（光学工程专业论文）钢轨斜裂纹形成机理研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 轮轨滚动接触表面损伤一直是困扰铁路工业的一个世界性技术难题，其 出现和发展过程与很多因素有关，至今尚未得到根本解决。本文在广泛吸取 国内外轮轨滚动接触表面损伤问题研究的基础上，对广深准高速客运专线曲 线轨道产生的斜裂纹现象进行了研究，主要目的在于探索钢轨斜裂纹的产生 根源，找到合适且有效的预防措施。 通过定性分析轮轨力和钢轨斜裂纹作用关系，认为轮轨滚动接触破坏现 象不是孤立的出现和发展的，其萌生和发展过程密切相关。 基于铁道机车车辆一轨道耦合动力学理论，建立适合于广深线准高速列 车与曲线轨道相互作用的动力学分析模型，从轮轨动态相互作用关系角度， 对钢轨斜裂纹的产生机理或根源进行深入的理论研究，以“蓝剑”动车组动 车为例，根据机车车辆一轨道耦合动力学原理，用f o n r a n 9 0 编写了机车车辆 曲线通过动力学仿真分析软件( d y n 锄i cs i m u l a t i o na n a l y s i ss o f 【w a r e ，简称 d s a s ) ，并用新型快速显式数值积分方法进行求解。 运用d s a s 软件，研究了“蓝剑”动车组动车、拖车、“s s 8 ”机车和2 0 9 转向架客车通过广深线某钢轨斜裂纹重伤曲线的轮轨动态相互作用，并对几 种车型的计算结果进行了比较和分析：在此基础上，讨论与分析了轨道结构 参数及行车速度对曲线轨道的轮轨动态相互作用的影响，从而提出了一套综 合有效的抑制或减轻钢轨斜裂纹的技术措施，以期为工程实际提供理论依据 和指导。 关键词：钢轨；接触疲劳；斜裂纹；动力学；仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t s u r f a c e 出【m a g eo fw h e e l sa n dr a i l si so n eo fm em o s ts e n o u sp f o b l e m si n r a i l w a ye n g i n e e r i n g t h es t u d i e so ns u r f a c ed a m a g eh a v en o tp e e c t l ye x p l a i n e d t l l em e c h a l l i s mo fi t si n i t i a t i o na i l dg r o 叭ht l l a ta r ee 虢c t e db ym a i l yf a c t o r s b a s e do ne x t e n s i v er e s e a r c h e so nm ed a i l l a g eo fw h e e l r a i ls u r f a c e ，t h eo b l i q u e c r a c ko fr a i l sw h i c ho c c u r si nc u 一，et r a c ko fg u a l l g - s h e nq u a s ih i 曲s p e e d p a s s e n g e rt r a n s p o r tr a i l 、v a yl i n ei ss t u d i s di nt h i st h e s i s t h em a i np u r p o s eo ft h e c u r r e n ts t u d yi st oe x p l a i n 也ef o m a t i o nm e c h a n i s mo fo b l i q u ec r a c ka i l dp r o v i d e s o m ee f f e c t i v ep r e v e n t i v em e a s u r e s t h er e l a t i o nb e t w e e nw h e e l r a i lc o n t a c tf o r c ea n do b l i q u ec r a c ki nr a i li s q u a l i t a t i v e l ya 1 1 a l y z e d s o m et y p e so fs u r f a c ed a m a g ea r ei n t e r d e p e n d e mi nt l l e i r i n i t i a t i o na n dg r o 、v 也p r o c e s s b 锚e do nr a i l 、v a yv e h i c l e t r a c kc o u p l i n gd y l l a m i c st h e o r y ，d y n a m i c sm o d e l ， w h i c hi su s e dt oa l l a l y z ei n t e r a c t i o nb e t 、e e nq u a s ih i g hs p e e dt r a i no f g u a n g s h e nm 订w a ya n dc u r v er a i l ，i ss e tu p d y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i s s o f t w a r e ( d s a s ) i sc o m p i i e db yu s i n gf o n r a n 9 0c o m p u t e r1 a i l g u a g ea n dt h e d y n a m i c se q u a t i o n s a r es o l v e db yu s i n gan e wa n df a s te x p l i c i tn u m e r i c a l i n t e g r a t i o nm e t h o d f r o md y n 锄i ci m e r a c t i o no fw h e e l 龇l dr a i lo b t a i n e db y d s a s ，t h ei n i t i a t i o nm e c h a n i s mo rr e a s o no fo b l i q u ec r a c ki nr a i l si ss t u d i e di n d e t a i l d y n a m i ci n t e r a c t i o no fw h e e l r a i li ss t u d i e db yu s i n gd s a ss o n w a r ew h e n b l u e a r r o wp o w e rc t r a i lc 虬“s s 8 ”l o c o m o t i v ea i l dp a s s e n g e rc a rw i t h “2 0 9 ” b o g i e sp a s st h r o u g ha c u n ，ew i t hs e v e r er a i lo b l i q u ec r a c ki ng u a l l g s h e nr a i l w a y ， r e s p e c t i v e l y r e s u l t so ft h ea b o v ec a s e sa r ec o m p a r e da i l da i l a l y z e d b a s e do n t l l e s er e s u l t s ，e f f 色c to ft r a c ks t r u c t u r ep a r 锄e t e ra n dt r a i ns p e e do nd y n a m i c i n t e r a c t i o no fw h e e la i l dr a i li nc u r v et r a c ki sd i s c u s s e d ，a n das e to fs y n t h e t i ca n d e f 话c t i v et e c l l n o l o g ym e a s u r ew h i c he l i r n i n a t e so rr e l e a s e sr a i lo b l i q u ec r a c ki s p u tf o r w a r d ，t h er e s u l t sc a nb ee x p e c t e dt op m v i d et h e o r e t i cb a s i sa l l dg u i d a n c e f o re n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：r a i l ，c o n t a c tf a t i g u e ，o b l i q u ec r a c k ，d y n 锄i c ，s i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 前言 第1 章绪论 轮轨滚动接触表面损伤一直是困扰铁路工业的一个世界性技术难题，因 为它们的出现和发展过程与很多因素有关，至今尚未得到根本解决。涉及该 领域的研究论文达数百篇，归纳起来主要从以下几个方面开展研究：三维弹 塑性滚动接触理论和数值方法，轮轨滚动接触疲劳理论和数值方法、轮轨滚 动接触疲劳破坏的各种因素的数值分析方法和试验方法，改善车辆和轨道结 构参数以降低轮轨之间的动力作用，以及轮轨型面优化组合和新材料的研究。 国内近几年也积极开展了该领域的理论和试验研究工作。西南交通大学 牵引动力国家重点实验室系统地开展了该领域的理论和试验研究，该项目课 题组曾经通过建立车辆一轨道耦合动力学、轮轨材料摩擦学模型和三维滚动 接触模型为一体的计算模型，分析了各种因素对钢轨磨耗型磨损的影响。另 外，大连理工大学张军【l 2 】等人利用参变量变分原理和有限元参数二次规划 法求解了轮轨三维弹塑性滚动接触问题，并利用该方法分析了列车起动和制 动时轮轨弹塑性滚动接触瞬态行为。但国内在应用和解决实际问题研究方面 非常薄弱。 近年来，在广深准高速客运专线曲线轨道、速度为1 2 0k m 1 1 2 0 01 【i i 池 的区段，发现了大量的钢轨斜线状裂纹现象，且斜裂纹迎行车方向朝钢轨踏 面中心扩展。国内许多研究人员或单位曾对该现象的产生机理及其防止措臆 进行了理论研究与现场调查分析及试验，但迄今为止，尚未探明钢轨斜裂纹 的产生根源，也没有找到合适且有效的预防措施。 基于此，本论文运用铁道机车车辆一轨道耦合动力学理论，建立适合于 广深线准高速列车与曲线轨道相互作用的动力学分析模型，从轮轨动态相互 作用关系的角度，对钢轨斜裂纹的产生机理或根源进行深入的理论研究，在 此基础上，研究了轨道结构参数及行车速度对钢轨斜裂纹的影响，从而提出 一套综合有效的抑制或减轻钢轨斜裂纹的技术措施，以期为工程实际提供理 论依据和指导。 1 2 研究的意义 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 2 0 0 0 年4 月份以来，广深线准高速区段部分半径为1 6 0 0m 、1 4 0 0m 和 非准高速区段半径为1 0 0 0m 及以下的曲线上股钢轨( 攀钢生产的u 7 1 m n 和 p d 3 热轧轨) 出现了斜线状裂纹( 如图1 1 所示) ，沿钢轨作用边，迎行车方 向朝钢轨踏面中心扩展，裂纹发展到一定程度后快速扩展，形成横向疲劳裂 纹，直至发生横向断裂。此种伤损不同于常见的鱼鳞伤剥离掉块【3 ，4 j ，数量大， 发展速度快，在高速行车下可能产生突然断裂，对行车安全形成巨大的隐患。 圈1 1 广深线典型斜裂纹 广深线现已发现4 4 个曲线累计3 7 k m 的线路钢轨达到重伤程度【5 j 。国内 韶关工务段、金华工务段、许昌工务段也有类似报道。此种伤损不在钢轨 伤损分类( t b l 7 7 8 ) 九类3 2 种伤损之列。2 0 0 3 年8 月2 0 2 1 日，铁道部 运输局在广州召开了广深线钢轨伤损问题研讨会，并印发了广深线钢轨伤 损问题研讨会会议纪要。广深铁路股份有限公司对钢轨出现斜裂纹伤损十分 重视，采取了一系列处理措施，并准备对出现钢轨斜裂纹伤损的曲线，全部 更换时速2 0 0 公里客运专线6 0k g m 的u 7 1 m n 钢轨。广深线钢轨接触疲劳伤 损是关系到广深线能否运行2 0 0k m h 速度列车的关键问题，对其进行深入、 系统的研究具有重大现实意义。 对照国内外钢轨伤损分类标准和有关资料【6 ”，广深线钢轨踏面斜裂纹伤 损属于滚动接触疲劳( r o l l i n gc o n t a c tf a t i g u e ，简称r c f ) 裂纹伤损类型， r c f 问题已越来越成为轨头损伤破坏的重要原因，致使维修费用大量增加并 危及行车安全。现已普遍认为钢轨超过承载极限是引起r c f 和轨头裂纹的主 要原因，如果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( 安 定极限值1 8 j ) ，并周期性作用在轮轨摩擦表面，轨头踏面微裂纹成为疲劳源， 在交变的接触剪应力作用下，损伤逐渐积累，形成剥离裂纹。部分疲劳裂纹 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 以一定角度向内部扩展，形成核伤，发展为钢轨的横向断裂i 9 j 。钢轨接触疲 劳的形成原因和失效机理非常复杂，其机理尚不明确，但轮轨r c f 的破坏现 象和后果是非常严重的。人们采用了各种方法和措施来阻止和减少它的危害， 如研制轮轨新材料、优化轮轨型面匹配以减少轮轨之间的动力作用【l 仉1 2 】等， 但效果并不明显。随着铁路客货运量的增大和列车速度的提高，轮轨r c f 所 造成的破坏变得越来越严重，高速、重载线路尤以为甚。 目前，我国秦沈客运专线已经建成，时速2 0 0 公里客运专线建设即将全 面展开，四纵四横高速客运专线正处在积极筹划之中。通过本论文的研究， 可以在全面掌握钢轨斜裂纹伤损的特点及其伤损机理的基础上，制定相应的 预防措旌，对于确保运输安全、提高铁路运输服务水平等具有重要意义。对 我国铁路繁忙铁路干线、2 0 0k n 汕客运专线以及客货共线铁路钢轨的技术选 型和合理使用也具有重要借鉴意义。 1 3 轮轨关系问题综述 1 3 1 轮轨滚动接触的特点 轮轨型列车从最初的每小时几公里运行速度发展到现在每小时3 0 0 多公 里，试验速度达5 0 0 多公里【】3 ，1 4 】。列车的牵引、制动和运行都要靠轮轨的滚 动接触作用来实现。轮轨之间的作用品质直接影响到列车的运行品质和安全 以及铁路运输的成本。在轮轨之间的1 0 0 多平方毫米接触斑上【”】，将要承受 和传递数吨甚至数十吨载荷。图1 2 ( a ) 所示单轮对沿轨道滚动接触情形。 图中坐标系删是轨道坐标系，z 轴指向车轮滚动的方向，y 轴为轨道的横 向，z 轴为铅垂向上，o ，y 7 为原点与轮对中心重合且y 轴与轮对轴线重合 轮对坐标系，y 是轮对中心相对轨道中心线的横移量，和矿为轮对绕一轴转 动的角度和角速度，或轮对侧滚角位移和角速度，妒和矿轮对绕z 转动的角 度和角速度，或叫做轮对摇头角，v o 是轮对的滚动速度。轮对滚动过程中， 不仅存在相对钢轨有横向滑动和纵向滑动，而且在轮轨接触界面之间存在相 对转动( 如图1 - 2 ( b ) 中所示的国。) 。这种转动主要是由车轮滚动的角速度脚、 轮轨接触面轮轨接触面法向( 如图1 2 ( b ) 中所示的疗) 和轮对滚动轴线相 互处于非垂直状态引起的。由于考虑到轮对应具有较好的过曲线性能和在直 线轨道运行时自动恢复对中性能，所以在车轮踏面上( 滚动接触工作表面) 设计成外侧小内侧大的锥形踏面。如果轮对发生横移时，左右车轮滚动的半 径不同，由此而导致左右车轮相对钢轨沿轨道纵向具有方向相反的微小滑动。 西南交通大学预士研究生学位论文第4 页 ( a ) ( b ) 图卜2 ( a ) 单轮对沿着轨道滚动，( b ) 单轮轨滚动接触情况 如果不考虑轨道结构的柔性变形，则轮对在沿钢轨滚动过程中轮轨接触点处 界面的滑动量包含了车轮瞬时滚动半径。、妒、矿、妒、妒、v o 以及轮 轨接触角点【， 】，即可用包含这些量的显式数学式来表示轮轨接触斑处纵横 向滑动量和相对转动滑动量。事实上，轮对和轨道结构在工作过程中要产生 很大变形，同时钢轨要发生较大的横移、下沉和翻转，这种结构变形和钢轨 的横移、下沉和翻转，则直接影响轮轨轨道接触位置和轮轨接触斑粘滑效果 f 1 8 ，l9 1 。在这种情况下，无法用数学表达式表示轮轨之间的滑动。当轮对发生 横向运动和摇头运动时，尤其是车辆通过小半径曲线、轨缝和道岔时，轮轨 之间将要发生冲击振动。轮对过大的横移 会导致轮缘和钢轨内侧发生贴靠时，轮轨 之间就要发生两点接触，如图1 3 所示。 考虑到轮对的左右轮受到刚性较大的轴约 束作用，则此时轮对和轨道之间形成多点 滚动接触问题，左右轮轨接触点距离较远， 如果考虑接触斑之间的相互作用和相互影 响的话，使问题的分析计算工作量变得相 当大。另外，车辆在运行过程中，由于较 大的载荷，除了使轨道发生变形或高频振 = 图卜3 轮轨两点接触 动外，轮轨接触表面附近材料因较大的接触应力产生弹塑性变形、磨损和龟 裂。轮轨篮触表面粗糙度和污染物对轮轨滚动接触应力的分布、裂纹的萌生、 粘着效果和摩擦系数以及脱轨都有一定的影响【2 0 2 2 1 。因此，轮轨滚动接触问 题十分复杂，是铁路运输技术问题研究的难点。根据轮轨作用特点和作用过 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 程中出现的急需解决的问题，轮轨关系问题的研究可分为：轮轨粘着和制动、 滚动接触疲劳、接触表面波浪形磨损、轮轨噪声、脱轨和轮轨接触过程中的 基本力学问题。 1 3 2 轮轨滚动接触疲劳破坏现象分类 由于轮轨接触斑只有1 0 0 多平方毫米的接触面积，但承受数十吨交变的 复杂载荷，且轮轨接触面之间存在相对的滑动和转动而导致极限摩擦力的形 成。因而轮轨使用不久，材料进入疲劳状态甚至丧失承载能力。人们想方设 法来阻止和减少它，如发展轮轨新材料、优化轮轨型面匹配以减少轮轨接触 应力和改善轨道和车辆结构性能来减少轮轨之间的动力作用等，但效果不显 著【2 3 。2 5 】。上世纪8 0 年代，北美地区每年花于铁路更换钢轨费用大约6 亿美 金，还不含劳动力费用、设备维修费用和更换钢轨时线路封锁所造成的损失 【2 6 】。过去我国铁路每年因更换和维修疲劳破坏的轮轨费用为8 0 多个亿。随 着铁路的客货运量的增大和列车速度的提高，轮轨r c f 破坏变得越来越严 重，尤其是高速重载线路，情况十分严重。它不仅大大增加了铁路运营成本， 而且直接危害行车安全。过去，轮轨r c f 破坏现象主要为轮轨接触表面剥 离( 如图卜4 、卜5 所示) 、压演( 如图卜6 所示) 、龟裂( 如图卜7 、卜8 所 示) 、波浪形磨损( 如图卜9 、卜1 0 所示) 、轮缘磨损和钢轨侧磨( 如图卜1 1 所示) 、断裂( 如图1 1 2 、1 1 3 所示) 和扁疤型擦伤( 如图1 一1 4 、1 1 5 所示) 掣2 7 。3 2 】。近年来，广深准高速铁路将1 6 0k m ，l l 设计速度提高到1 8 0k n 以。 2 0 0 0 年4 月份以来，该线准高速区段部分半径为1 6 0 0m 、1 4 0 0m 和非准高 速区段半径为l 0 0 0m 及以下的曲线上股钢轨( 攀钢生产的u 7 1 m n 和p d 3 热轧轨) 出现了斜线状裂纹，沿钢轨作用边，迎行车方向朝钢轨踏面中心扩 展( 如图1 1 6 和图1 1 7 所示) 。裂纹发展到一定程度后，便快速扩展，形 成横向疲劳裂纹，直至发生横向断裂。 图卜4 车轮踏面剥离图卜5 钢轨剥离 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图卜6 曲线低股钢轨内角处压溃图卜7 钢轨顶面鱼鳞状( 龟裂) 裂纹 图卜8 车轮踏面鱼鳞状( 龟裂) 裂纹图卜9 中长波长钢轨波浪型磨损 并伴随剥离 图卜1 0 短波长钢轨波浪型磨损图卜1 1 曲线高股钢轨偏磨 并伴随波浪型磨损 蓖南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图卜1 2 车轮断裂 图卜1 4 车轮踏面擦伤 图卜1 3 钢轨断裂 图卜1 5 钢轨顶面擦伤 图卜1 6 曲线高股轨出现图卜1 7 曲线高股轨同时出现 迎行车方向的斜裂纹迎行车方向的斜裂纹和具有不同波长的波磨 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 0 0 0 年1 0 月1 7 日，英国一列高速列车以1 8 5 k n l l l 的速度从伦敦的k i n g s c r o s s 开往l e e d s 途中，在伦敦以北1 7 公里处半径为1 4 6 0m 的曲线时发生 出轨事故，图1 1 8 和图1 1 9 分别表示出轨位置和出轨现场照片。这趟列车 共l l 节车厢，就有8 节脱轨，一节客车和餐车损坏严重，两节车厢完全倾覆。 车上共有1 2 8 人，4 人死亡，7 0 人受伤。经查，原因是曲线外侧钢轨的断裂 引起，特别值得注意的是在断裂钢轨的第一个裂纹后，大约3 5m 的钢轨出 现了粉碎性断裂，总共碎裂成2 加多块，如图l 一2 0 所示。裂纹向前延伸了 4 4m ，曲线上另有一段长约5 4m 的裂纹。此次断轨导致的脱轨事故在英国造 成很大的影响。据分析，钢轨内部材料基本没有受到热处理的影响。 图卜1 8 高速列车在曲线上脱轨 图卜1 9 英国h a t f i e l d 脱轨现场照片图卜2 0 英国h a t f i e l d 脱轨后钢轨碎裂现场”3 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 4 国内外轮轨接触疲劳破坏现象研究现状 1 4 1 广深线基本概况 1 4 1 1 线路概况 广深准高速铁路于1 9 9 4 年1 2 月2 3 日开通运营。广州东深圳线路分高 上、高下线，全长1 3 9k m 。运营初期准高速区段为下元天堂围( k 2 5 + o o o k 1 2 3 + 1 2 0 ) 9 8 1 2 0 k m ；1 9 9 7 年初改造后，准高速区段延长为石牌天堂围 ( k 1 4 + 5 0 0 k 1 2 3 + 1 2 0 ) 1 1 0 6 2 0k m ，最小曲线半径r = 1 4 0 0m ，最大超高 1 0 5m m ，最大坡度8 o ；非准高速区段最小曲线半径r = 8 0 0m ，最大超高 1 2 0m m ，最大坡度8 3 。线路铺设p 6 0 钢轨、i i 型混凝土轨枕、弹条扣件， 轨枕配置1 8 4 0 根k m ，i 级花岗岩碎石道床( 面层3 5c m ，底层2 5c m ) 。 广深准高速线是利用既有广深复线改造而成，1 9 9 4 年使用攀钢生产 u 7 l m n 轨在下元平湖间铺设普通无缝线路，1 9 9 6 年1 0 月1 9 9 7 年7 月又 使用p d 3 轨改造成区间无缝线路，并将石牌下元、平湖布吉区段也改造 成区间无缝线路。2 0 0 1 年初2 0 0 3 年底又通过更换新型砼枕可动心道岔将石 牌平湖区段焊接成跨区间超长无缝线路。1 9 9 6 年1 0 月以后，广深线上道 的轨全部为攀钢生产的p d 3 钢轨。 1 4 1 2 运营概况 广深准高线年均通过总重约为2 5m t k n l k m 。统计至今，准高速区段 累计通过总重约为2 5 0m t k n l 几( u 7 l m n 轨) ，非准高速区段累计通过总 重约为1 7 5m t k n l ，k m ( p d 3 轨) 。列车运行最高时速由开通初期的1 6 0l 【i r l l l 逐步提速至目前的2 0 0 k n l l l 。每日准高速列车数量由初期的2 对增加到目前 的6 7 对。其中广深线准高速5 4 对，新时速2 对；广九线准高速6 对，新时 速2 对，香港k t t 3 对。列车编组基本采用6 8 节的小编组模式( 其中“蓝 箭”动车组2 5 对，周末加开至3 3 对) 。 广深准高速线运营初期，主要以d f l l ( 轴重2 3 t ) 、d f 9 ( 轴重2 3 t ) 、 d f 4 ( 轴重2 3 t ) 为主要牵引机车：1 9 9 8 年6 月2 8 日广深电气化铁路开通， 8 月2 8 日引进第一列x 2 0 0 0 摆式列车( 轴重1 8 2 5t ) ，l o 月1 日九广公司 开行九广直通客车k t t ( 轴重2 0 7 5t ) ，之后s s 8 ( 轴荤2 2t ) 逐步占据了 主导地位；2 0 0 0 年1 0 月2 1 日，蓝箭d d j ( 鳍重1 9 5t ) 的上线实现了“高 速度、高密度、小编组”为特点的城际旅客列车“公交化”的运输模式。2 0 0 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 年，广深旅客列车也由1 9 9 4 年的3 4 对增加至1 1 3 对。 广深线车辆主要采用长客产单层客车( 轴重1 6 5t ) 、浦镇产双层客车( 轴 重1 5 9 5t ) 和“蓝箭”动车组客车( 轴重1 5 5t ) 以及九广公司k t t 双层 客车( 轴重1 6 7t ) 等几种车型。 另外，广深线各种等级列车的全线运行速度不尽相同，典型列车运营速 度随里程变化曲线如图l 一2 l 所示。 l i j 自j j ，- # ，搿1 3 目m 1 口娃n 鼬脚j 虹j 图1 2 l 广深线速度标尺 1 4 1 3 斜裂纹特点 根据现场调研和观测，发现广深线钢轨斜裂纹普遍存在如下几个明显的 特点： 1 斜裂纹分布及外观特性 广深线钢轨斜裂纹在高上、高下线k 1 4 + 3 5 0 k 1 3 7 + 5 0 0 无缝线路地段 r 2 2 0 0m 的曲线上股均有出现。现场调查，裂纹长6m m 3 0m m ，深1 0 m m 2 0 衄，间距1 0m m 左右，成段分布在钢轨轨面距离行车边1 2i i l r n 2 0m m 处，呈非连续、跳跃式分布，每段长1 0m 2 0m ，在圆曲线上间隔约 1 5m 2 0m ，在缓和曲线上间隔约2 om 3 om 【5 】。此种伤损与常见鱼鳞伤 有所不同，鱼鳞伤一般发生在轨距角处，并成“八”字形发展最后产生剥离 掉块，而斜裂纹偏离轨距角向钢轨中心成斜线状发展，不产生剥离掉块，达 到一定深度后，裂纹快速疲劳护展，导致形成轨头横向疲劳裂纹和横向断裂。 2 斜裂纹发生在加速地段 钢轨斜裂纹在准高速南、北两头1 2 0k m l 1 6 0k m h 、1 6 0k 州h 2 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 k i n h 加速区段、上坡及自动过分相加速区段的曲线上股钢轨分布明显，而同 一个曲线有上坡和下坡的，裂纹大多分布在上坡段。如：高下线k 3 7 + 5 9 7 k 3 8 + 3 9 3 曲线( r = 1 6 0 0m ，h = 9 5m m ) ，坡度为1 4 上坡，1 6 0k m 1 2 0 0 k i l l h 加速区段，上股钢轨连续6 2 处重伤。高下线k 1 4 + 3 6 5 k 1 4 + 6 3 5 曲线 ( r = 1 2 0 0m ，h = 1 0 5m m ) ，坡度为3 7 上坡，1 2 0k m l l 1 6 0k i n l l 加速区 段，上股钢轨连续1 5 处重伤。 3 斜裂纹发展速度p d 3 轨比u 7 l m n 轨快 钢轨斜裂纹最早出现在上行线平湖布吉问非准高速区段的p 6 0 p d 3 钢轨。如：2 0 0 2 年1 2 月1 1 、1 4 日发生的2 次断轨均是p d 3 钢轨( 攀钢1 9 9 6 年生产，1 9 9 7 年8 9 月份上道) 。2 0 0 3 年1 月，上行k 1 3 0 + 4 0 0 k 1 3 0 + 6 0 0 更换重伤钢轨过程中，p d 3 钢轨又因斜裂纹向下扩展形成横向疲劳裂纹，在 撬棍拨轨和旧轨回收卸车时出现断裂。另外，京广线2 0 0 3 年6 月1 1 日在下 行k 2 0 5 9 + 0 7 7 右股p d 3 钢轨发生的折断断口与广深线也有相似之处。 4 斜裂纹在没有侧磨的曲线上股发展快 广深线准高速区段最小曲线半径1 4 0 0m ，按1 6 0k n 曲速度计算，最大 欠超高l l om m 。虽然欠超高较大，但准高速p 6 0 u 7 1 m n 钢轨区段车轮主 要依靠蠕滑力导向，而不是依靠接触导向，故而基本上没有侧磨，运营9 年 来垂直磨耗也只有1 om m 1 5m m 【”。 非准高速区段，半径在8 0 0m 1 0 0 0m 的曲线p d 3 轨虽有侧磨，但都很 小。而且同一地点，相同的曲线半径，一样的超高和运行速度，上行线几乎 没有侧磨，下行线也只有2 om m 3 5m m 的侧磨p j 。 。 2 0 0 3 年1 月至3 月，根据对高上线和高下线半径在1 0 0 0m 以下的几个 曲线钢轨侧磨情况进行了统计分析，由于“蓝箭”动车组运行的特点，动车 在北头，下行线推过去，上行线拉回来的影响，下行线因接触导向产生侧磨， 上行线因蠕滑力导向没有侧磨【5 】。 从现场调查的实际情况看，同一地点，相同的曲线半径，一样的超高和 运行速度，钢轨斜裂纹的形成和发展，没有侧磨的上行线比有侧磨的下行线 发展快。可见，适度的磨耗有利于减缓钢轨斜裂纹的产生。 5 斜裂纹产生后发展速度非常快 2 0 0 2 年4 月，钢轨斜裂纹仅在下元仙村、平湖布吉区间数量不多的 几个曲线上股钢轨出现，裂纹长度和深度都只达到轻伤标准。但是，到2 0 0 2 年冬季，由于冷缩，钢轨处于拉应力状态，斜裂纹发展速度加快。半径在1 6 0 0 m 以下的多个曲线上股钢轨连续出现重伤，最终导致上行k 1 3 0 + 1 2 4 左股钢 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 轨因斜裂纹发展断裂。2 0 0 5 年以来，斜裂纹保持快速增长。 6 车轮的镟削周期缩短 据广深铁路股份有限公司机辆事业部反映，1 9 9 8 年提速以来，车轮踏面 伤损增多，车轮镟削周期缩短。主要表现在踏面磨耗加快，踏面擦伤、扎伤 较多，部分表现为斜线状疲劳伤损。 1 4 2 国外研究进展 钢轨踏面斜裂纹的产生与轮轨接触应力的大小和位置分布密切相关，而 轮轨接触应力的大小和位置分布又与线路状况、车辆性能、运行速度、车轮 踏面形状等诸多因素有关。 波兰华沙技术大学o l z a km ，s t u p n i c k ij 和b o g d a l l s k is 等成功地利用有 限元方法和断裂力学理论分析了轮轨作用力、轮轨接触斑的尺寸、位置、摩 擦力、残余应力、润滑、弯曲应力和热应力对裂纹尖端应力强度因子的影响 【3 4 - 3 7 1 。 荷兰p r o r a i l 公司的研究人员认为在改变路基和车辆的设计以及路网使 用和维护中均未考虑其会使钢轨表面过载，切向应力过大等问题，因而造成 轨头斜裂纹的产生。他们为应对接触疲劳实旌了短期和长期的解决办法即 短期是采用特殊质量的钢轨、修改轨头几何形状和修改轨道维护制度；长期 采用修改车轮断面形状、改变轨道刚度和改进车辆特性等措旌。2 0 0 2 年，他 们对轨头细裂纹敏感的弯道上铺设了各种类型的钢轨进行试验，以便找到裂 纹生长速度低的钢轨材料。结果表明，微合金化轨头淬火钢轨显示出最佳结 果，并提出了在半径7 5 0m 3o o om 的曲线上采用3 5 0 l h t 或3 5 0 h t 的淬 火钢轨；在曲线半径r 30 0 0m 的线路采用2 6 0 m n 钢轨的对策f 3 8 】。 英国自高速列车出轨事故发生后，加强了剥离疲劳裂纹萌生、扩展与钢 轨使用条件及养护维修关系的研究。并提出采用自动化检测技术精确测量踏 面以下裂纹的大小仍然是一个需要探讨的问题。准确地判别裂纹开始向横向 扩展的深度及位置将有助于避免高速列车出轨事故的发生【3 8 1 。 日本高速铁路在1 9 7 5 年开发了n h h 淬火轨，以便降低新干线铁路钢轨 接头和曲线上的磨耗。日本国铁研究所m a k o t oi s h i d a 等人从1 9 8 7 年开始， 研制滚滑试验机研究轮轨滚动接触疲劳和钢轨打磨对轮轨接触表面滚动接触 疲劳的影响p ，部分试验结果已在文献【4 0 ，4 l 】作了报道。m a s a l l a r uu e d ae ta l 研究了钢的含碳量和滚动接触磨损之间关系【4 2 1 。 法国在既有线上实施高速行车时，规定在半径小于1 2 0 0 m 的曲线上铺 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 设耐磨钢轨。其研究小组采用润滑方式来阻止钢轨疲劳破坏1 4 3 1 。 德国慕尼黑技术大学e i s e 蛐a i l l l 等人对现场的轻度和重度龟裂伤损的钢 轨进行了室内弯曲试验m 】。 美洲地区e m a g e l 等人总结了钢轨打磨技术发展和应用情况【4 5 1 ，并发 展了轮轨作用模型辅助进行轮轨型面优化设训4 ”。澳大利亚铁路部门采用 曲线段非对称打磨方式寻求合适的轮径差【4 9 1 。澳大利亚人还发现名义轴重超 过2 0 吨时，重载铁路已出现长波长塑流型波磨【5 0 巧2 1 ，这种波磨现象在较大 的轮轨动载荷和冲击载荷作用下变得更加严重。加拿大国家研究院k a l o u s e k 等人首先提出了钢轨预防性打磨策略【5 引。北美铁路专家建议钢轨打磨周期不 能超过2 5 m g t 运量【5 4 】。 各国在养路机械的发展方面，除了用钢轨打磨车对钢轨表面定期进行打 磨外，还使用钢轨粗糙度检测器检查钢轨表面状态，以防止因剥离而造成钢 轨断裂p ”。 1 5 本论文主要内容 本论文基于铁道机车车辆一轨道耦合动力学理论，针对广深线准高速列 车与曲线轨道相互作用而展开，主要内容包括： 1 对国内外轮轨接触疲劳破坏现象研究现状作了较详细的介绍，对斜 裂纹的特点进行了概述，并对本论文的研究方法作了说明。 2 定性分析了轮轨力和钢轨斜裂纹作用关系，认为轮轨滚动接触破坏 现象不是孤立的出现和发展的，其萌生和发展过程密切相关。 3 以“蓝剑”动车组动车为例，根据机车车辆一轨道耦合动力学原理， 用f o 舳n 9 0 编写了机车车辆曲线通过动力学仿真分析软件( d y n a m i c s i m l l i a t i o n a j l a l y s i ss o n w a r e ，简称d s a s ) ，并用新型快速显式数值积分方法 进行求解。 4 运用d s a s 软件，研究了“蓝剑”动车组动车、拖车、“s s 8 ”机车 和2 0 9 转向架客车通过广深线某钢轨斜裂纹重伤曲线的轮轨动态相互作用， 并对几种车型的计算结果进行了比较和分析。 5 讨论与分析了轨道结构参数及行车速度对曲线轨道的轮轨动态相互 作用的影响，进而提出预防或减轻钢轨斜裂纹的动力学方面的系列措旖。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 第2 章钢轨裂纹现象定性分析 2 1 钢轨裂纹形成机理概述 典型的钢轨破坏现象和很多因素有关，如机车车辆轨道动力特性、几 何参数和结构参数、轮轨的运动行为、轮轨之问的作用力、摩擦系数、接触 界面的状态( 粗糙度、第三介质和温度等) 、轮轨材料特性、加工留下的“先 天性”缺陷等。这些破坏形式的特征有明显的区别，导致这些破坏形式的原 因和关键因素也有较大的区别，但在破坏过程l | l 它们也有紧密的联系。实际 上轮轨接触表面的破坏形式更多的表现为这些若干个破坏形式的叠加。如波 磨和塑性流动破坏的叠加，龟裂、剥离和折断叠加等。对图1 4 所示的车辆 车轮踏面剥离情况，车轮踏面材料由于受到闸瓦反复作用，闸瓦和车轮踏面 材料处于高速滑动接触状态下，摩擦温度十分高【32 ，”j ，轮轨接触表面很可能 处于滚滑状态，不仅进一步增加接触表面材料的温度，接触表面也受到铜轨 较大的反复的切向制动力作用，轮轨表面材料变形( 或韧性) 达到甚至超过 极限状态，开始出现裂纹，如图2 1 所示1 2 ”。同时车轮在制动过程中接触表 面深度大约l 2m m 内摩擦温度较高，在制动结束后又迅速冷却，马氏体形 成，马氏体韧性差，脆性高，在反复挤压下，次表面r 马氏体和正常状态材 料分离，形成平行于接触表面的裂纹，并迅速扩展，贯穿垂向裂纹，如图2 - 2 所示。目。马氏体挤压作用下易碎裂，而形成如图1 4 所示的剥离破坏，同时 也伴随疲劳热裂纹形成。 图2 1 车轮在闸瓦作用下的疲劳热裂纹蚓22 马氏体碎裂 陶1 5 所示的钢轨剥离由于轨头受到车轮反复冲击载荷作用下材料碎裂 剥脱情况【5 ”，这种情况主要发生在钢轨接头处，距轨缝大约3 0 0m m 左右。 受力状态如图2 3 ( a ) 和裂纹形成如图2 3 ( b ) 所示。当若干个车轮通过时， 受力状态如图2 3 ( a ) 和裂纹形成如图2 3 ( b ) 所示。当若_ 下个车轮通过时， 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 随着列车速度的改变，车轮和钢轨冲击位置要发生变化。裂纹的扩展速率和 发展方向直接受到冲击载荷位置影响，同时与车速、钢轨弯曲变形以及材料 纯净度有关。这种损伤形式主要以疲劳破坏形式为主。在相同位置的冲击载 荷作用下，裂纹是否按图2 3 ( b ) 所示的情况萌生和发展，需要经过详细的 轮轨弹塑性冲击接触数值分析。如果钢轨次表面下有缺陷存在，如刚性夹杂 物、裂纹或空洞、马氏体等，在车轮的挤压下，也可能存在如图1 5 所示的 破坏形式。 图2 3 ( a ) 车轮通过轨缝时和发生冲击接触，( b ) 可能裂纹形成的情况 图1 7 和图1 8 所示钢轨和车轮踏面上鱼鳞裂纹或龟裂破坏现象，这种 破坏现象常伴随剥离，在轮轨接触面上最为常见，为典型的滚动接触疲劳裂 纹，是轮轨接触面上的切向力和法向力共同反复作用的结果，这种形式的裂 纹萌生和扩展也含有轮轨摩擦温度的影响( 如车轮踏面热疲劳裂纹) 。这种裂 纹分布密度较大，裂纹较细较短，具有较一致的分布形状。在车轮的反复挤 压下，多数裂纹在轮轨次表面处平行于接触表面扩展，并相互贯穿，最终形 ( a )( b ) 图2 4 ( a ) 内核伤引起钢轨垂直断裂，( b ) 内裂纹引起车轮崩裂 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 成剥离破坏。但也有部分裂纹可能向轮轨接触表面的更深处扩展，最终导致 车轮轮毂崩裂( 如图1 1 2 所示) 或钢轨折断( 如图1 1 3 所示) 。当然，类似 图1 1 2 和图1 1 3 破坏也有可能是由轮轨材料自身的缺陷引起，如钢轨的夹 杂物、核伤、残余应力、马氏体材料、内部裂纹等，图2 4 ( a ) 为钢轨核伤 引起的钢轨垂直断裂，图2 4 ( b ) 表示内裂纹引起的车轮崩裂【2 ”。当轮轨接 触表面材料残余变形达到一定值，材料韧性达到极限值，开始形成微小裂纹， 并逐步扩展。裂纹在次表面处进一步向深处扩展还是平行于接触表面扩展， 和材料韧脆性特性有关，材科硬度高耐磨，不易变形，韧性差，一旦裂纹形 成，并迅速扩展，且垂直接触表面扩展。如果材料硬度低，韧性高( 或较高 的延伸率) ，不易形成裂纹，一旦接触表面形成裂纹，次表面处裂纹平行于接 触表面扩展，并相互贯穿，形成磨损破坏或剥离破坏。 2 2 轮轨力和钢轨斜裂纹作用关系 当列车过曲线或在直线上发生蛇行运动时，轮对对钢轨的作用容易导致 轮轨鱼鳞状裂纹形成，而且多数发生在曲线外股钢轨( 以下简称外轨) 的内 轨角处( 或轮缘易贴靠的钢轨内角处，见图2 5 右侧钢轨) 、曲线内轨( 以下 简称内轨) 顶面外侧( 车轮踏面尾部滚过的钢轨顶面，见图2 5 左侧钢轨) 、 车轮轮缘根部【2 l 】和车轮踏面尾部( 见图1 8 所示) 。这是因为轮对通过曲线时， 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( 即曲线内轨处 车轮) 踏面尾部和内轨顶部外侧发生接触。图2 5 中左右钢轨裂纹照片拍摄 于我国朔黄重载铁路现场，该处曲线半径为4 2 0m ，平均过车速度为8 0k m l l 。 假设图2 5 中所示的钢轨裂纹主要由车辆轮对作用引起的，根据裂纹分布的 形状，轮对对钢轨的作用力应如图中所示。如果是机车轮对反复作用的结果， 则受力情况就不同了，下面将作进一步讨论。当车辆轮对过曲线时，外轨一 侧的车轮轮缘贴靠外轨内侧，内轨一侧车轮踏面尾部和内轨顶面外部接触， 左右车轮滚动半径不同和轮对的摇头角产生，外轮轨之间有较大的纵向切向 力( 滚动轮径差和内外轨中心线上长度差引起) 和横向切向力( 因轮对的摇 头角较大和横向运动) ，导致曲线外轨内侧产生严重的磨损和龟裂( 图2 5 中 右钢轨) 。当外轨车轮贴靠外轨时，轮对侧滚角较大，内钢轨处的车轮踏面外 部和内轨顶面外部发生接触，接触点处轮轨之间纵向作用力同外轮轨之间纵 向作用力方向相反，横向力相同( 因摇头角和横向运动引起) ，如图2 5 中左 钢轨所示，该接触位置也会产生鱼鳞状裂纹。轮对中心偏向外轨一侧，轮轨 接触成非对称状态，左右车轮瞬时滚动半径不同，它们的差值大小决定列车 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 能否理想通过曲线，即轮对过曲线时轮轨之间有较小的横向力，同时外轮轨 之间没有产生两点接触和蛇行运动。图2 5 所示的轮轨力，是由于轮对左右 轮瞬时滚动半径差不足引起，也就是，= 一略小。这里为外轨车轮瞬时 滚动半径，为内轨车轮瞬时滚动半径。在这种情况下，轮对不能完全顺着 实际轨道曲线轨迹滚动，如图2 6 所示，如果瞬时滚动半径差，= 一巧合 适，则轮对能自由滚动的迹线和实际轨道迹线相重合，即轮对能顺利通过曲 线轨道，这是期望的结果；如果r 太小( 或为负值) ，则轮对自由滚动的轨 迹如虚线所示，但由于外轨的约束作用，迫使轮对沿实际轨道运动，轮对轴 线和轨道曲率中心线之间产生一定的角度，即摇头角或冲角( 渺) ，外轨处车轮 就要撞击或挤压外轨，轮轨之间产生横向切向力r ，和e ，如图2 5 所示。 图2 5 车辆轮对过曲线时轮轨作用力和裂纹的关系 左右车轮瞬时滚动圆在单位时间内能滚过的距离差为： 出= ( 一屯) 耐= ，f ，( r = 1 ) ( 2 1 ) 轮对期望能