（机械设计及理论专业论文）钢轨滚动接触磨损行为研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文第f 页 摘要 高速重载铁路的迅速发展，给世界经济带来良好的效益，同时为人们的 生活带来了极大的方便。但是，轮轨滚动接触疲劳以及磨损问题也变得越来 越严重，直接影响到铁路运输成本甚至危及到列车行车安全。研究产生钢轨 疲劳磨损的影响因素，预防和减轻钢轨磨损，成为具有重大现实意义的研究 课题。 本文利用三维弹性体非h e r t z 滚动接触理论以及数值程序c o n t a c t 分 析轮对运行过程中产生的横移运动和摇头运动，以及轴重和曲线半径等参数 对轮轨滚动接触行为的影响。同时分析了在j d 1 轮轨摩擦模拟试验机进行的 钢轨滚动磨损试验结果。结合上述数值计算分析和试验结果，探求用轮轨接 触斑摩擦功的量来模拟钢轨磨损量的方法。得出了以下几个结论： ( 1 ) 轴重是影响钢轨磨损的重要因素，轴重的增加使轮轨接触斑上正压力增 大，轮轨接触斑上的摩擦功也随之增大，从而导致钢轨磨损加剧，。 ( 2 ) 曲线半径减小使轮轨接触斑上纵向蠕滑力增大，轮轨接触斑上摩擦功随着 曲线半径的减小迅速增加，结合试验结果，钢轨在小曲线半径处磨损要严 重。 ( 3 ) 随着摇头角的增大，轮轨间的纵向蠕滑力降低。当摇头角1 l r 0 3 。时， 由于作用在轮对接触斑处的切向力已经达到饱和状态，无论曲线半径多 大，轮对接触斑处的横向蠕滑力和自旋蠕滑力矩是近似相等的。作用在接 触斑上的切向力达到饱和状态时，最大剪切应力和等效应力值几乎相等。 影响它们的主要是接触斑处的法向作用力。 关键词：疲劳磨损；轮轨接触；滚动接触疲劳；曲线拟合 西南交通大学硕士学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a l t h o u g hr a i l w a yh a sai m p o r t a n tr o l li np r o m o t i n ge c o n o m i cd e v e l o p m e n t a n dp r o v i d i n gc o n v e n i e n tf o rp e o p l e sl i f e ，r o l l i n gc o n t a c tf a t i g u ea n dw e a rh a s b e i n gb e c o m em o r ea n dm o r es e v e r e ，a c c o m p a n i e db yi n c r e a s e dt r a i ns p e e da n d l o a d ，i n v e s t i g a t i n go ft h ef o r m a t i o nm e c h a n i s ma n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fr a i l r o l l i n gc o n t a c tf a t i g u ew e a rw o u l dh e l pt ob r i n ge n o r m o u se c o n o m i cb e n e f i ta n d d e c r e a s eb r e a k a g eo fr a i l t h ee f f e c t so fl a t e r a l 、y a wm o t i o n 、c u r v er a d i u sa n da x l el o a do nw h e e l r a i l w a si n v e s t i g a t e dw i t hn u m e r i c a lm e t h o d so nt h eb a s i so ft h et h e o r yo fn o n h e r t z r o l l i n gc o n t a c ta n dc o n t a c t , a n dr a i lr o l l i n gc o n t a c tf a t i g u eo fr a i ls t e e lh a v e b e e ns t u d i e db yu s i n gj d 一1r a i l - w h e e lt r i b o l o g ys i m u l a t i n gm a c h i n e ，b a s e do n a b u n d a n tl i t e r a t u r er e s e a r c ho fr o l l i n gc o n t a c tf a t i g u ea n da na p p l i c a t i o np r o je c to f r a i l w a y t h ee f f e c t so fm a t e r i a l ，l o a da n dc u r v er a d i u so fr o l l i n gc o n t a c tf a t i g u e h a v eb e e nf o c u s e do np a r t i c u l a r l y a l lw o r kw a sa i m et or e s e a r c ht h em e t h o do n u s i n gf r i c t i o nw o r ko fw h e e l r a i lt op r e d i c tw e a rv o l u m eo fr a i l m a i nc o n c l u s i o n s a r ed r a w na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h el o a di sa ni m p o r t a n tf a c t o r st oe f f e c tr a i lw e a rn o r m a lp r e s s u r ea n d f r i c t i o no fw h e e l r a i la r ei n c r e a s i n ga c c o m p a n i e db yt h el o a di n c r e a s i n g ，w h i c h r e s u l tt om a k er a i lw e a rb e c o m es e v e r e r ( 2 ) t h ec u r v er a d i u si sa n o t h e ri m p o r t a n tf a c t o r st oe f f e c tr a i lw e a r ，w h e nt h e c u r v er a d i u sb e c o m e sl i t t e r , t h el o n g i t u d i n a lc r e e pf o r c e so fw h e e l r a i lc o n t a c t a r e a sb e c o m e sb i g g e r ，a tt h es a m et i m et h ef r i c t i o no fw h e e l r a i li n c r e a s i n gq u i c k l y c o m p a r i n g w i t ht h ed a t eo fr a i lw e a rv o l u m et e s t e db ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，i ti s i n d i c a t e dt h er a i lw e a ri ss e v e r e ri nl i t t e rc u r v er a d i u sa n dw e a rm o r p h o l o g y c h a n g e st o o ( 3 ) t h el o n g i t u d i n a lc r e e p f o r c e so fw h e e l r a i lc o n t a c ta r e a sd e c r e a s e s a c c o m p a n i e db yy a wa n g e li n c r e a s e s b e c a u s et h et a n g e n t i a lf o r c eo nw h e e l r a i l c o n t a c ta r e a sh a sb e c a m es a t u r a t e d ，s o 坨o 3 o , t h el a t e r a lc r e e pf o r c e si s a p p r o x i m a t e l ye q u a lt os p i nc r e e pm o m e n ta n dt h em a x i m u ms h e a rs t r e s sa l s o a p p r o x i m a t e l ye q u a lt o v o nm i s e s ，w h i c ht h e r ei sn o tr e l a t i o n s h i pt oc u r v e 西南交通大学硕士学位论文第页 r a d i u s ，b u tt h en o r m a lp r e s s u r eh a v ea ne f f e c to nt h e m k e yw o r d s ：f a t i g u ew e a r ；w h e e l r a i lc o n t a c t ；r o l l i n gc o n t a c tf a t i g u e ； c u r v ef i t t i n g 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密团，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：王为差 日期：硝年6 月z e i 艚撕虢训掀 日期：矽厂年参月r 日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中做了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、本文综合考虑轮对在钢轨上运行时产生的横移运动、摇头运动对轮轨 滚动接触斑上蠕滑力率、接触斑粘滑区分布、接触应力等的影响，同时分析 了影响重载高速铁路钢轨磨损的轴重和曲线半径对上述轮轨滚动接触行为的 影响。体现在第2 章 2 、通过分析对比轴重、曲线半径对轮轨接触斑摩擦功和试验钢轨试验磨 损量的影响，发现用摩擦功和钢轨磨损量之间是线性关系。采用曲线拟合的 方法，得到用轮轨接触斑上的摩擦功来模拟钢轨磨损量的公式。体现在3 4 章 学位论文作者签名：互乙移2 彭- - , 日期：奔易月媚 西南交通大学硕士学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 铁路在世界运输业中具有重要的不可替代的地位，铁路运输具有速度快、 运量大、成本低、舒适安全和对空气污染较小等优点，不像航空和公路运输 那样受到气候条件的严重限制，尤其是2 0 世界7 0 年代以来，以提高轴重， 增大列车运输重量为标志的铁路重载运输蓬兴起，美国、加拿大、澳大利亚、 南非、前苏联和中国相继在货运铁路干线或专线上提高车辆轴重，开行单元 组合列车，提高了线路运输能力，获得了显著的经济效益【z 卅。我国土地辽阔， 但可利用面积少，人口多，能源和资源较贫乏，城市拥挤不堪，公路交通状 况恶劣，更适合发展铁路轨道交通。我国现有铁路近七万多公里，承担了我 国7 0 以上的客货运量。由于国家经济持续高速发展，导致铁路运力严重不足。 在我国铁路跨越式发展战略中，高速和重载是铁路运输的主要发展方向i s 。目 前，我国铁路营业里程达7 万多公里，尤其是“九五”以来，重载铁路、快 速和准高速铁路开始建设营运，目前已达全国铁路的1 9 4 。今后，我国高 速铁路、重载铁路建设速度将大幅度提高【7 】。 欧洲高速铁路系统已有较长发展经验，但重大事故仍然不断发生，据统 计，1 9 9 9 - 2 0 0 0 年度英国断轨事故急剧上升到9 4 9 次，为此英国投入1 亿英 镑研究对策。2 0 0 0 年l o 月1 7 日，英国一高速列车以1 8 5 k m h 以速度通过半径 为1 4 6 0 m 曲线时发生脱轨事故，就是由踏面斜裂纹引起钢轨横向断裂造成【8 j 。 该事故发生后，引起了欧洲各国铁路部门对轮轨接触疲劳裂纹对策研究的重 视。荷兰路基管( p r o r a i l ) 公司1 9 9 6 年研究表明，踏面接触疲劳裂纹引起钢轨 发生横向断裂的事例比预期要多得多。9 0 年代末发现，这种伤损的出现有增 无减，而且更为频繁。2 0 0 3 年4 月的数据表明，荷兰6 6 9 0 k m 的线路上有3 9 9 6 k m 的钢轨出现踏面斜裂纹，其中2 5 k m 伤损非常严重1 9 1 。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 州的m a r s h a l l 附近时，发生了一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。事故现场发现钢轨沿轨腰脆 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【1 0 】现象。 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，线路上出现大量的钢轨斜裂纹，不 西南交通大学硕士学位论文第2 页 同于一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，其斜裂纹和横向疲 劳断裂形貌特征与英国铁路大量出现的滚动接触疲劳( r c f ) 裂纹基本相似】。 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【1 2 。 由于轮轨接触斑只有1 0 0 多平方毫米的接触面积，却承受数十吨复杂的交 变载荷，而且轮轨接触面之间存在相对的滑动和转动，从而导致极限摩擦力的 形成。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 1 3 。习。 上世纪，北美地区每年铁路花于更换钢轨费用大约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【1 6 1 。另外轮轨滚动接触 过程中产生的疲劳现象往往会引起轮轨突发性的断裂破坏，酿成列车脱轨事故 【l 刀。过去我国铁路每年因更换和维修疲劳破坏的轮轨费用高达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，轮轨破坏变得越来越严重，尤其是 高速重载线路，情况更为严重。它不仅大大增加了铁路运营成本，而且直接危 害行车安全。其中由滚动接触疲劳引起的钢轨的损伤占钢轨损伤的8 0 以上 【1 8 】，因此有必要对钢轨滚动疲劳现象以及相关问题进行深入研究。 1 2 轮轨磨损形成机理概述 轮轨接触质点间的损伤主要是由轮轨滚动接触疲劳引起的，目前国内外 学者通过大量的研究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 荷的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 ) 是一对滚动接触的接触副在相接 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 不断发展以至于导致材料疲劳损伤失效。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i 挎】。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，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、轮轨几何接触面、边界条件以及材料的弹塑性变形， 西南交通大学硕士学位论文第3 页 只能单一地简单地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以及试验环 节的依据。这些破坏现象和很多因素有关，如轮轨的运动行为、轮轨之间的 作用力、摩擦系数、接触界面的“第三介质”、接触表面的粗糙度、轮轨材料、 加工后留下的“先天性”缺陷和车辆轨道结构形式等因素。所以，它的研究涉 及到许多学科，如轮轨材料、轮轨几何型面、车辆和轨道结构、路基性能、 滚动接触力学、动力学、摩擦学、固体力学、热传学等。为促进这世界性难 题的研究，世界各国尤其是铁路发达的国家都投入了大量的人力和物力开展 了轮轨关系系列问题的研究。而且，国际轮轨系统接触力学和磨耗会议( c m ) 、 国际车辆动力学会议( i a v s d ) 、国际重载列车大会( i h h a ) 和国际轮轴大 会( c ) 等都设专题交流讨论轮轨关系问题的研究情况 2 0 l 。 通过各国学者的大量研究，目前已经知道疲劳是因为裂纹的产生与扩展造 成的。通过断裂力学有可能量化裂纹扩展，虽然初始阶段的量化仍然是探索性 的。但是可以肯定疲劳通常出现在自由表面，这主要是表面常具有某种应力集 中的特征i 引。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。这两个过程本身是连续的过程，研究人员为了分别研 究其产生及发展过程，通常把这两个阶段分离开来。 1 2 1 轮轨滚动接触疲劳裂纹萌生机理 就裂纹起源问题，对于传统疲劳过程建立的模型和萌生机理，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，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 1 1 ，因棘轮效应产生塑性累积变形 2 2 1 ，最后 因累积变形达到材料的韧性极限，导致裂纹产生【2 3 ，2 4 l 。k l j o h n s o n t 2 5 1 以及a k a p o o r l 2 6 j 在他们的文献中，介绍了由于接触材料表面在相当高的摩擦力作用 下形成棘齿状形貌。b o w e r 也倾向于裂纹发生在材料表面，有摩擦力及润滑条 件存在的状态下 2 7 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。 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 西南交通大学硕士学位论文第4 页 兹接触理论，认为裂纹起源于最大剪应力处。e k b e r ga 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 f f e eg r a i n ，即咖啡核状的内部裂纹 2 8 j 。 到现在为止，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 轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展机理 一般讲，疲劳裂纹的生长，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。 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。第一种是普遍认同的，由l a i r d s m i t h 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 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，在疲劳过程中的循环 性形变，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 轮轨磨损的研究现状 西南交通大学硕士学位论文第5 页 轨道是列车运行的基础，钢轨是轨道中的重要一环，也是铁路运输的重 要基础设施之一。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2 0 0 多公里，试验速度高达5 0 0 多公里1 2 9 1 。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。轮对在轨道上滚动过程中，相对钢轨不 仅存在有横向滑动和纵向滑动，而且在轮轨接触界面之间还存在相对转动， 同时重载运输铁路的发展使轮轨承受较大的载荷导致轮对和轨道的结构产生 较大的弹性变形和轮轨接触斑处的局部塑性变形。在轮轨的这些运动状态和 变形状态之下影响轮轨滚动摩擦接触问题变得复杂f 2 0 】而轮轨损伤问题是轮 轨滚动摩擦接触问题研究的关键问题之一，高速重载列车对运行平稳性和安 全性有更高的要求，这就要求钢轨表面具有较高平顺度和较长的使用寿命， 而轮轨磨损直接影响到列车行车安全和铁路运输成本，因此有必要对轮轨滚 动接触产生的损伤问题进行细致研究。 世界各国学者对轮轨滚动接触疲劳磨损进行的大量的分析研究。 m w a l l e n t i n 等人 3 0 1 分析了滚动接触载荷和残余应力作用下“f l a t ”车轮的裂纹 扩展方式。由于轮轨的滑动使裂纹从车轮“f l a t ”处开始萌生，裂纹扩展方式 以i i 和i i i 模型为主。d u b o u r g 等人【3 l 】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，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。荷兰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施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施m 】。德国慕尼黑技术大 学的e i s e n m a n n 等人对现场的轻度和重度龟裂伤损钢轨进行了室内弯曲的试 验1 3 3 1 。美洲e m a g e l 等人总结了钢轨打磨技术的发展和应用情况【3 4 】，并发展了 轮轨作用模型辅助进行轮轨型面优化设计彤q 刁。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 3 s 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【3 9 4 1 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 4 2 1 。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f 引。 西南交通大学硕士学位论文第6 页 在国内，西南交通大学用自行研制的j d 1 型轮轨摩擦学模拟试验机试验 再现钢轨的波浪形磨损【2 0 】。温泽峰 4 4 1 等用有限元建模的方式研究了钢轨的波浪 形磨损；赵雪琴f 4 5 】等通过分析比较重载与高速铁路钢轨的失效形式，发现重 载铁路钢轨的失效主要是由于钢轨塑性变形及磨损导致的；而高速铁路钢轨 的失效则是由钢轨的接触疲劳导致。钢轨材料的磨损对表面疲劳裂纹形成有 着十分重要的影响，两者之间存在相互影响与相互制约的关系，材料的磨损会 消除表面疲劳裂纹。张伟娜，等通过不同摩擦力的滚动摩擦实验研究发现滚动 过程中磨损是以复合形式出现的，随着表面摩擦力改变，不同形式的磨损主次 在发生变化。在表面摩擦力较小时，磨粒磨损为主，磨损轻微：随着摩擦力增 加，将导致金属表面氧化膜破裂速度增大，粘着磨损加剧，成为主要的磨损 类型，磨损量增加，磨屑主要为剥离块。 1 4 轮轨磨损的破坏形式 轮轨磨损与很多因素相关，如机车车辆轨道动力学特性、轮轨几何参数、 轨道结构参数、轮轨的运动行为、轮轨间的作用力、摩擦系数、轮轨接触界 面的状态、轮轨材料特性等等。各种磨损形式的特征有明显的区别，导致这 些损伤现象的原因和关键因素也不尽相同，但在破坏过程中各种损伤形式也 有紧密的联系。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，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j 。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# f o n , u 高轨与 车轮的接触应力更大。就裂纹主要发生的区域和根据裂纹的走向以及造成对 钢轨的破坏形态，可将钢轨裂纹破坏形态基本分为以下几大类：钢轨表面磨 损大致可分为侧面磨损和踏面磨损两种。侧磨大都发生在钢轨曲线地段；踏 面磨损根据损伤形式又可分为剥离掉块、踏面压溃或塑性变形、波浪形磨损 堑 弋fo 我国地域辽阔，地形复杂，山区、丘陵地区占很大比例。特别是山区， 曲线铁路占有很大的比例，而在山区大坡道铁路小半径曲线上，钢轨的侧向 磨耗就更为严重。根据调查资料，我国小半径曲线上的钢轨有9 8 是由于侧 面磨耗超限而报废的，严重的钢轨侧面磨耗减少了钢轨的强度，加剧了钢轨 的伤损，缩短了钢轨的使用寿命，不仅浪费大量的资金，而且还干扰运输任 务的完成。因此减缓小半径曲线钢轨侧面磨耗的速率，从而延长钢轨使用寿 西南交通大学硕士学位论文第7 页 命对于我国铁路具有重大的意义。 列车通过曲线时，轮轨产生两点接触以及在接触点上轮轨间的相互作用 滑移和摩擦是产生曲线轨道上股钢轨侧面磨耗的根源。车轮在曲线钢轨 上运行时，导向轮由于惯性力的作用往往会发生轮缘与钢轨内轨侧贴靠，使 轮轨间接触类型由一点接触变为两点接触。当车轮在钢轨踏面上作纯滚动时， 远离回转轴线的轮缘与轨侧的接触点处存在着滑动，必然会产生剧烈的磨损。 通过长期观察和研究认为，机车车辆通过曲线时，在大半径曲线上，一定条 件下可以依靠车轮踏面上的蠕滑力( 切向力) 引导来通过曲线，而轮缘不用 接触到钢轨侧面；在小曲线半径线路上，车轮导向主要还是依靠轮缘间导向。 因此，在现场上钢轨侧磨有一些典型的特点，如小半径曲线外轨侧面磨耗特 别快，钢轨最大侧磨点出现在曲线中部，下坡区段侧磨更为严重、雨季侧磨 更为严重等。钢轨侧磨除了受轮缘力、冲角和表面润滑等因素的影响，轴重 的增加对侧磨影响也较大。钢轨侧面磨耗和轨道其它的永久变形一样，是不 可避免的，但是通过各方面的努力，减少和缓和钢轨侧面磨耗是可能的。为 了减轻钢轨侧磨，铁路部门先后采用了如轮轨润滑、调整轨底坡和曲线超高、 加宽轨距、采用磨耗型车轮踏面以及曲线轨头非对称打磨等对应的方法。 剥离是指车轮在运用过程中由于制动热作用或轮轨滚动接触疲劳作用而 在踏面圆周或部分圆周上呈现出的金属掉块剥落损伤和鱼磷状或龟纹状热裂 纹现象【1 2 】。若踏面局部存在龟纹状裂纹，沿裂纹处有层状碎裂剥离损伤，这种 损伤称为擦伤剥离1 1 3 。剥离磨损是钢轨线路上一种比较普遍的损伤类型，一般 线路上均会发生剥离，而在曲线地段更为严重是轮轨接触面上切向力与法向力 共同作用的结果，此裂纹分布密度较大，裂纹较细较短，一般分布在内轨角处。 这种裂纹根据不同扩展形式可形成浅层短裂纹和大角度长裂纹f 4 7 】，钢轨剥离主 要由表面摩擦力作用导致。材料表面剥离现象随着摩擦力的增加而增加，剥离 的磨屑块也随之增大，随着列车轴重的提高，在曲线段上运行加速了剥离现象 的发生。相对应采取预防剥离的主要措施是提高钢轨材料的强度来减小轮轨之 间的摩擦力。 钢轨压溃是重载线路上的主要损伤类型。它是由于钢轨接触面连续的塑 性变形所造成。特别是在重载线路的曲线区段容易出现压溃现象，钢轨表层 的塑性流动形成肥边。在大轴重的作用下，直线和曲线上的钢轨接触表面由 于棘轮作用会发生塑性流动。一般塑性变形量较小时并不会因为连续的塑性 流动而产生破坏，这主要利益于下述两个因素的影响：一是轮轨表面初始的 塑性变形会形成较大的残余应力分布，它们会抑制轮轨表面塑性变形的迸一 步发展；二是初始的塑性变形会增加接触区域的面积，这地降低轮轨表面的 西南交通大学硕士学位论文第8 页 接触应力值，因而也减少了轮轨表面进一步发生屈服的可能一日e 4 8 s o l 。j o h n s o n 研究表明】，对处于磨耗状态的钢轨，可以安定极限值来判别钢轨是否会发 生压溃，即轮轨磨耗后的表面廓形和钢轨材料的安定极限值是决定钢轨是否 再发生塑性变形的主要因素。安定极限值受切向力的影响极大，线路上一些 切向力较大的区段，如制动或启动区段、曲线区段，钢轨发生压溃的可能性 会迅速增加。预防钢轨压溃的主要方法是提高钢轨的屈服极限值，安定极限 值的增加主要取决于材料的屈服极限值增加。 轮轨关系的研究难题之一是轮轨滚动接触表面波浪形磨损问题。所谓钢 轨波浪形磨损是指新的钢轨铺设使用后，钢轨接触表面出现了象波浪似的不 均匀磨损。随着列车速度的提高、轴重的增大、车流密度的加大和新型机车 车辆结构的推广使用，铁路现场钢轨波磨分布面越来越广，波长范围越来越 宽，钢轨波磨现象变得越来越严重。列车过曲线时，轮轨之间除了较大的垂 向载荷外，由于曲线对具有较大惯量的列车方向起制导作用，轮轨之间又形 成较大的横向力，导致曲线钢轨项面和轨道方向成4 5 。龟裂、高轨内侧严重 磨损和轨顶面波浪形磨损 5 2 , 5 3 l 。m a i r 和m u r p h y 通过对现场钢轨波磨现象的调 查发现波磨钢轨头塑性流动是钢轨波磨形成的最重要因素，是波磨形成的必 要条件，但不是充分条件 5 4 1 。钢轨波磨往往是由于较大的轮轨载荷导致钢轨 塑性变形不均匀而形成的 5 5 - s ，1 。线路上出现钢轨波磨后，会对线路造成下列不 良影响，加剧轮轨垂向振动，引起钢轨扣件松动、轨枕下沉、破坏路基；机车 车辆零部件损坏，使用维修费用增加：大大缩短钢轨的使用寿命；影响机车 牵引力；噪声和振动影响了乘客的舒适度。同时钢轨波磨还是铁路安全的一 大隐患，急剧增加的轮轨作用力可能引起钢轨和车轴的断裂，而较大的振动 会造成脱轨。 1 5 轮轨磨损的影响因素 影响轮轨滚动接触磨损的因素很多，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。下面对钢轨滚动接触疲劳的影响因素进行探讨。 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。钟雯1 5 e l 等针对广深线铺设使用中已出现斜线状裂纹的p d 3 和 u 7 1 m n 两种钢轨试样进行了成分、机械性能与微观形貌分析表明u 7 1 m n 钢轨更 适合于高速铁路铺设使用。钢轨钢的组织结构中各相的成分以及含量多少对 西南交通大学硕士学位论文第9 页 滚动接触疲劳会产生不同的影响，由于不同相( 比如铁素体、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，这 种影响就造成材料组织对滚动接触疲劳的影响更不容易下定论。k a l o u s e kj 等【s ，】从滚动一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 # 车轴钢 静态拉伸和疲劳寿命的测定，盛光敏等 6 0 ，s - 】研究了热轧、离线感应全长热处理 和在线余热全长热处理等不同工艺状态和应力水平对p d 3 钢轨钢接触疲劳寿 命的影响；根据试验结果提出了一个简单的p d 3 钢轨钢接触疲劳裂纹扩展模 型。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滚动接触疲劳，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 倾向于粘着而发生的加剧磨损，从而降低或减缓滚动接触疲劳的发生。 材料加工完成后不同的表面光洁度，对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，首先会发生较 大的表面塑性变形，形成表面裂纹；表面粗糙度不同，形成接触疲劳的裂纹萌 生位置也会有较大的不同，粗糙度大的表面由于棘轮效应或者塑性流动容易在 表面形成表面裂纹，粗糙度小的表面更倾向于在次表面萌生裂纹。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2 n - r _ 过程造成的损失。 1 6 轮轨磨损的预防措施 由于列车的轴重、速度及运量不断提高，在国内外铁路上，轨头接触疲 劳伤损增多( 如剥离或由剥离引起的黑核，轨头纵向疲劳裂纹等) ，成为钢轨 失效的主要原因。世界各国的铁路工作者，包括一些力学、材料、机械、摩 擦磨耗及润滑的研究工作者，都对轮轨磨耗问题进行了长期的研究，其目的 是通过减缓曲线钢轨的侧磨，以及降低轨道部件的力学伤损。通过多年的研 究【6 2 】，已取得了一些突破性的成果。但世界各国铁路的列车运行情况不同， 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 就是国内铁路，各条线路的列车运行情况也不相同，所以影响轮轨磨耗的因 素也就各不相同。各国采取的减磨措施也不尽相同；有提高钢轨材质、改善 轮轨润滑条件；有改善机车车辆转向架转向性能、改变车轮踏面形状、钢轨 预打磨，也有改变轨道结构几何参数等。但目的只有一个，就是降低钢轨侧 面磨耗的速率和减少轨道部件的伤损，延长钢轨的使用寿命，从整体上提高 铁路运输的经济效益。 1 6 1 改善钢材材质 由于重载线路钢轨损伤的成因主要是钢轨表面塑性流动和磨耗，而克服 塑性流动和降低磨耗的最好方法就是提高钢轨的强度及硬度，使用屈服强度 高的钢轨材料，钢轨作为轮轨系统中最重要的组成部件，钢轨的技术状态直 接影响线路的通过能力和行车安全，在轮轨磨耗的研究领域，尽可能提高钢 轨的制造质量标准以及钢轨的几何特性和工艺技术特性，一直是铁路工作者 们的主要研究课题。在曲线轨道上，随着速度和轴重的提高，必然会使钢轨 的工作条件和应力情况更为严重，各国铁路均在增加钢轨重量和提高钢轨技 术性能两方面下功夫。近四五十年来，各国使用钢轨重量已由4 2 k g m 提高到 7 5 - 7 7 k g m ，甚至达到8 l k g m 。在我国，随着货物列车牵引定数的提高开始 发展使用热轧状态1 0 0 k g m m 级以上的全长淬火轨和高强度的合金轨 6 3 1 ，p d 3 钢种就是2 0 世纪9 0 年代发展重载铁路应运而生的 s 。 1 6 2 采用润滑技术 同时国外对钢轨磨耗的研究工作还主要集中在润滑技术和不对称打磨方 面，并且取得了很大的成绩。北美铁路润滑技术研究己达到追求最优化润滑 参数的高水平，同时不对称钢轨打磨技术也得到迅速发展和广泛应用。采用 科学润滑技术降低轮轨磨损是一项投资少、收效大和最经济的技术措施。近 年来，美、德、法、加、澳、瑞士、日本都致力于应用开发和研究，研究工 作集中在制定选择润滑器和润滑剂的依据和测定润滑效益。以发展重载运输 技术著称的美国铁路，特别重视轮轨涂油工作，其技术居世界领先地位。与 国外相比，我国的轮轨润滑工作还还处在研究使用的初级阶段，但是也取得 了重大的成绩。从1 9 9 0 年至今，我国自行研究的车载式新型轮轨润滑装置和 润滑脂，已在全路近万台内燃、电力机车上安装应用，经过运营的实践证 西南交通大学硕士学位论文第1 1 页 明，在我国这种复杂天气和地形状况下，这种润滑装置对各型机车轮缘与钢 轨间的有害摩擦都得到了有效控制，降低其磨损、延长使用寿命，适应了我 国重载、提速及安全运输的要求。 1 6 3 应用钢轨预打磨技术 为延长钢轨的使用寿命，国外同时也十分重视钢轨打磨技术的研究，并 生产相应的配套设备。7 0 年代，澳大利亚西部铁路打磨公司采用外形打磨， 来控制轮轨相互作用和接触力，从而达到降低钢轨侧面磨耗。8 0 年代北美首 次出现全自动钢轨打磨车。经打磨的钢轨，寿命可增加通过总重一亿吨左右， 同时降低了钢轨不平顺对列车产生的动应力，减少了运行阻力，节约能源。 钢轨打磨己从单纯消除波磨的初始阶段发展到今天的优化钢轨使用状态和全 方位、系统性打磨技术，成为高速重载铁路必不可少的一项关键技术。目前 应用的曲线钢轨不对称断面打磨技术是钢轨打磨技术的最新发展成果，对减 轻曲线钢轨侧磨和其它伤损都有明显的效果，国外已广泛采用但因各国轮轨 条件不同，采用的打磨断面不能照搬，而是各具特色的独立设计结果。 1 6 4 优化轮轨型面 j j k a l k e r f s 5 1 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。 他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优化 轮轨型面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 触到两点接触，而由此接触问题产生的应力集中对钢轨安定极限值【6 6 1 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 7 论文研究意义及内容 1 7 1 论文研究意义 以提高轴重，增大列车轴重为标志的铁路重载运输蓬兴起，提高了线路运 输能力，获得了显著的经济效益，为铁路行业的发展提供了良好的环境，然 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 而轮轨磨耗是发展重载运输的一个突出难题，轮轨磨损问题日益严重，而且 轮轨磨损形式多样，影响因素又各有不同。加强对轮轨磨损形成机理及其影 响因素和预防轮轨磨损措施的研究，可以有效的减缓轮轨磨损，具有重要的 现实意义和经济意义。 1 7 2 论文研究的内容 本论文利用三维弹性体非h e r t z 滚动接触理论和c o n t a c t 程序分析了 轮轨在静态接触情况下，曲线半径、轴重，以及轮对的横移运动和摇头运动 对轮轨滚动接触质点间接触斑蠕滑力率、接触斑粘着区和滑移区的变化、接 触质点间应力和轮轨摩擦功的影响。同时在j d 1 轮轨试验机上模拟了材料、 轴重和曲线半径对钢轨试验磨损量的影响。考虑用轮轨摩擦功来模拟钢轨磨 损量的方法，结合数值计算结果和j d 1 钢轨试验磨损实验的结果，分析了轮 轨摩擦功和钢轨磨损量的联系。并用非线性拟合的方法，找到了钢轨磨损量 和接触质点间摩擦功的关系函数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第2 章滚动接触疲劳影响因素分析 机车车辆运行过程中，轨道状态和车轮相对轨道的位置在不断变化，轮 轨接触面在不断磨耗。轮对沿轨道滚动时不仅相对钢轨作纵向、横向滑动和 自旋运动，而且还要承受和传递较大的载荷，因此轮轨间的接触行为十分复 杂1 2 0 l ，而轮轨接触应力的计算是研究轮轨关系的基础，是进一步研究轮轨表 面损伤问题的理论依据。由于轮轨之间的作用关系十分复杂，对它们的研究 涉及到许多学科，要完全弄清楚非常困难。轮轨接触应力的理论计算，过去 一直采用h e r t z 理论解析解计算，但由于车轮踏面和钢轨型面的复杂性，在计 算时只能采用轮轨型面的简化模型。在轮轨踏面和钢轨型面日趋复杂的情况 下，解析解的精度已经远远不能再满足实际的需要。随着计算机技术的高速 发展，应用有限元方法对轮轨接触问题进行分析也得到了很好的应用，使获 得高精度的数值解成为了可能。 车辆的运动对轮轨滚动接触刚性蠕滑率和接触压力有很大的影响，而蠕 滑率和接触压力又决定了轮轨接触斑上切向力的分布、粘滑区的分布、摩擦 功等。本章利用三维弹性体非h e r t z 滚动接触理论和数值程序c o n t a c t 分 析磨耗型车轮踏面轮对沿轨道滚动接触时，曲线半径和轴重等参数对轮轨接 触蠕滑力率、接触应力、接触斑粘滑区分布等滚动接触参数的影响情况。数 值结果可为预防和减缓轮轨滚动接触疲劳磨损和未来铁路轨道参数的合理选 择提供一定的参考依据。 2 1 轮轨滚动接触理论 轮轨滚动接触理论是研究轮轨运动时，相对运动状态和接触斑上作用力 之间的关系。接触斑上的作用力包括其大小、方向和分布。由于轮轨之间的 相对运动量往往非常小，所以轮轨滚动接触理论也叫做轮轨蠕滑理论。蠕滑 是滚动接触所特有的现象，它不同于真正的滑动，面是由弹性变形引起接触 面部分区域的微滑。 2 1 1 滚动接触磨损