（机械设计及理论专业论文）钢轨波磨的模拟实验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文对近年钢轨波磨的文献资料做了综合分析，对现有的波磨成因理论 进行了全面的总结和分类。然后根据部分线路的现场训查，总结出训仓区段 波磨发生发展的一些规律和特征，并在j d - 1 型轮轨摩擦学模拟实验机上进行 了不同工况的实验，在实验室重现了波磨现象。通过试件磨损量利振动的4 i j | = 究，结合对实际线路所截取的波磨钢轨的金相和疲劳分析探讨了影响波氏 的因素和波磨形成的机理。 f 波磨的波长与垂向载荷无关，但是随着载荷的增加，波磨出现的速率加 快。它与转速和蠕滑率成正比变化。模拟试件受到垂向载荷以及由于制动而 在轮轨试件接触区产生的切向力作用，随着蠕滑率的增大，切向力的作用也 愈强烈。轮轨间的切向力降低了材料的抗塑性变形能力。于是在垂向载荷作 用下轮轨试件在接触区产生初始塑性变形。运转过程中此变形必将引起轮 轨试件按一定的频率发生振动。此时轮轨接触面上的真实载荷由两部分组成： 静载荷和动载荷，即振动导致了轮轨接触应力出现波动，使轮轨试件表面承 受了不均匀的压力，当振动频率逐渐接近系统的共振频率，压力波动逐渐增 大。这样在接触应力峰值处试件产生的塑性变形压痕就严重，而在波动的最 小值处塑性变形相对要小的多，它最终导致试件表面发生不均匀的塑性变形， 形成初始波磨。同时，轮轨间有较大的切向力存在，它引发的剪切应力超过 钢轨的剪切屈服极限时，会逐渐产生疲劳裂纹，破坏钢轨表面的均一性，也 会导致初始波磨的形成。初始波磨将进一步加大车轮通过时的冲击载荷，引 起应力的急剧增大。在轮载的反复作用下，初始波磨不断加深和延伸，最终 形成了起伏明显的波浪磨损心 本文通过几方面的综合分析，认为波磨的形成是轨表面材料塑性变形程 度不等造成的，轮轨间的切向力是影响波磨形成和发展的主要因素。 i、； 关键词：钢轨波磨y 振动；硬度：金相：滚动接触疲劳7 切向力。 苎! ! 要 亘壹銮望盔堂堡圭堑塞生堂堡迨塞 a b s t r a c t t h e p a p e rc a r r i e so u tac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sf o rr e c e n td o c u m e n t so i lr a i l c o r r u g a t i o n c o m p r e h e n s i v es u m m a r y a n dc l a s s i f i c a t i o na r em a d eo nt h ee x i s t i n g t h e o r i e sa b o u tt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fr a i l c o r r u g a t i o n s b a s e do nf i e l d i n v e s t i g a t i o na n dm e a s u r e n l e n to fs o m el i n e s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e g u t a r i t i e s o nf o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n to fc o r r u g a t i o na r ed r a w no u t t h ec o r r u g a t i o n p h e n o m e n aa r cr e p r o d u c e di nt h el a b o r a t o r yu n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n so nj d 一1 r a i la n dw h e e l t r i b o l o g ys i m u l a t e m a c h i n e f a c t o r si n f l u e n c i n gw a v e l e n g t ha n d t h ef u n d a m e n t a lm e c h a n i s ma b o u tt h e c o r r u g a t i o n f o r m a t i o na r ef o u n d b y a u a l y z i n gt h et e s tr e s u l t s ，d t h o u g hc o r r u g a t i o nw a v e l e n g t hi si n d e p e n d e n to nt h ev e r t i c a ll o a d ，t h e v e l o m t yo fc o r r u g a t i o no c c u r r e n c ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fl o a d t h e w a v e l e n g t hi sd i r e c tp r o p o r t i o nt ot h er o t a t es p e e da n dt h ec r e e pr a t i o v e r t i c a l l o a da n dt a n g e n t i a lf o r c e ，b e t w e e nt h ec o n t a c t r e g i o no f r a i la n dw h e e la r ea p p l i e d t ot h es p e c i m e n a n d t a n g e n t i a lf o r c ei sd i r e c tp r o p o r t i o nt ot h ec r e e pr a t i o t h e t a n g e n t i a lf o r c er e d u c et h ec a p a b i l i t yt h a tm a r t i a lw i t h s t a n dp l a s t i cd e f o r m a t i o n ， s ot h e s p e c i m e nc o m ei n t ob e i n g i n i t i a l p l a s t i c d e f o r m a t i o nb e t w e e nc o n t a c t r e g i o n t h ed e f o r m a t i o nc o u r s e sv i b r a t i o no fw h e e la n d r a i l s p e c i m e na tc e r t a i n f r e q u e n c y ，s ot h es p e c i m e ns u r f a c es u f f e r ss o m en o n u n i f o r mp r e s s u r e w h e nt h e v i b r a t i o nf r e q u e n c yi sn e a rt ot h es y s t e ms y m p a t h e t i cf r e q u e n c y ，t h ef l u c t u a t i o n o f p j e s si s g r a d u a l l y i n c r e m e n t t h e s p e c i m e np r o d u c e s s e v e r e p l a s t i c d e f o r m a t i o ni n d e n t a t i o na tt h em a x i m u ms t r e s s ，w h i l et h ei n d e n t a t i o ni sm u c h s m a l l e ra tt h em i n i m u ms t r e s s t h i sp h e n o m e n o nf i n a l l yc o u r s e st h es p e c i m e n s u r f a ( et ol l o n e v e n n e s sp l a s t i cd e f o r m a t i o n ，t h ei n i t i a l c o r r u g a t i o nc o m e si n t o b e i n g a tt h es a m et i m e ，t h e r ei sb i g g i s h t a n g e n t i a lf o r c e b e t w e e nc o n t a c tr e g i o n s w h e nt h ef o r c ee x c e e dt h es h e a r i n gy i e l dl i m i to fr a i lm a t e r i a l ，t h ef a t i g u ec r a c k i sg r a d u a l l yf o r m e d ，w h i c h d e s t r o yt h ee v e n n e s so f t h er a i ls u r f a c ea n di n d u c et h e f o r m a t i o no fi n i t i a lc o r r u g a t i o n t h ei n i t i a lc o r r u g a t i o nf u r t h e re n l a r g e st h es t r e s s a n dt h ei m p a c tl o a dw h e nt h ev e h i c l ep a s s i n g a tt h ea c t i o no fw h e e ll o a d0 1 1t h e c o n t a c t r e g i o n o v e ra n do v e r a g a i n ，i tc o n t i n u a l l y e x a c e r b a t et h ei n i t i a l c o r r u g a t i o n t h e d i s t i n c tr a i lc o r r u g a t i o ni sf o r m e di nt h ee n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第li i 页 i ti sr e g a r d e df l _ 1 a tt h ed i f f e r e n tp l a s t i cd e f o r m a t i o n d e g r e eo f t h er a i ls u r f a c e i st h em a i nr c s o u r c eo ft h ec o r r u g a t i o nf o r m a t i o n a n dt h et a n g e n t i a lf o r c ei sa n i m p o r t a n tf a c t o ri n f l u e n c i n gt h ec o r r u g a t i o nf o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：r a i lc o r r u g a t i o n ：v i b r a t i o n ：h a r d n e s s ：m e t a l l o g r a p h i c a l r 0 1 li n gc o n t a c tf a t i g u e ：t a n g e n t i a lf o r c e 亘宣窒通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第一章钢轨波浪形磨损综述 钢轨在投入使用后，随着运营时间的增加，会逐渐在钢轨顶部的某些部 位沿纵向面出现一种规律性的类似波浪形状的不平顺现象，我们把这种现象 称作钢轨的波浪形磨捌1 。引，简称波磨。 钢轨波浪磨损是世界铁路线路上普遍存在的一种钢轨损伤形式，根据文 献 4 ，5 的调查，早在1 8 9 5 年就在印度铁路上首次发现了钢轨波磨现蒙。此 后世界各国铁路部门也相继发现了波磨，如美国、德国、英国、法国、日本、 澳大利亚、加拿大、南非以及中国等等国家的主要线路上都发现过各类形式 的波磨嶂。】。由于它出现的普遍性及对铁路各部门的巨大危害各国都先后 投入大量的人财物对此现象进行了深入的研究。但由于它涉及到许多科学领 域，因此至今为止还没有形成一个令人信服和完善的理论体系给现场的维 修工作造成了很大的困难。因此波磨是世界铁路部门关注的一个重要问题， 而且也是一个世界性的难题悼o j 。 在我国，六十年代就发现了波磨钢轨，到了七十年代后，它的发展非常 迅速，而且分布面也越来越广。尤其是近些年来随着我国铁路不断向重载、 高速发展，波磨的影响也越来越严重，致使波磨成为了铁路部门急待解决的 一个问题f 9 j 。因此波磨问题的解决对我国铁路部门来说有极为重要的理论和 现实意义。当前控制波磨的基本方法是定期打磨钢轨【1 0 | 1 ，恢复其初始轮廓 面，但是这要花费大量的人财物力。 另外，据资料 1 1 显示，波磨不仅在铁路部门出现，而且在所有以轨道 为基础的运营线路上都存在，包括地铁、有轨电车和各种轨道线路甚至在 公路路面 1 2 】、机场跑道、轴承和齿轮以及切削加工零件【1 3 】等等的滚动表面上 都存在波状磨损，所以说解决波磨问题对现实生活的许多方面都有很重要的 意义。 在本文中，通过对这些年波磨研究资料的分析，总结以前关于波磨研究 的理论，然后结合具体线路的调查，总结出波磨的发生发展规律和特征。以 此为基础，在西南交通大学的j d l 型轮轨摩擦学模拟实验机上进行各种工况 的模拟实验。通过实验结果的分析提出一些波磨形成和发展的理论。 蔓! 堕西南交通大学硕士研究生学位论文 1 2 波磨概述 波磨，人们常认为是出现于轨道线路上的一种轨头缺陷f 2 】，是钢轨沿纵向 表面出现的周期性的类似波浪形状的一种不平顺现象【3 】。它有波长和波谷两 种属性。波长是相邻的两波峰之阃的纵向距离，波深是相邻的波峰与波谷矧 的垂直距离 2 】 如图卜1 所示。 图卜1 钢轨波磨示意图 1 2 1 钢轨波磨的分类 结合对近些年文献资料的研究分析，笔者认为对钢轨的波磨通常有三种 分类方法，既按波长分类f 协2 1 1 、按磨耗类型分类1 1 3 】以及按钢轨损伤机理和 波长确定机型”l 结合在一起进行分类，下面对其分别加以叙述。 1 ) 按波长分类 通常情况下，钢轨波形磨损是按波长来分类的。依据波长可以将钢轨波 磨分为两大类：短波长波磨和长波长波磨【1 “。 短波长波磨又可称为波纹形瞻损或是响轨，其波长大约为3 0 - 8 0 m m ，波 深0 卜0 5 m m 。它通常多发生在高速轻轴重直线线路上【“，但在曲线内轨上 也会有短波长发掣”】，其波深发展到一定阶段后渐趋稳定。这类波磨波峰发 亮，波谷黑暗，它们规则的排列着，但国际铁路联盟( u i c ) 认定在某些电气 化铁道上，轨面波峰和波谷都是发亮的【1 3 】。 长波长波磨又可称为波浪形磨损，它的波长在l o o m m 以上，波深一般小 于2 m m l 5 j ，有些人又把长波波磨又分为长波长波磨( 1 0 0 - 6 0 0 m m ) 和超长波长 波磨两种( 6 0 0 m m 以上) 【2 。18 1 ，但是对于超长波波磨，由于它们的超长波长 和相当浅的波深而很难观察到。这种类型的波磨常发生于重载运输线路小半 径曲线地段的外侧轨面【5 1 ，波谷处有明显的塑性变形，波峰与波谷有均匀的 光泽【5 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 2 ) 按磨耗类型分类 按照波磨形成和发展过程中轨头是磨损还是塑性变形，参考现场波磨轨 的外貌特征，可将钢轨波磨分为三类，即 a 磨损性波磨：波磨主要表现为轨头不均匀磨损。它经常发生于淬火轨 等硬度较高的钢轨上1 1 ，其轨头带光滑，钢轨表面存在明显的磨损 痕迹，波峰波谷颜色没有差异沿轨顶宽度范酗内，波毖纵向轮廓完 全相似。 b 塑流性波磨：波磨主要表现为轨头不均匀塑性变形，它是轨面受到过 太的垂直载荷作用，导致轨面塑性变形而形成的，且波谷位置常有明 显的塑性变形，如肥边、压宽等等现象发生。 c 混合性波磨：波磨主要表现为轨头不均匀磨损和不均匀塑性变形，是 以上两方面的综合。 3 ) 按波长确定机理和钢轨损伤机理综合分类 车体簧下质量在硬轨道上的激励是最一般的波长确定机理，损伤机理指 的是钢轨的各种损伤形式。z a r e m b s k i 和g r a s s i e 将此两种机理综合加以考 虑给出了下表所列六种形式的波磨，分别为重粼( h e a v yh a u l ) 、轻轨a 燃 ( 1 i g h tr a i i ) 、轨枕振动( b o o t e dt i e s ) 、接触疲劳波磨( c o n t a c tf i t i g u e ) 、车轮压痕 波长与载荷无关，即它不随机车车辆轴重的增加而变化，但磨损量却 与轴重成正比例增加； 模拟实验中出现的波长随大轮转速的升高而增加，但是试件的磨损量 与转速非比例关系，它在大约9 0 r p m 时达到最大，这是因为模拟轮轨 系统此时处于共振频率附近： 波磨的波长和磨损量都随着蠕滑率的增加而增大，实验结果表明蠕滑 率对波磨形成和发展的影响极大。 2 通过对现场波磨钢轨的硬度与金相分析，表明波磨现琢的形成并不是轨材 不均造成的，而是在机车车辆的动力作用之下，轨面磨损不均，波峰波谷 处产生的塑性变形程度不等，波谷的塑性变形大于波峰的塑陛变形而形成 的一种现象。 3 由接触疲劳分析的结果，我们可以得出咀下的结论： 钢轨轨头的疲劳裂纹是产生波磨的一项原因，波磨实际上是一种轨头 表面伤损，是由表面裂纹而引起的剥离、片状剥落、压溃等现象引起 的轨头表面损伤； 钢轨的疲劳裂纹主要是由于接触点处的剪切应力超过材料的剪切屈 服极限时，产生的塑性区域金属显微组织滑移而引起的。 4 波磨的成园 因为线路上各种不同激振源的影响，从而导致轮轨间产生垂向振动 当垂向相互作用力引起的接触应力超过轨材的安定极限，轨面就会产 生塑性变形。同时在牵引制动和曲线区段，钢轨表面受到较大的切向 力作用切向力的增大会使安定极限值降低，轨材的抗塑性变形能力 降低，另外它诱发的剪切应力超过屈服极限时会逐渐产生疲劳裂纹， 破坏轨材的均一性。在垂向振动和切向应力的共同作用下，导致初始 波磨形成。此后，在机车车辆通过时初始波磨将使应力波动急剧增大， 第7 0 页西南交通大学硕士研究生学位论文 最终形成明显的波磨。 出以上分析可知，轮轨接触区的切向力是影响波磨形成和发展的主要 因素。线路所受切向力的大小顺序为：制动区段、牵引区段、惰行区 段。同时，在曲线区段，随曲线半径减小，切向力迅速增大，所以线 路上小半径曲线地段和制动区段常出现波磨现象。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 1 页 致谢 本论文是在导师刘启跃教授的悉心指导下完成的，两年来刘老师严谨的 科研作风使学生受益颇多。同时也感谢刘老师生活和学习上给予的无微不至 的关怀。在研究所的两年多时间一直得到所长周仲荣教授的关心，在此表示 衷心的感谢。 论文实验阶段得到了石心余工程师和金雪岩副教授的大力支持，同时本 文的完成也得到了本所其他老师和几位研究生的帮助，文中的现场调查工作 得到了成都铁路局工务处的支持，在此一并致谢。 另外，攻读学位期间，是我的父母以及夫人王春民女士承担了家中的许 多事务，才使本文得以顺利完成。 本文得到了牵引动力国家重点实验室自然科学基金“高速重载波形磨损 及接触疲劳研究”课题( 5 9 9 3 5 1 0 0 ) 的资助，顺致感谢。 张波 鱼：! 里 亘堕奎望盔望堡圭堑塞圭堂垒丝奎 参考文献 1 研究报告钢轨波磨机理分析与减缓措施西南交通大学摩擦学研究室 成都9 1 6 2 a m z a r e m b s k i t y p e o fr a i l c o r r u g a t i o n r a i l w a yg a z e t t e i n t e r n a t i o n a l 1 9 8 9 8 5 ( 8 ) ：1 2 1 3 3 刘启跃，王夏秋，周仲荣钢轨表面波浪形磨损研究摩擦学学报1 9 9 8 ， 1 8 ( 4 ) ：3 3 7 - 3 4 0 4 颜秉善，王其昌钢轨力学与钢轨伤损西南交通大学出版社，1 9 8 9 ： 1 5 5 1 9 5 5 d r a h l b e c k i n v e s t i g a t i o no fr a i lc o r r u g a t i o n so nt h eb a l t i m o r e m e t r o w e a r 1 9 9 1 。1 4 4 ( 4 ) ：1 9 7 2 1 0 6 y s a t o ，a m a t s u m o t o r e v i e wo nr a i l c o r r u g a t i o ns t u d i e s t h e u n i v e r s i t yo ft o k y o t h e5 “i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nc o n t a c t m e c h a n i c sa n dw e a ro fr a i l w h e e l s y s t e m s ，t o k y o ，2 0 0 0 ：7 4 - 7 7 7 谭立成轮轨相互作用与钢轨波浪形磨耗中国铁道科学1 9 8 1 ， 3 ( 1 ) ：1 5 9 1 6 5 8 龚积球，谭立成轮轨磨损中国铁道出版社，1 9 9 7 ：1 0 0 1 6 1 9 刘启跃，霍庶辉我国铁道钢轨波磨情况调查铁道建筑1 9 9 1 ， 8 ：2 2 2 3 1 0 j k a l o u s e k k e e p i n gh e a v yh a u lt r a c kc o r r u g a t i o nf r e e r a i l w a y g a z e t t ei n t e r n a t i o n a l 1 9 8 9 ，1 4 5 ( 8 ) ：5 4 5 - 5 4 7 1 1 s l g r a s s i e c o r r u g a t i o n ：v a r i a t i o n so i la ne n i g m a r a i l w a yg a z e t t e i n t e r n a t i o n a l 1 9 9 0 1 4 6 ( 7 ) ：5 3 1 - 5 3 3 1 2 赵济海，王哲人，关朝霞路面不平度的测量分析与应用北京理工大学 出版社，2 0 0 0 ：1 l - 1 6 1 3 刘学毅钢轨波形磨损成因研究西南交通大学博士学位论文1 9 9 6 1 4 a m z a r e m b s k i c l a s s i f y i n g r a i l c o r r u g a t i o n r a il w a yt r a c k s t r u c t u r e s 1 9 9 4 ，9 0 ( 9 ) ：1 2 一1 3 1 5 s l g r a s s i e ，j k a l o u s e k r a i lc o r r u g a t i o n ：c h a r a c t e r i s t i e s c a u s e a n d t r e a t m e n t s p r o c e e d i n g o ft h ei n s t i t u t i o no fm e c h i n i c a l e n g i n e e r s 1 9 9 3 。2 0 7 ( 2 ) ：5 7 6 8 亘童奎耍盔堂塑主型塞生堂垡鎏塞苎! ! 戛 1 5 r a c l a r k p f o s t e r o nt h em e c h a n i s mo f r a i l c o r r u g a t i o n f o r m a tio n p r o c 8 “l a v s ds y m p o s i u m 1 9 8 3 。7 2 - 5 8 1 7 y s u d a ，h e o m i n e e x p e r i m e n t a ls t u d yo nm e c h a n i s mo fr a il c o r r u g a t i o nu s i n gc o r r u g a t i o ns i m u l a t o r t h eu n i v e r s i t yo ft o k y o t h e5 i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nc o n t a c tm e c h a n i c sa n dw e a ro f r a i l w h e e ls y s t e m s t o k y o 2 0 0 0 ：5 6 - 7 l 1 8 m i s h i d a ，t m o t o ，m t a k i k a w a t h ee f f e c to fl a t e r a lc r e e p a g ef o r c e o nr a i lc o r r u g a t i o n0 nl o wr a i la t s h a r pc u r v e s t h eu n i v e r s i t y o ft o k y o t h e5 “i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e0 nc o n t a c tm e c h a n i c sa n d w e a ro fr a i l w h e e l s y s t e m s t o k y o ，2 0 0 0 ：1 7 7 1 8 2 1 9 e t a s s i l l y n v i n c e n tr a i lc o r r u g a t i o n ：a n a l y t i c a lm o d e la n df i e l d t e s t s w e a r 1 9 9 1 ，1 4 4 “) ：1 6 3 - 1 7 8 2 0 翟婉明车辆一轨道耦合动力学中国铁道出版社1 9 9 7 ：1 4 4 - 1 4 8 2 l ，张波，刘启跃钢轨波浪形磨损的研究分析西南交通大学学 报2 0 0 0 ，3 6 ( 5 ) ：5 0 0 5 0 4 2 2 e t a s s i l l y n v i n c e n t al i n e a rm o d e lf o rt h ec o r r u g a t i o n o nr a i l s j o u r n a lo fs o u n da n dv i b r