（机械设计及理论专业论文）钢轨滚动接触疲劳试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着高速、重载铁路的发展，以及线路车次的增多，使得钢轨滚动接触 疲劳已成为影响铁路运输效率以及经济效率提高的一大难题。钢轨滚动接触 疲劳的破坏形式多种多样，加强对钢轨滚动接触疲劳形成机理的研究，有效 预防或减缓钢轨滚动接触疲劳损伤，具有十分重要的社会意义和经济意义。 本论文以大量文献研究为基础，结合疲劳试验实际项目，通过j d 1 轮轨 摩擦模拟试验机进行了大量的钢轨疲劳试验研究，通过改变载荷、车速、曲 线冲角以及不同钢轨材质及处理工艺等可以影响钢轨滚动接触疲劳的试验参 数，试验研究了钢轨滚动接触疲劳磨损特性，对铁道运输实际应用有一定的 参考价值。通过对以上可变参数的试验研究，得到了以下几个主要结论： 1 硬度在钢轨材料抗磨损中起主要作用，硬度高则抗磨损能力强，同种材 料经过热处理工艺后其抗磨损性能高于经过热轧处理工艺后的试样：疲 劳与磨损存在竞争关系，抗磨损性能强不一定抗疲劳性能强：相同试验 工况的试验磨损量主要取决于材料硬度及处理工艺。 2 滚动摩擦因数受车速变化影响较大，车速越高，滚动摩擦因数越低，在 其它试验工况相同的条件下，其试样痦损量越小。 3 载荷也是影响试样抗疲劳磨损性能的主要因素。重载下试样磨损量明显 大于轻载试样磨损量，无制动力试验磨损量及表面磨损程度均小于加制 动力试验磨损量及表面磨损程度；重载容易产生沟槽表面磨痕，是疲劳 裂纹多发区。 4 小曲线半径下的试验磨损量大于大曲线半径，试样表面磨损形貌变化较 明显，小曲线半径下试样表面磨损严重，伴有沟槽及疏松形貌出现；不 同材料在曲线下的抗疲劳磨损表现有很大差异。 关键词：钢轨；模拟试验i 疲劳磨损；轮轨接触；滚动接触疲劳 西南交通大学硕士研究生学位论文第| i 页 a b s t r a c t r d u i n gc o n t a c tf a t i g u eh a sb e i n gb e c o m eam a i np r o b l e mo fr a i l w a y t r a n s p o r t a t i o nw i t hi n c r e a s i n gt h es p e e da n dt h el o a d i n v e s t i g a t e i n g o ft h e f o r m a t i o nm e c h a l l i s mo fr a i l r o l l i n g c o n t a c t f 砒i g u ew o u l dh e l p t o b r i n g e n o n n o u se c o n o m i cb e n e f i ta ：n dd e c r e a s eb r e a k a g eo fr a i l r a i lr o l l i n gc o n t a c tf 乱i g u eo fr a i ls t e e lh a v eb e e ns 眦i e db yu s i n gj d - 1 r a i l 一w h e e l t r i b 0 1 0 9 ys i m u l a t i n gm a c h i n e ，b a s e do na b u n d a n t1 i t e r a t u r er e s e a r c ho f r 0 1 l i n gc o n t a c tf h t i g u ea n da na p p l i c a t i o np r o j e c to fr a i l w a y t h ee f f e c t so fl o a d ， r o l i i n gs p e e d ，w h e e l r a i la t t a c ka n g l ea n dm a t e r i a lo nm 1 1 i n gc o n t a c tf a t i g u eh a v e b e e nf o c u s e do np a r t i c u l a r l y m a i nc o n c l u s i o n 8a r ed r 撇a sf 0 1 1 0 w s ： 1 h a r d n e s sp l a y sa ni m p o r t a i l tr 0 1 ei nw e 褂r e s i s t a i l c eo fm a t e r i a l h i g h h a r d n e s sl e a d st ol o ww e a rv o l u m e t h ew e a r - r e s i s t a i l c ed e p e n d so nt h e h e a tt r e a t m e n tt e c h n i c so fr a i ls t e e l ；t h e r ei sac o m p e t i t i v er e l 毗i o n s h i p b e 佃e e nw e a ra n df a t i g u e ，g o o dw e a 卜r e s i s t a n c ed o e gn o ta l w a y sl e a dt o g o o df 缸i g u er e s i s t a n c e w e a rv 0 1 u m ew i t hs a m et e s tp a r 跏e t e r1 i e so n m a t e r i a lh a r d n e s sa n dt r e a t m e n tt e c h n i q u e 2 r 0 1 l i n g 疗i c t i o nc o e f f i c i e n td e p e n d so b v i o u s l yl l p o nm er 0 1 1 i n gs p e e do f r 0 1 l e 眠h i 卧r o l l i n gs p e e d1 e a d st o1 0 wr o l l i n gf h c t i o nc o e m c i e n t ，t h e w e 盯v o l u m ed e c r e a s i n ga c c o r d a n t l yw i t ht h ei n c r e a s i n g0 fr o l l i n gs p e e d u n d e rs a m oe x p e r i m e m a lp a r a m e t e l 3 v e n i c a ll o a di sa 1 1i m p o n a n ti n n u e n c i n gf a c t o ro nm em i lr 0 1 1 i n gc o n t a c t f a t i g u ef o 珊a t i o n 孤dd e v e l o p m e n t w e a rv o l u m et u l d e rh i 曲1 0 a di s b i g g e r 也镊lo n eu n d e rl o wl o a d 。t h ew e a rv o l u m ew i t h o u tk a k i n gf o r c e i ss m a l l e rt h a no n ew i mb r a k i n gf o r c e 4 t h ew e a rv o l u m ew i t hl i t t l ec u r v er a d i u si sb i g g e rt h a no n ew i t hb i g c u r v er a d i u si ns i m u l a t i n ge x p e r i m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第| | i 页 k e yw o r d s ：r a i h v a yr a i l ；s i n l u i a n te x p e r i n i e n t ；f a t i g u ew e a r ；w h e e l ，r a i l c o t a c t ；r o i l i n gc o n t a c tf a t i g u e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 滚动接触疲劳概述 高速铁路和重载铁路运输向科学研究提出一系列挑战。其中轮轨接触疲 劳损伤就是主要问题之一。在我国，高速、重载铁路运输因接触疲劳导致车 轮、钢轨的服役寿命严重降低。随着铁路客货运量的增大和列车速度的提高， 轮轨滚动接触疲劳所造成的破坏变得越来越严重。它不仅大大增加铁路的运 营成本，而且直接危害行车安全。 1 9 9 4 年我国以广深线为起点，开行1 6 0 k m h 的准高速列车和2 0 0 k m h 的 x 2 0 0 0 摆式列车。广深线开行运营以来，线路钢轨出现大量的钢轨斜裂纹， 不同于般的钢轨接触疲劳现象，广深线钢轨斜裂纹是沿着作用边，迎行车 方向向钢轨中心扩展，然后在轨头内部发展最终导致钢轨断裂，它直接威胁 着列车的行车安全，因此危害巨大。目前钢轨斜裂纹已成为广深线钢轨更换 的主要因素之一。 2 0 0 0 年1 0 月1 7 日，一列高速列车以1 8 5 k m h 的速度从伦敦驶往l e e d s 的途中，在通过曲线时发生出轨事故。整个列车1 1 节车厢的后面8 节脱轨， 车上共有1 8 2 人，4 人死亡，7 0 人受伤，其中有4 人伤势严重。不久就查明 脱轨事故是由于曲线外侧钢轨的断裂引起的。很明显最初和随后的裂纹基本 上是由于钢轨已经存在的疲劳裂纹引起的。 世界各国对轮轨滚动接触疲劳进行了大量的分析研究【2 。4 】，得出了关于接 触疲劳基本一致的结论，即材料在循环应力作用下，经过一定的循环次数， 产生局部永久性累积损伤，导致接触表面产生麻点、剥落甚至断裂的过程。 长久以来接触疲劳被认为是受到循环载荷接触面的主要失效机制。 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 ，r c f ) 是在一对滚动接触的接触 副相接触过程中，由于接触区的循环力作用，导致材料表面或次表面形成裂 纹并发展以至于材料疲劳损伤失效。钢轨和车轮的滚动接触疲劳对于世界上 许多国家的铁路工业来说都是一个相当严重的问题【5 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 1 滚动接触疲劳破坏形态分类 钢轨的滚动接触疲劳一般发生在曲线外侧高轨的轨头踏面以及轨顶角 处，因为以下两个原因使得曲线外侧钢轨比内侧钢轨更容易产生疲劳裂纹 6 】。 其一，外侧钢轨在曲线段主要起到车轮的导向作用，使得外侧钢轨和车轮产 生很大的剪切应力；其二，因为轮轨接触几何关系，使得外侧高轨与车轮的 接触瘦力更大。就裂纹主要发生的区域以及根据裂纹的走向及造成对锅轨的 破坏形态，可将钢轨裂纹破坏形态基本分为以下几大类： 1 ) 麻点剥落 裂纹由于拉压、循环载荷作用在材料表面形成，并因为裂纹形成处接触 点应力集中而导致裂纹处的材料呈小颗粒麻点状脱落，形成点蚀破坏，钢轨 截面可看出明显的v 型或者u 型小凹坑，这一深度都相对较小，一般为o 2 m m 以下。麻点剥落通常容易在表面接触应力较小、摩擦力较大或者表面质量较 差时产生。麻点剥落一般成群发生，也称为密集型斑脱，伤损处多为轮轨接 触带，特别为钢轨和车轮踏面处经常发现有这种形状的麻点剥落破坏。传统 的打磨方法可以完全消除这种破坏，但是由于钢轨的批量生产，有时会在新 铺的轨道上发现较多的点蚀发生，因此可以从考虑提高轮轨材料性能上来改 善轮轨接触受力，从而减少轮轨点蚀的发生。 2 、剥离 裂纹产生以后，裂纹一般是沿着与机车前进方向一致，与轨面成小锐角 方向扩展，当裂纹扩展到一定程度后，由予向心部扩展受到阻力作用而改向 表面扩展，最后达到表面，形成材料的剥落，形状成薄块状。剥离多发生在 钢轨踏面，裂纹沿车轮走向但与车轮成一定角度发展成网状，也就是传统所 说的鱼鳞状剥离裂纹，也称龟裂，最后裂纹贯穿成块，导致剥离。 图1 ，1 浅层短裂纹 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 浅层短裂纹是造成剥离的主要形式，见图1 1 i 。t b1 7 7 8 8 6 钢轨伤损 分类标准中，伤损编号1 l 表示由于钢轨金属接触疲劳原因导致的踏面金属 裂纹或剥离的伤损【8 】。 3 ) 断裂 裂纹形成以后，走向与轨面成很大锐角甚至直角扩展，见图l - 2 【7j ，钢轨 斜裂纹不断深入到钢轨表面以下，到达一定深度后形成纵向水平裂纹扩展， 造成轨头断裂，严重的甚至会扩展到钢轨腰部以下，形成腹板裂纹，并最终 导致钢轨严重断裂失效。如何避免裂纹朝着纵深扩展是铁路部门首先应当考 虑的一个问题，关系到铁路行车的安全。t b1 7 7 8 8 6 钢轨伤损分类标准 中，由踏面剥离发展导致钢轨横向断裂的伤损编号为2 1 8 l 。 图1 2 大角度长裂纹的走向 4 1 除以上三种疲劳破坏的其它方式 目前钢轨因疲劳直接导致的破坏形态主要有以上介绍的三种，除此之外， 钢轨压溃、塌陷等形态也是由于钢轨的循环受力而导致超过材料的韧性极限， 从而形成破坏。但相对来说，近年来随着轮轨材料的改进以及轮轨接触几何 参数的进一步改善，钢轨压溃等破坏形式的发生率已经明显的降低很多。 1 1 2 滚动接触疲劳的危害 钢轨滚动接触疲劳由于其破坏形态分类不同，所产生的危害也各不相同。 一般来说，表面产生麻点剥落阱及轻微剥离所引起的短期危害不大，但是一 旦未被及时发现，将会出现下面两种较严重的钢轨损伤危害，并最终导致钢 轨断裂。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 滚动接触疲劳是循环载荷作用导致钢轨表层或次表层产生疲劳裂纹并使 产生的裂纹受循环载荷的继续作用从而加速疲劳裂纹的扩展，最终导致铁路 运输事故的发生，如果裂纹发现得早可以在重大事故前通过钢轨打磨以及更 换新钢轨来阻止重大事故的发生，而大多时候从钢轨内部发生并发展的疲劳 裂纹不能被人们很轻易地发现，逐渐地，引发钢轨断裂导致重大事故的发生。 而断轨这一现象的频繁出现使得铁路部门对钢轨的抗疲劳磨损性能极为关 注，并不断提出新的检测手段和更高的生产技术要求。尽管如此，在线路运 营中，仍会有沿钢轨轨腰的水平裂纹和断裂失效发生。这种类型的断裂失效 具有突发性和快速性的特点，一旦发生，将会出现轨头和轨底分离，使车辆 脱轨。1 9 8 3 年，美国a m t r a k 一辆旅客列车行至t e x a s 州m a r s h a u 附近时， 发生了起使铁路界震惊的列车脱轨事故。事故造成4 人死亡，2 4 人受重伤。 此事故钢轨沿轨腰脆性断裂，裂纹扩展长度达1 0 m 多，这是很典型的轨腰水 平脆性断裂p j 。 轨腰脆性断裂是滚动接触疲劳引发的较严重的危害之一，而另一种较常 见也相当大危害的疲劳现象就是钢轨核伤。2 0 0 2 年4 月份，广深准高速区段 部分半径为1 6 0 0 m 、1 4 0 0 m 和非准高速区段半径为l o o o m 及以下的曲线上股 钢轨陆续出现斜线状裂纹，并进步引发钢轨核伤，如图1 3 。这一斜线状 裂纹迎行车方向沿钢轨轨肩处向钢轨轨头内部扩展，并最终导致钢轨轨头断 裂，经测量，发现这段核伤钢轨裂纹长度2 5 m m ，深度8 咖。因此， 钢轨核伤如果未被及时发现，也是导致钢轨断裂的又一方式。 图1 3 斜线状疲劳裂纹发展为钢轨核伤 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 1 3 影响滚动接触疲劳发生的因素 影响轮轨滚动接触疲劳的因素很多，比如接触面的光洁度、润滑状况、 表面缺陷、环境因素等等情况，但从本质上决定材料接触疲劳性能的还是材 料本身的成分和微观结构，另外文献no 通过一个模型介绍了钢轨表面裂纹的 产生与载荷的关系，通过对轨头内部和钢轨表面裂纹的生成情况，得出产生 表面疲劳损伤的四条结论。提出避免疲劳失效的措施需要对涉及的失效机制 有充分地理解。铁道科学研究院金属及化学研究所刘学文等人【8 】对广深准高 速铁路全长1 3 9 k m 进行了探伤检查，发现踏面斜裂纹分布于4 4 个曲线段， 3 7 k m 长的范围，通过研究认为产生斜裂纹的主要原因有钢轨性能、线路状 况、车辆性能及运行速度、车轮踏面形状等等。 1 1 材料自身 材料自身的条件是影响滚动接触疲劳的主要因素。很多文献阐述并证实 了这一观点。钢轨钢的组织结构中各相的成分以及含量对滚动接触疲劳会产 生不同的影响，由于不同相( 比如铁紊体、马氏体、贝氏体、奥氏体、珠光 体等) 影响接触疲劳的方式不一，而且当很多相共同存在时，使得材料组织 对滚动接触疲劳的影响更不容易下定论。 实践证明，合金组织稳定性和均匀性越好，材料的疲劳强度越高。轮轨 中存在非金属夹杂物、轮轨加工过程中产生的空漏、裂纹和残余应力、钢轨 接头焊接时留下的残余应力、接触表面粗糙度和不平顺等，这些缺陷难以完 全消除，对轮轨滚动接触疲劳影响很大。表面裂纹以及内部形成的空洞或裂 纹周围在反复作用下产生高度的应力集中，当超过材料的屈服极限时，发生 明显的塑性流动最终导致断裂，是钢轨产生损伤的主要原因之一】。 除了从钢轨材料本身可以改善其滚动接触疲劳性能，钢轨与轮箍材料的 友好匹配也可以在某种程度上改善车轮与钢轨之间的磨损，比如选择固态互 溶性低的两种材料作为匹配材料，可调节因车轮与钢轨之间倾向于粘着而加 剧磨损 1 2 】，从而降低或减缓滚动接触疲劳的发生。 2 ) 外部条件 2 1 1 表面粗糙度 因材料加工完成后表面的光洁度不同，对造成滚动接触疲劳也有比较大 的影响。比如刚投入使用的钢轨，表面未经过车轮碾磨，在使用过程中，首 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 先会发生较大的表面塑性变形，形成表面材料的塑性流动，表面材料的塑性 流动是波磨形成的主要原因；表面粗糙度的不同，倾向于形成接触疲劳的裂 纹萌生位置也会有较大的不同，粗糙度大的表面容易在由于棘轮效应或者塑 性流动而形成表面裂纹，粗糙度小的表面更倾向于在次表面萌生裂纹。不论 是何种情况，轮轨表面粗糙度程度的不同甚至会对型面配合产生潜在的影响， 因此改善钢轨表面的光洁度有助于减缓产生滚动接触疲劳，使钢轨的疲劳寿 命更符合预期的理论计算，降低因材料表面加工过程造成后来的损失。 2 2 ) 表面润滑状况 水或油被当作是引起表面裂纹扩展的主要原因。文献【1 3 】讨论了6 种润 滑剂下的r c f 试验，试验结果表明：1 ) 在滚动疲劳寿命中，润滑剂起到一 个很重要的作用；2 ) 正常情况下，在同一种油系列里，润滑油的粘度越高， 滚动疲劳寿命也越长；3 ) 除了粘度以外，其它一些润滑油属性，比如压粘系 数、可压缩性、e h l 摩擦系数等，都应当在润滑接触设计时被考虑到。 文献【1 4 】在j p m 1 b 型接触疲劳试验机上测定了水润滑条件下的接触疲劳 失效寿命曲线并以裂纹沿平行表面方向扩展为判断标准，通过解剖试样的方 法测定了裂纹萌生寿命曲线。结果显示两条曲线均在最大接触应力为 0 8 6 g p a 处发生弯折，裂纹萌生寿命约为失效寿命的7 0 8 0 。在扫描电 镜下对试样观察发现：当接触应力较低时垂直裂纹占主导地位，而接触应力 较高时棘齿裂纹占主导地位。这两种裂纹都具有一般短裂纹的特点。 事实上，在润滑状况下，表面起源的裂纹对于钢轨来说更普遍也更有危 害性。文献 1 5 和【1 6 详细的阐述了有润滑存在时对裂纹扩展的影响。润滑剂 对于表面裂纹，在车轮反复作用于钢轨的情况下i 润滑剂倾向于渗透进裂纹， 并因此产生一种类似于炸裂开的效果，由于润滑剂的挤压效应，裂纹更倾向 于垂直扩展。 有一部分研究人员认为裂纹萌生取决于弹流膜厚比，表面存在润滑油膜 时，如果两表面粗糙度的平均算术偏差为心- 和r a 2 ，丽弹流润滑的油膜厚度 为h 。m ，尉定义弹流膜厚比x 为： ，r，、 a ：堑：兰i 一! 生i ( 1 1 ) 盯 5 i r 二+ 胄三j 根据膜厚比入可判断两接触表面的润滑状态，一般认为，当) l 3 时，属 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 于全膜弹流润滑区；当 1 时，为边界润滑，属于表面损伤区：而当1 3 时，属于部分膜弹流的混合润滑区【l ”。 而对于传统理论所知的滚动接触疲劳裂纹扩展的决定因素是润滑剂的作 用的这一论断，已经有大量的试验证实了这一早期理论的正确性，即接触疲 劳裂纹的扩展是必须在润滑剂存在的状态下，因为润滑剂被挤压入裂纹，裂 纹因此扩展，而目前人们就已经获得的经验来说，也都是认为润滑剂的作用 是造成裂纹扩展的绝对原因【1 。 2 3 ) 表面缺陷 实践证明，合金组织稳定性和均匀性越好，材料的疲劳强度越高。轮轨 中存在非金属夹杂物、轮轨加工过程中产生的空洞、裂纹和残余应力、钢轨 接头焊接时留下的残余应力、接触表面粗糙度和不平顺等【傍，2 。1 ，这些缺陷难 以完全消除，对轮轨滚动接触疲劳影响很大。大小不一的非金属夹杂物随机 分布在材料内部及表面，它们脆性相对较大，在较大载荷下容易碎裂，若在 材料内部，裂纹会从夹杂物内部或边缘形成；若在轮轨接触表面上，则形成 凹凸不平的麻点，是造成应力集中的地方，表丽裂纹以及内部形成的空洞或 裂纹周围在反复作用下产生高度的应力集中，当超过材料的屈服极限时，发 生明显的塑性流动最终导致断裂 2 i ，是钢轨产生损伤的主要原因之一【。 k a l o u s e kj 等【1 9 从滚动滑动接触应力场出发，考虑残余应力和裂纹面间 的摩擦力，对p d 3 钢轨提出了一个简单适用的接触疲劳裂纹扩展模型，阐述 了当材料存在残余应力状态下，裂纹扩展有效驱动力随残余压应力及裂纹面 间摩擦力的增大而减小，实验结果与理论结果基本吻合。通过对喷丸工艺处 理后的4 0 荐车轴钢静态拉伸和疲劳寿命的测定，徐悦等【2 2 】对试验结果进行 了分析，找出了因喷丸产生的压应力距表面深度的变化曲线，通过成组的对 比性试验后发现喷丸强化作用在初期效果显著，当裂纹穿过了喷丸强化层后 其强化作用就逐渐减弱直至消失。 1 2 滚动接触疲劳形成机理综述 1 2 1 裂纹源及萌生机理 滚动接触疲劳多发生在曲线路段，此时轮轨间存在相对滑动，车轮在钢 轨上产生摩擦力，使接触区前部的钢轨材料受到拉伸，接触区后部和下部的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 钢轨材料受到挤压。而这一过程，正是钢轨裂纹萌生的主要原因。而钢轨顶 面材料连续经受这种拉压循环，则加速了裂纹的扩展，这两个连续的循环过 程造成钢轨的疲劳失效【23 1 。这两个过程本身是连续的过程，但研究人员一般 把这两个阶段分离开来，分别研究其产生及发展过程。 就裂纹起源问题，相对于传统疲劳过程建立的模型及萌生机理，主要有 位错交叉滑移以及挤入挤出模型，都说明裂纹源最终在外形轮廓的挤入槽部 分。但这些模型都支持裂纹起源于材料表面，而滚动接触疲劳裂纹萌生还有 相当一部分学者认为起源于次表面，根据赫兹接触理论，认为裂纹起源于最 大剪应力处，与材料表面相距o 7 8 b ( b 是接触椭圆面短轴的一半) ，最大剪 应力数值为o 3 0 4 p 0 ( p 0 为接触面应力分布最大值) ，最大剪应力的方向与z 轴夹角成4 5 。，裂纹在此次表面萌生并扩展。 到目前为止，滚动接触疲劳的损伤机理还没有形成一个统一的结论，甚 至有的损伤机理还没有被完全认识到，因为一般试验研究轮轨的滚动接触疲 劳几乎不能完全模拟真实环境条件下的运行工况、轮轨几何型面、边界条件 以及材料的弹塑性变形，只能单一的简单的模拟某些因素对轮轨接触的影响， 不过也得到了一些比较有用的结论，为以后更进一步研究轮轨滚动接触疲劳 提供了理论上以及试验环节的依据。 长期以来人们对疲劳现象进行了大量的试验研究，一般将现已熟知的疲 劳现象分为三大类：机械疲劳、腐蚀疲劳和热疲劳。经验表明滚动接触疲劳 的机械部件失效型式通常被分为次表面起源和表面起源。 1 ) 疲劳裂纹起源于表面 在滚动接触疲劳的形成上主要有以下一些研究得出的结论，b o l d 等人认 为滚动接触疲劳发生在无润滑条件的纯剪切载荷作用下【2 ”，因棘轮效应产生 塑性累积变形【2 5 】，最后因累积变形达到材料的韧性极限导致裂纹产生【2 6 ，2 ”。 见图1 4 1 1 】。 图1 4 棘轮效应累积变形导致裂纹 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 k l j o h n s o n 【2 b 以及a k a 口o o r 【2 9 j 在他们的文献中，详细的介绍了低循环 疲劳以及棘齿状疲劳的形成过程，由于接触材料表面在相当高的摩擦力作用 下，造成材料表面的塑性流动，当材料的塑性流动超过变形极限，则形成表 面材料开裂。由如此循环作用的不断累积，在材料表面形成棘齿状形貌，这 一过程则称为棘齿效应。而摩擦力成为产生棘齿效应的主要原因，它使表面 材料产生极强的剪切应力，剪切应力一次又一次加强，最终形成裂纹。裂纹 最初形成为很浅的小锐角裂纹，然后因循环作用逐渐以弧形状裂纹向表面下 扩展，弧形裂纹向下延伸，但不是一直向下延伸，它最终会以圆周状从新又 延伸到钢轨材料表面，造成材料的脱落，也可以叫做剥落或者剥离，发生剥 离现象的伤损钢轨主要以这一过程而成，圆周向下扩展的深度与垂向载荷以 及钢轨材料的抗塑性变形能力决定，一般为1 5 2 m m ，最高的也达到4 - 5 m m 。 由于表面材料的剥落，会在钢轨裂纹周围形成应力集中，严重的甚至会引起 另一种疲劳形式的产生，即在锅轨表面下的次表面形成新的裂纹形核，由此 两种裂纹起源的疲劳交错发生，进一步减少钢轨的正常使用寿命 3 。 d i f l e t c h e r 在实验室内用双盘试验机模拟钢轨与机车驱动车轮之阗的 接触压力和接触滑动特性，进行了非润滑滚动一滑动条件的试验，以检查剥 离薄片或裂纹的早期发展。在不到1 2 5 次非润滑接触循环后发现了小的损伤， 在接近1 0 0 0 0 次循环后发现裂纹增长率和表面磨耗率之间建立了平衡，导致 浅的稳态裂纹深度。由棘齿状形成的最初裂纹增长，再加上由断裂机理描述 的剪切应力造成的裂纹，发现两者呈机械顺序出现，性质上与观察到的裂纹 增长和稳态裂纹深度相等【3 1 i 。 还有很多学者通过实验证明了滚动接触疲劳起源于材料表面，文献 3 2 】 和【3 3 】通过滚动接触疲劳裂纹发生的寿命预测，用了两种试验说明了滚动接 触疲劳裂纹起源于钢轨材料表面，即双盘试验和轮轨试验。 b o w e r 也倾向于裂纹发生在材料表面，当有摩擦力及润滑条件存在的状 态下【3 4 1 ，当裂纹形成之后，在第三介质的影响下，会受到介质对裂纹的进一 步挤压，会使得裂纹加剧扩展。 就起源于表面的单一裂纹的形成，几乎所有专家学者都支持棘齿效应导 致材料塑性变形最终形成裂纹的说法，而h d 。g r o h m a n n 等人在最近还发现 了一种新的滚动接触疲劳类型【3 5 】。他们在一些时速超过2 0 0 k n l l l 的大曲线半 径线路上，发现了在轨头踏面上呈周期性分布的滚动接触疲劳伤损，疲劳裂 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 纹在这些呈周期性分布的钢轨表面上向下扩展，为了研究疲劳裂纹产生的位 置，裂纹波长，裂纹深度等相关参数，他们采用了一种叫s f ea k u s r a i l 的仿真工具来预测裂纹形成以及扩展，接触应力以及分布，并因此建立了一 种新型的滚动接触疲劳理论模型。 d u b o u r g f 3 6 3 8 1 等人用二维平面的方法研究了大量表面裂纹以及次表面的 裂纹，试图找出形成这些裂纹的原因，以及表面裂纹和次表面裂纹出现在什 么位置，他分别对直轨和弯轨上的表面裂纹以及次表面裂纹进行了研究，最 后得到简单的结果，认为过载或者重载是造成这些部位裂纹形成的原因，而 进一步的分析结果认为是剪切应力在裂纹的形成上起到了很大作用。 o l z a k 等人利用线性断裂力学理论结合有限元的方法对单一裂纹进行了 分析，分别对二维及三维情况下存在单一垂直于轨面的短裂纹时，车轮滚过 时对此裂纹时尖端应力强度因子k - ，k ，k m 的变化情况，得到一些简单的 结论【3 9 。 2 ) 疲劳裂纹起源于次表面 在裂纹起源于次表面方面的文献中，e k b e 唱a 发表了很多较成熟的理论 【4 0 4 “。在他的理论著作里面，认为次表面产生的裂纹比表面产生的裂纹具有 更大的危害，而形成次表面裂纹最大的原因是材料内部缺陷。次表面裂纹一 般起源于材料表面下3 5 m m 深处，最大也会到达表面下2 5 m m 左右。它形成 的主要原因也是因为材料表面受到切向作用力而在材料表面及内部形成剪切 应变的一个应力场，当材料内部的形变达到韧性极限则出现裂纹状的空洞， 最早发现的滚动接触疲劳这一内部裂纹空洞被命名为c o m eg r a i n ，即咖啡 核状的内部裂纹 4 2 】。 氢在轮轨材料中也起到一个很重要的角色。氢原子最初是单个分布于轮 轨材料中，当材料受到循环作用后，内部压力增高，材料温度上升，会导致 氢原子相互间结合成氢气。当这种情况发生时，形成的气孔周围会产生巨大 的应力集中导致材料失效。最后会形成一种形似硬币状的裂纹。是形成大范 围的疲劳裂纹扩展的主要原因 43 1 。轮轨钢在生产时就应该严格控制氢在钢中 的含量，以减少钢内部硬币状裂纹的形成。 滚动接触疲劳形成机理的理论方面，根据赫兹接触理论，把轮轨接触假 想为两个圆柱体垂直接触，接触面呈椭圆形。在开始时为点接触，发生变形 后，接触面将变为椭圆形。显然椭圆的长轴2 a 将在小直径的圆柱( 钢轨) 上 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 形成，短轴2 b 将在大直径的圆柱( 车轮) 上形成。单位长度上的载荷分布是 个以2 b 为底的半椭圆面积。图1 5 表示轮轨接触时各应力分量值，由图中 t 可看出在z - o ，7 s b 处达到最大值，而成为裂纹首先形成的位置。 图1 5 接触应力各分量沿z 轴的变化 而恰恰相反的是，k l j o h n s o n 在接触理论中预言【4 4 】：当在干态摩擦状态 下，摩擦系数等于或高于03 时，最大剪切应力就会发生在接触表面。 到今天为止，滚动接触疲劳裂纹到底是起源于表面还是次表面的问题依 然没有一个十分确切的结论但是根据两种不同的起源方式，相关研究人员 和学者得到了很多有用的结论。并因这些结论，分析了影响r c f 的因素，以 及研究了大量的预防措施来减缓疲劳或者减少疲劳，在实际运用中获得了 良好的效果。 1 2 2 裂纹扩展机理 一般讲，疲劳裂纹的长大，应该是连续扩展或不连续扩展的一种过程。 如果累积损伤先于裂纹的前沿，则在主裂纹的前面，将发生反复的裂纹成核， 即出现裂纹的不连续扩展：如果裂纹尖端处出现累积形变，则主裂纹的前沿 线将进行连续延伸而在其前面并无独立的裂纹成核，这就是裂纹的连续扩 展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图1 - 6 疲劳裂纹连续扩展模型图1 7 疲劳裂纹不连续扩展模型 关于疲劳裂纹的扩展机理有很多论述，到目前为止，以下两种模型是比 较常用的。第一种是比较公认的l a i r d s m i m 在1 9 6 2 年提出的裂纹尖端反复 钝化和反复锐化模型，其实质是表明裂纹尖端范性形变直接导致裂纹扩展， 如图1 6 所示。裂纹形成后，裂纹尖端由尖锐在一次循环拉伸过程变钝，再 由挤压过程把裂纹两侧表面压合，从而使裂纹尖端锐化，完成一次拉伸挤压 过程，如此循环，造成裂纹扩展。另一种是裂纹不连续扩展模型，如图1 7 所示。在疲劳过程中的循环性形交，引起裂纹尖端塑性区部分累积损伤，并 形成显微空穴，这时裂纹两侧在拉伸应力作用下变钝，未向前裂的裂纹与空 穴间的部分受拉力作用而变窄，最后导致这两部分连接，造成裂纹的向前扩 展。 1 3 减缓滚动接触疲劳的措施 1 3 1 材料的选择 目前国内所用钢轨材质主要是p d 3 、u 7 1 m n 及b n b r e 几种。试验【4 5 】 通过对p d 3 及b n b r e 钢轨在室温和2 0 时断裂韧性k i c 的测定，分析了碳 含量、钢种化学成分以及温度对断裂韧性的影响。同时还比较了两个钢种断 裂韧性的不同和对温度的敏感性，相比之下，p d 3 在室温时的断裂韧性要稍 高一些，而在2 0 时，b n b r e 的断裂韧性要高一些，显示出b r e 的断裂 韧性k i c 随温度降低而下降更小，因而表现出对温度更不敏感。 1 3 2 提高轮轨强度 提高轮轨强度是主要的减缓滚动接触疲劳的措施之一，主要包括有表面 幡，山db 蜷掷 卜良一 繁苏 黼袭一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 机械处理以及化学改性等方法，国内外有大量文献研究从提高轮轨强度入手 来减缓滚动接触疲劳。综合起来主要有以下几个方面： 1 ) 适当改变钢轨硬度的方法 f t j f r a n k l i n 等人在基准材料为珠光体的钢轨( 2 7 0 h v ) 的表试，用了 一种叫做d u r o c 的涂层技术，将两种材料涂在钢轨面上，以测量它们的抗疲 劳特性。经过试验，得到一些结果：2 2 2 ( 3 7 0 h v ) 的材料相对于5 0 8 ( 4 1 0 h v ) 在低压力下有非常好的耐疲劳性，而5 0 8 在1 5 0 0 0 次有润滑剂存在的循环之 后，加速了裂纹的扩展：另一方面，高压力下5 0 8 没有发现疲劳现象，而2 2 2 在2 5 0 0 0 次循环后出现了涂层的片层状脱落，不过通过改善轮轨的几何型面 配合可以完全杜绝这一状况的出现。结合实地试验综合分析，两种材料与基 体的结合性能都非常好，而2 2 2 在抗疲劳效果上更优秀。 2 1 马氏体、贝氏体组织对钢轨材料的影响 钢轨中马氏体组织属于高碳马氏体组织，其基本特性是硬而脆且具有较 大的裂纹敏感性，是造成钢轨突发性脆断的主要原因之一 4 ”。 3 ) 铬、钒铬合金抗热疲劳性能 铬、钒铬合金抗热疲劳能力非常强，因此有研究人员考虑将铬、钒铬合 金加入轮轨材料中，以降低轮轨接触过程中因为产生大量高热量而导致轮轨 热疲劳发生，这一方法已证实对轮轨抗热疲劳有较好效果。 4 1 稀土的作用 钢铁研究总院分析测试所利用接触疲劳磨损试验机模拟钢轨车轮接触 疲劳作用，研究了钢轨钢接触疲劳表面区剖面的形貌、显微结构和硬度。结 果表明，稀土可延缓钢轨钢表面疲劳裂纹的萌生和扩展、推迟表面剥离、减 小裂纹贯穿角和裂纹稳定贯穿深度、缩小塑性变形范围和改善表面加工硬化 效果 4 引。 1 3 3 改善工作状况 车辆在运行中造成轮轨接触环境的复杂化，由于温度、润滑等因素影响 而造成的轮轨运行工况的多变，如果掌握了这些因素对轮轨接触运行中所产 生的不同作用与影响，对减缓轮轨接触疲劳产生的寿命缩短会起到一个相当 大的作用。到目前为止，研究温度、润滑等影响因素的文献数量比例占防止 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 轮轨滚动接触疲劳的整个文献数第一位，足以说明这些因素在轮轨滚动接触 过程中的重要性。而除了这些显著影响轮轨接触环境的因素外，还有很多其 它因素也扮演着不同的角色，比如在雨天行车，轨面有树叶、沙砾等等。 如何改善轮轨接触的工作状况，世界各国进行了大量的试验研究，目前 对这一部分的研究也主要集中在试验研究方面，但是正因为实际车轮和钢轨 的接触过程是一个集合了众多学科的复杂性，因此要完全是实验室模拟轮轨 运行中的实际工况，目前几乎是不可能的。西南交通大学于1 9 8 6 年自行研制 的j d 1 型轮轨模拟试验机【地l 可以模拟比为1 ：4 ，模拟上限为最大轴重4 0 吨、 最高速度8 0 k m l l 的机车轮轨接触参数，该试验机目前能概略的模拟轮轨接 触中的一些单因素对轮轨滚动接触过程的影响，不过对数据的采集还处于攻 坚阶段。解决了设备问题，接下来才是各种影响因素的研究与分析，而目前 研究的工况大都只是考虑进了单一因素的影响，和实际工况相去较远，因此 试验研究的瓶颈问题便归结到实际车辆运行工况的真实再现，而解决了这一 步，便会得到大量的试验数据，为预防轮轨滚动接触疲劳提供试验依据。 1 3 4 优化轮轨型面 j j ，k a l k e r 在很早前就轮轨接触机理这一问题的讨论中假设性的提问： 如果人们以前根本没有列车车轮和钢轨的概念，而现在要设计这些东西，又 会是怎样的呢【4 9 1 。当然他肯定是假设人们在目前已经了解到当初那样设计轮 轨的缺陷性的基础上来提出这个引人思考的问题，从钢轨的锥形踏面到磨耗 形踏面，从一点接触到鼹点接触，丽由此接触问题产生的应力集中对钢轨安 定极限值 5 0 】的讨论，对提高车辆动力学运行品质的改善，都说明优化设计轮 轨型面能有效预防轮轨滚动接触疲劳。 1 4 研究意义及内容 1 4 1 论文的研究意义 随着高速、重载铁路的发展，以及线路车次的增多，使得钢轨滚动接触 疲劳已成为影响铁路运输效率以及经济效率提高的一大难题。钢轨滚动接触 疲劳的破坏形式多种多样，加强对钢轨滚动接触疲劳形成机理的研究，有效 预防或减缓钢轨滚动接触疲劳损伤，具有十分重要的社会意义和经济意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 本论文以大量文献研究为基础，通过大型模拟试验台开展了大量的钢轨 疲劳试验研究，希望通过改变目前人们认知的一些试验参数，比如载荷、车 速、曲线冲角以及不同材质及处理工艺等可以影响钢轨滚动接触疲劳的影响 参数，来再现轮轨接触问题中逐渐成为研究重点的滚动接触疲劳现象，以此 试验研究给出实际线路的选材、合理的曲线冲角以及载荷、车速等主要影响 因素对现场钢轨的疲劳磨损再现，从质的层面向量的层面提高，对目前以及 今后的铁道运输起到一定的指导作用。 1 4 2 论文主要研究内容 本论文研究的目标是通过实验室加速试验，模拟轮轨滚动接触条件下的 复杂工况，并在特殊试验条件下，改变某些试验参数，寻找到影响轮轨滚动 接触疲劳产生和疲劳裂纹扩展的机理，结合现场试验项目，从理论以及现场 应用等两个角度提出减缓钢轨接触疲劳的方法，延长钢轨使用寿命，并从体 现经济效益角度来论证理论研究与实际应用的有效结合。 课题的研究内容主要有几个方面：收集国内外目前对轮轨滚动接触疲劳 的研究资料，准备试验方案；分阶段进行试验研究，用高精度试验仪器以及 大型台架试验设备完成模拟试验；对获得的试验数据进行收集、处理、分析 结果，结合各种分析测试设备完成对试验结果的后续处理及分析，实现试验 的研究目标。 课题拟解决的关键问题之一为钢轨接触疲劳的发生及发展机理研究，通 过模拟试验获得可靠的试验数据，结合项目应用于现场；以及不同试验参数 对试验方案的实现，用对比的方法论证试验的有效性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 第2 章模拟试验简介 2 1 模拟试验概述 2 1 1j d 一1 轮轨摩擦试验机 j d 1 轮轨摩擦试验机主要包括主机、液压控制系统、电气控制系统、数 据采集与处理系统和模拟钢轨外轮廓数控修整装置【5 1 】。其主机总体布置如图 2 1 所示。该试验机主体有基础平台、转动平台、加载系统、模拟轮轨系统、 驱动电机和滑差变速箱等部分组成。模拟轮轨可以按单轮和轮对两种模式安 装( 该试验采用单轮对来模拟) ，模拟轮轨通过万向联轴节与各自的驱动电机 相连。试验中通过调节液压系统减压阀的压力来控制垂向和横向油缸的加载 大小，本试验机模拟比为1 4 一l 6 ，模拟大轮电机b 带动模拟大轮试件转动， 当不采用反馈时，模拟小轮在模拟大轮带动下转动，此时为纯滚动。通过改 变电路的励磁电流和转子电压，则可获得不同的剀向载荷和模拟轮轨转速比。 a 、b z q d r 一2 0 4 型直流电动机卜变速箱 l 一垂直加载油缸；2 一加载装置小车；3 一心轴与轭架； 4 一万向轴； 5 一横扭小轮试样：6 模拟试样蒜轴； 7 一模拟大轮；8 一油缸悬挂粱； 9 一回转平台；1 0 一基础平台；1 l 一制动力压电式传感器1 2 一测速电机 图2 1j d 1 型轮轨摩擦试验机示意图 图2 1j d 1 型轮轨摩擦试验机示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 该试验机可以模拟任一型机车车辆车轮作用于任一类型钢轨上的各种工 况【5 ”。研究有关轮轨粘着、蠕滑、塑性流动、磨损机理、材质匹配、几何形 状匹配等重要参数，以及轮轨接触面积、接触应力和轮轨磨损变化规律，具 体功能如下： 1 可进行赫兹应力模拟和几何模拟试验研究： 2 可模拟直线工况和任一冲角曲线工况： 3 可模拟各种载荷和速度下的牵引工况、制动工况咀及纯滚动工况； 4 可模拟不同横向力与垂向力比值工况，轻载时达4 ，重载时可达2 ； 5 可模拟各种轮轨表面污染工况( 如轨面存在水、油、锈、砂等污染物) ； 6 可模拟等粘着、等蠕滑以及通过曲线时的蠕滑工况； 7 可进行不同轮轨材质( 包括不同硬度) 匹配摩擦学特健研究； 8 润滑油品使用性能的评定试验； 2 1 2 模拟试验准则 试验采用赫兹模拟准则，所谓赫兹模拟准则是指按照赫兹接触理论，如 果在实验室条件下模拟轮轨试件间的平均接触应力和接触椭圆的长短轴之比 与现场的相同，即要满足下列两式： ( g o ) 。= 瓴) 。 阮l 曲= ) 。 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 其中：幻d ) 1 a b ，( 口d ) d 一分别为实验室和现场轮轨间的最大接触应力： ( a ，b ) l 。h ，( a ，b ) n 。l d 一分别为实验室和现场轮轨接触椭圆的长短半轴之比； 则它就能保证实验室条件下模拟轮对试件间的摩擦学相互作用过程与实际中 的相似。 2 1 3 垂向载荷的标定 试验中油缸施加的垂向载荷由笔式记录仪读出，由于记录仪不能直接读 出所加力的大小，故试验前需要对试验机进行垂向载荷标定。标定过程如下： 首先将标准的b h r 一4 型载荷传感器一端接在试验机控制台的动态电阻应变 仪的垂向通道上，另端连接百分表，从相应通道另接一条导线接记录仪用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 来记录资