7 Appearance of rail cracks sample 4
4．总结
1）轮轨接触方式是钢轨斜裂纹产生和扩展的重要影响因素，通过改善轮轨接触形面能 有效降低接触应力，减缓钢轨斜裂纹的形成。
2）轮轨接触应力随轴重增加而增大，加剧磨损和接触疲劳现象产生。
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参考文献
[1] Rene Heyder.UIC 新版钢轨伤损分类[J]．铁路工程师, 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(英国).钢轨滚动接触疲劳的进一步研究[J].中国铁道科学, 2002, 23(3): 6-10.
[4]Jerone Smalders.应对滚动接触疲劳[J].国际铁道工程, 2003, 9: 43-46.
[5]广州铁路(集团)公司工务处.广深线钢轨伤损问题研讨会交流资料[R].广州: 广州铁路(集团)公司, 2003.
[6]刘学文,邹定强,邢丽贤,等.钢轨踏面斜裂纹伤损原因及对策的研究[J].中国铁道科学, 2004(4): 82-87.
[7]郭俊.轮轨滚动接触疲劳损伤机理研究[D].成都: 西南交通大学, 2006.
[8]王夏鍫,刘钟华．JD-1 轮轨摩擦学模拟试验机[R].成都: 西南交通大学, 1987.