（机械设计及理论专业论文）钢轨接触疲劳裂纹形成机理研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 随着高速铁路技术的发展，我国的高速铁路建设正在进行建设。相对其 它国家，我国的高速铁路建设技术还不是很成熟，但在我国已经有很多铁路 区段目前是在以高速铁路的标准试用。因此，对我国准高速区段钢轨使用中 出现的伤损情况进行定性分析，判定其伤损类型，找出其失效机理，对我国 高速铁路的建设具有重要的指导意义。 本文针对我国广深线准高速曲线段使用的p d 3 钢轨和u 7 1 m n 钢轨在使 用中出现的斜线状裂纹伤损进行了硬度、微宏观形貌、金相试验以及理化性 能检验( x 射线衍射分析( x r d ) ) 等一系列的试验分析。利用j d 1 轮轨摩 擦试验机对三种钢轨材料进行了钢轨滚动接触疲劳试验研究。结合光学显微 镜( o m ) 、显微硬度仪、和扫描电子显微镜( s e m ) 等对钢轨裂纹形成机理 进行了深入分析。论文通过研究得出了以下几个重要结论： 1 列车在曲线段行驶时，与钢轨之间存在着严重的相对滑动，并且在轮 对与钢轨轨角间存在着很大的冲击力和产生很大的摩擦热，加之接触面间的 拉压应力的循环作用，导致了裂纹的萌生。在靠近钢轨表面一定的深度内， 裂纹萌生后基本上沿着塑性流变的方向向钢轨内部斜向下扩展。 2 广深线上的u 7 1 m n 钢轨的塑性变形较大，裂纹在钢轨表面下呈现出 比较狭长的形态，在拉压应力和滑动摩擦力的作用下，一些微裂纹很容易就 被剪断，形成浅层剥落，或在人工打磨作用下被磨掉，这将降低裂纹对钢轨 的危害，因此现场u 7 1 m n 钢轨表现出良好的抗疲劳性能。而p d 3 钢轨由于 强度大于u 7 1 m n 钢轨，塑性变形较小，微裂纹萌生后，向表面下扩展时与 钢轨表面的夹角较大，在循环应力的作用下，扩展速度较快，给行车造成较 大的危害。 3 模拟试验结果表明淬火p d 3 钢轨的磨损性能表现较佳，比较适合铺 设在重载曲线段；而u 7 1 m n 钢轨的疲劳性能较好，比较适合铺设在高速线 路上。综合分析表明钢轨的抗疲劳性能和抗磨损性能之间存在相互竞争关系。 西南交通大学硕士研究生学位论文第j | 页 关键词：钢轨；塑性变形；疲劳裂纹；滚动疲劳磨损；轮轨接触 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 li 页 a b s t r a c t w i t ht h et e c h n o l o g yo ft h eh i g l l s p e e dr a i l w a yd e v e l o p i n g , t h ec o n s t r u c t i o n o ft h eh i g h s p e e dr a i l w a yi no u rc o u n t r yi sc a r r y i n go n c o m p a r e dw i t ht h eo t h e r c o u n t r i e s ，t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u eo ft h eh i g h s p e e dr a i l w a yi no u rc o u n t r yi s n o tp e r f e c t s o ，i ti se s p e c i a l l yi m p o r t a n tf o rt h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y s h i g h - s p e e dr a i l w a yt oa n a l y z et h ed a m a g e so fr a i l so fh i g h s p e e ds e c t i o n sa n d d e t e r m i n et h ed a m a g es t y l ea n df a i l u r em e c h a n i s m i th a sb e e ni n v e s t i g a t e di nd e t a i li nt h ep a p e rt h a tt h ef a i l u r em e c h a n i s mo f p d 3a n du 7 1 m nr a i lf r o mt h e g u a n g z h o u s h e n z h e nr a i l w a y i th a sb e e n a n a l y z e d i nd e t a i l b ym e a n so fb ym e a n so fo p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) h a r d n e s s t e s t e r , a n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ， e t c t h ee x p e r i m e n t so fr o l l i n gc o n t a c tf a t i g u eo ft h r e ek i n d so fr a i l m a t e r i a l sh a v eb e e nc a r r i e do nb yu s i n gj d - 1r a i l w h e e l t r i b o l o g ys i m u l a t i n g m a c h i n e t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc r a c ko fr a i lm a t e r i a lh a sb e e na n a l y z e di n d e t a i lb ym e a n so fb ym e a n s o 。fo p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ，h a r d n e s s t e s t e r , a n d s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) m a i nc o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s ： 1 w h e nt h et r a i n sf u no nt h ec u r v er a i l ，t h es l i d i n ga n di m p a c tb e h a v i o r so f t h ew h e e l r a i ls y s t e mr e s u l t e di nam a s so ft h ef r i c t i o n a lh e a te n e r g y m o r e o v e r , t h e r e p e a t e dc y c l e s o ft e n s i o na n dc o m p r e s s i o ns t r e s s e sb e t w e e nt h ec o n t a c t s u r f a c e sw o u l dr e s u l ti nt h ei n i t i a t i o no fc r a c k s m o s to ft h ec r a c k sw o u l d p r o p a g a t ea l o n gt h ed i r e c t i o no fp l a s t i cf l o wi n t ot h ei n s i d eo ft h er a i l 2 t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no fu 7 1 m ni s b i g g e rt h a nt h ep d 3 s ，w h i c hh a d b e e np a v e do nt h eg u a n g z h o u - z h e n g z h e nr i a ll i n e a sw e l la su 7 1 m n s p o o r p e r f o r m a n c eo nr e s i s t i n gw e a r , t h et i n yc r a c k sw o u l db ew i p e do f fb yt h ew e a ro f r a i l ，o rp o l i s h e db yt h er a i lg r i n d i n g s o ，t h eu 7 1 m nr a i lb e h a v e st h eb e t t e r r e s i s t a n c et of a t i g u e o nt h ec o n t r a r y , t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no fp d 3i ss m a l l e r d u et oi t sh i g hs t r e n g t hc h a r a c t e r m o r e o v e r , t h ea n g l eb e t w e e nt h es u r f a c eo ft h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l v 页 p d 3r a i la n dt h ec r a c ki sl a r g e r , s oi ti sr e o r ed a n g e r o u sw h e nt h ec r a c k se x p a n d a l o n gt h ed i r e c t i o no fp l a s t i cd e f o r m a t i o n 3 t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eq u e n c h i n gr a i lo fp d 3b e h a v e sb e t t e r p r o p e r t i e s o fw e a ri na l l s i m u l a t i n ge x p e r i m e n t s a n d i ti sb e t t e r f o rt h e q u e n c h i n gr a i lo fp d 3t ob ep a v e do nt h eh e a v yl o a dr a i l w a yl i n e t h eu 7 1 m n i a i li sf i tt ob ep a v e do nt h eh i 【曲s p e e dr a i l w a yl i n e f u r t h e r m o r e ，i th a sb e e n f o u n dt h a tt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ep r o p e r t i e so ff a t i g u ea n dw e a ri sc o m p e t i t i o n m e c h a n i s m k e yw o r d s ：r a i l ；p l a s t i cd e f o r m a t i o n ；f a t i g u ee r a e l 【：r o l l i n gf a t i g u ew e a r ； w h e e l r a i lc o n t a c t ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 自1 9 6 4 年日本建成世界上第一条高速铁路东京至大阪高速铁路，4 j d 多年 来，高速铁路从无到有，迅速发展。据不完全统计，截至2 0 0 5 年1 月，全世界运 营中的高速铁路营业里程总长达6 3 9 3 k m ，这些线路分布在l o 个国家和地区。 2 1 世纪的铁路运输业将会出现轮轨系高速铁路的全面发展，全球性高速铁路 网建设的时期已经到来【”。 按照国际铁路联盟( u i c ) 规定的定义：“允许速度达到2 5 0 公里时的 客运专线或允许速度达到2 0 0 公里时的既有线均可称之为高速铁路”1 2 1 。 根据业内学者分析研究，高速铁路的发展可以划分为三个不同的阶段，即2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代末的第一次建设高潮，9 0 年代初期形成的第二次建设 高潮，以及9 0 年代中期以后形成的第三次建设高潮i ”。 1 1 1 国外信息 ( 1 ) 日本 1 9 6 4 年，世界第一条高速铁路东海道新干线建成通车，该线投入运营后， 高速列车运行速度达到2 1 0 公里d , 时，从东京至大阪间旅行时间由6 小时 3 0 分缩短到3 小时，高速客运市场占有份额迅速上升，年运输量达1 3 亿人 次，相当于1 0 条高速公路的运量，使东京、横滨、名古屋、大阪等城市在内 的东海道地区的旅客运输紧张状况得到缓和，运输服务质量大大提高，取得 了预期的经济效益。东海道新干线以其安全、快速、准时、舒适、运输能力 大、环境污染轻、节省能源和土地资源等优越性深受政府和公众的支持和欢 迎1 4 j 。时至今日，新干线建设不断扩展，由原来的1 条发展到现在的6 条： 即东海道新干线( 东京一新大阪) 、山阳新干线( 新大阪一博多) 、东北新干 线( 东京一盛冈、盛冈一八户) 、上越新干线( 大宫一新泄) ，北陆新干线( 高 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 崎一长野) 、九州新干线( 新八代鹿几岛中央) ，营业里程发展到现在的2 3 8 7 1 公里p j 。随着日本新干线的扩建和发展，现已形成了以东京、大阪、博多、 盛冈为中心、线路半径在5 0 0 公里左右的高速铁路输送网。 ( 2 ) 法国 法国政府对高速铁路网建设已投入大量资金，使法国成为世界上仅有日 本可与其媲美的高速铁路大国【6 1 。法国国铁从1 9 5 0 年开展高速铁路技术研 究，1 9 5 5 年研制的样车试车，创造了当时得到世界最高记录一3 3 1 公里小时。 法国高速铁路实际运营开始于1 9 6 7 年，稍晚于日本。法国t g v 线路分为三 部分：巴黎东南线，1 9 8 3 年9 月全线建成通车；1 9 8 9 年9 月和1 9 9 0 年9 月， 巴黎至勒芒与图尔的大西洋线建成，并以5 1 5 3 公里时速创造勒新的世界记 录；第三条高速铁路t g v 北线于1 9 9 3 年9 月开通，由巴黎经里尔，穿过英 吉利海峡隧道通往伦敦，与欧洲北部比和时的布鲁塞尔、德国的科隆、荷兰 的阿姆斯特丹相连，是一条重要的国际通道。随着海峡隧道的建成，被称为 欧洲之星的高速列车在法、英、比三国首都间正式投入运营。2 0 0 1 年6 月l o 日，t g v 的地中海线又开通运营，完成了纵贯法国的高速铁路干线 7 1 。 法国现有高速铁路网线全长1 5 0 0 k m 。3 5 1 个高速车组的列车运行平均速 度为2 2 0 k m h ，线路最小曲线半径3 2 0 0 m ，最大坡度3 5 。线路铺设超长轨 节无缝线路，轨道结构采用6 0 k g u i c 重型钢轨。每条线路每年有1 2 次断轨 捧j 。高速铁路上钢轨的主要伤损是由于列车的高速行驶，使得分布在钢轨表 面及次表面上应力增大，从而造成钢轨表面的疲劳伤损，甚至形成鱼鳞裂纹。 法国专家认为，这可以通过一下2 个方面来解决：提高钢轨材质性能，包 括钢轨纯净性、表面质量、平直度等；通过打磨列车不定期打磨来消除【9 1 。 ( 3 ) 德国 除日本与法国外，其他国家的高速铁路运输也在蓬勃发展。据最近一次 2 0 0 3 年的调查结果显示，德国自开通了科龙莱茵河美因河高速线 路( n b s ) ，排名一下上升至第三位1 1 0 】。德国高速铁路( i c e ) 目前有两条高 速铁路：一条是曼海姆至斯图加特线；一条是汉诺威至维尔茨堡线。目前德 国己建成高速铁路1 0 0 0 多公里，到2 0 0 0 年，德国计划建成1 1 条高速铁路。 德国高速铁路上铺设使用u i c 6 0 断面、u i c 9 0 0 a 钢种钢轨，采用e n ( a ) 标准，钢轨使用中主要出现鱼鳞裂表面损伤，内部损伤至今未发现，专家认 为今后会出现钢轨的内部疲劳损伤。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 ( 4 ) 其他国家 西班牙第1 条高速铁路是1 9 8 7 年开工建设，1 9 9 2 年4 月开通运行的马 德里塞维利亚高速铁路，全长4 7 1 公里。线路最高速度每小时3 0 0 公里。1 9 9 5 年西班牙又开工建设第2 条高速铁路马德里至巴塞罗那高速铁路。该线全长 6 5 0 公里，设计速度高达每小时3 5 0 公里。2 0 0 3 年1 0 月，从马德里到莱里达 的第1 段4 8 1 公里线路已通车运营。目前行车速度只有每小时2 0 0 公里，目 前还正在把5 2 3 公里的巴塞罗那巴伦西亚阿里坎特既有铁路改造为高速铁 路。线路最小曲线半径2 3 0 0 米，最大坡度1 5 o i l l 】。2 0 0 4 年4 月1 日，韩国 的两条高速铁路汉城一釜山和汉城一木浦同时开通，标志着韩国正式跨入高 速铁路时代，成为继日本、法国、德国和西班牙之后，成为建设时速3 0 0 k m 高速铁路的第5 个国家1 1 2 j 。英国是铁路的发源地，英国第一条高速新线的一 部分路段于2 0 0 3 年9 月开通【1 3 l ，修建的第一条高速铁路是罗马至佛罗伦萨 线，全长2 3 6 公里，最高行驶时速2 5 0 公里f 1 4 1 。 1 1 2 中国 1 9 9 4 年，完全依靠中国自己的力量建成的广深准高速铁路开通；1 9 9 5 年，沪宁等省成功的进行了时速1 7 0 公里的提速实验；1 9 9 6 年4 月秦沈客运 专线( 以客运为主的双线电气化快速铁路) 全面开工，2 0 0 3 年完工，同年投 入运营，全长4 0 5 公里。设计速度为2 0 0 公里i j , 时，基础设施预留提速至 2 5 0 公里d , 时( 甚至更高) 的条件，适应旅客对乘车旅行快速、安全、舒适、 方便和准时的可靠的需求，可以大大提高铁路客运的竞争能力，从而使铁路 客运步入良性循环的轨道。 中长期铁路网规划对“十五”建设计划进行了调整，主要是客运专 线建设，为满足快速增长的旅客运输需求，建立省会城市及大中城市间的快 速客运通道，以及环渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区三个城际 快速客运系统发展客运专线。武汉至广州、郑州至西安客运专线时速在3 0 0 公里d , 时，此外，我国已经批准开工的时速2 0 0 公里以上的新线建设项目有 武汉至广州( 全长9 6 0 公里) 、郑州至西安( 全长4 5 0 里) 、北京至天津城际 铁路( 全长1 1 5 公里) 、合肥至武汉、遂宁至重庆、温州至福州等铁路，累计 达到3 0 0 0 公里【1 5 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 自世界上第一条高速铁路在日本成功运营后，到目前为止，建成的时速 2 0 0 公里以上的高速铁路里程已达4 5 0 0 多公里，预计到2 0 1 5 年世界高速铁 路里程将达到3 万多公里。高速铁路能够得到如此迅猛的发展，主要是由于 它适应了现代社会、经济的发展和人类社会活动的需要，具有其他交通方式 难以比拟的优越性【1 6 1 。 ( 1 ) 运能大。日本回声号电动车组的载客量为1 4 8 3 人，约为波音飞机载 客量的4 - 5 倍。每小时的输送能力为2 4 万人，约为高速公路的4 6 倍。 ( 2 ) 速度快。目前高速铁路的行车时速已经达到2 5 0 3 0 0 公里，为高速 公路行车时速的2 2 5 倍。在1 0 0 0 公里以内乘高速列车，比乘飞机还要快。 ( 3 ) 安全。 ( 4 ) 能耗低据国外统计，普通铁路每旅客公里能耗按1 个单位计算，高 速铁路为1 3 ，小汽车为8 8 ，飞机为9 8 。 ( 5 ) 污染轻。 高速铁路每旅客公里产生的碳水化合物等有害物质都比高速高速和航空低， 其中c 0 2 排放仅为汽车的1 8 ，飞机的1 6 ，噪音也比高速公路低约5 1 0 分 贝。 ( 6 ) 占地少。6 车道高速公路路面宽约3 7 米，而双线高速铁路路基宽约 1 1 米，前者为后者的3 4 倍，前者的立交桥占地比后者更多。 ( 7 ) 投资省。高速铁路建设成本约为高速高速公路的4 3 5 7 。 ( 8 ) 正点率高。西班牙规定高速列车晚点超过5 分钟就还旅客的全额车 票费；日本规定到发超过1 分钟就算晚点。晚点超过2 小时就要退还旅客的加 快费【1 7 】。 ( 9 ) 效益高。日本新干线建成后，虽然全长仅占全国营业里程的9 ，但 年收入却为全国铁路总收入的4 0 。 ( 1 0 ) 不受天气影响。 ( 1 1 ) 能综合利用资源。 根据高速铁路的上述十一大优越性和我国人口多、耕地少、石油资源短 缺，煤炭、水利资源丰富等实际国情，积极发展高速铁路是最佳的选择。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 高速铁路在各国成功运营后取得了商业上的成功，所以高速铁路在世界 越来越受到青睐。但建设高速铁路并不是一件简单的事情，它需要国力、财力 和高技术的支撑，在建设方式上也存在磁悬浮和轮轨高速的争论，相对而言，轮 轨高速更加成熟，已处于技术发展的壮年期，而磁悬浮还处在试验阶段，且投资 巨大，目前只有日本、德国和中国上海建设了磁悬浮高速试验线路，从实际情 况看，轮轨高速已经可以满足人们对铁路的客运需求，所以我国今后规划建设 的高速铁路也基本是轮轨式的1 1 8 】。 由于高速铁路都具有曲线半径大、列车运行速度高的共同特点，因此对 钢轨质量都有很高的要求。高速铁路运输对钢轨的技术要求简单地讲就是要 有高的纯净度、严格的外形尺寸和高的表面质量。钢轨高纯净度保证运行安 全性，严格的断面尺寸公差和平直度、高的表面质量保证高速列车运行的平稳 性和旅客的舒适性，同时，超长无缝线路要求良好的焊接性能。 具体来讲，钢轨的主要技术条件指标以及达到这些指标对工艺的要求主 要有以下几个方面【1 9 1 ： ( 1 ) 产品规格上，基本上都是采用6 0 k m 的钢轨，长度为l o o m ，甚至1 2 0 m ， 少量采用5 0 m 长钢轨。 ( 2 ) 在显微组织上，要求钢轨断面的显微组织为珠光体( 允许有少量铁素 体) ，不得有马氏体、贝氏体及沿晶界分布的渗碳体。 ( 3 ) 低倍组织不得有白点、缩孔残余、内裂、翻皮、分层和肉眼可见的 夹杂及其它有害缺陷。 ( 4 ) 在机械性能上，要求钢轨的抗拉强度9 0 0 m p a ，钢轨走行面硬度 2 6 0 h b 。 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 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 2 们。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 轮的接触应力更大。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： ( 1 ) 麻点剥落 材料在拉压及循环应力作用下，接触表面因应力集中而产生局部永久性 累积损伤，在经过一定的循环次数后，接触表面就会产生小颗粒麻点状浅层脱 落，形成点蚀破坏，从钢轨横截面方向可看出明显的v 型或者u 型小凹坑， 这一深度都相对较小，一般为0 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，由于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。 图卜1 和图1 - 2 分别展示了轨头剥离的宏观形貌、裂纹形貌和塑性变形 层形貌。剥离出现在曲线外股钢轨轨头轮轨接触面全长部位，呈鱼鳞状形貌。 鱼鳞状剥离裂纹方向和行车方向相对应，随后逐渐发展成薄片状剥离或局部 发展成剥离掉块。钢轨表层金属沿着车轮滚动方向塑性流动变形，剥离裂纹 萌生于塑性变形层表面并呈多裂纹源，裂纹沿变形流变方向向变形层深处发 展，发展的深度与塑性交形层的深度相对应，是剥离伤损的主要形态特征。 例如小半径曲线外股钢轨轨头塑性变形层的深度可达2 m m ，剥离裂纹的深度 和剥离掉块的深度也为2 m m 左右【2 1 l 。 t b1 7 7 8 8 6 钢轨伤损分类标准中，伤损编号1 1 表示由于钢轨金属接 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 触疲劳原因导致的踏面金属裂纹或剥离的伤损【2 2 1 。 1 剥离裂纹2 剥离掉块3 行车方向 图i - i 剥离掉块宏观形貌 图i - 2 轨距角处“鱼鳞”状裂纹 ( 3 ) 波磨 钢轨材质是钢轨产生波磨的主要内因，而与轮轨系统振动有关的动力因 素则是导致钢轨波磨的外因。一般钢轨波磨可区分为塑性变形型和磨损型 塑性变形是过大的波动垂直载荷作用引起轨面不均匀塑性变形而形成的，其 波谷位置常有明显的塑性变形现象：磨损型则源于轮轨问的粘滑振动造成的 轨面不均匀磨损。钢轨波磨主要是因为轨面的不均匀塑性变形所致，提高钢 轨屈服强度可有效地减轻钢轨波磨【捌。 图i - 3 是钢轨使用现场拍摄的典型的波浪形磨损的宏观照片，从图i - 3 ( b ) 可以看出，磨损使钢轨严重变形，将会给行车造成极大的安全隐患。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 图1 - 3 钢轨波磨典型照片 ( 钔断裂 裂纹形成以后，走向与轨面成很大锐角甚至直角扩展，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 2 4 1 。 ( 5 ) 纵向裂纹 纵向裂纹的形成和发展过程通常是先在轨距角的全长或局部部位出现薄 层辗边，辗边磨掉或人工揭开后有时可以观察到纵向裂纹。纵向裂纹的长度 无规律，短的为6 0 m m ，长的为2 0 0 m 以上。在继续使用的过程中，纵向裂纹 的长度逐渐扩展并向深度方向发展。纵向裂纹在踏面上的长度可达几米长， 其深度多为2 姗左右。在使用过程中裂纹向深度方向发展速率很慢，当钢轨 的磨耗速率较快时，较浅的裂纹也可能会磨掉。通常淬火钢轨的磨痕速率较 慢，此时裂纹在轮轨接触压应力和接触剪应力作用下，裂纹向水平方向发展 和导致形成浅层剥落掉块；踏面处裂纹两侧的金属易碾压变形和发展成裂缝 形状。 目前钢轨因疲劳直接导致的破坏形态主要有以上介绍的五种，除此之外， 钢轨压溃和纵横裂型核伤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 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 低很多。 由于高速铁路列车运行速度高、动车组轴重轻，钢轨垂直和水平磨耗都 比较小，而钢轨表面的接触疲劳伤损成为主要伤损。有关文献对轮轨接触疲 劳伤损的3 种类型：( 1 ) 轨头龟裂：轨头龟裂是在钢轨表面出现的细小裂纹， 在轨距角踏面处呈斜线状，裂纹间距约为0 5 - 1 0 r a m 不等，连续出现。表面裂 纹最初以1 0 。1 5 。角度向踏面下发展，然后向轨头深处发展，角度越来越大。 有可能形成隐伤或导致钢轨横向断裂。( 2 ) 隐伤：又称踏面裂纹或踏面压溃。 通常发生在直线或大半径曲线地段的钢轨踏面上，特别在高速铁路出现得比 较多。出现隐伤的钢轨，在踏面能观察到呈半围形成v 形的裂纹，隐伤最初 的形态是在踏面的内侧上圆角处出现表面裂纹，然后与踏面呈较小的角度向 内和向运行方向扩展，同时裂纹上部材料的塑性变形造成踏面局部凹陷，致 使轮轨不接触或产生锈蚀。隐伤与轨头龟裂一样，其产生与表层金属的塑性 变形以及变形层处萌生疲劳裂纹密切相关，本质上属于踏面剥离裂纹类伤损。 ( 3 ) 蜂窝状裂纹：在钢轨踏面钢轨中心线与轨头上圆角之间( 距中心线大约 1 0 2 5 r a m ) 条状范围内，在较长的波浪磨耗区段则里周期的簇分布。这种裂 纹与波峰的间距为2 0 1 0 0 r a m 出现规律呈周期性。在钢轨表面，蜂窝状群裂 纹长度约为5 1 5 m m ，与钢轨纵轴夹角约4 5 。倾斜向下发展与踏面呈2 c f o o 。 蜂窝状裂纹仅在2 0 0 k m h 及以上的线路上出现，主要在大半径曲线的外轨 上，或者交替地出现在直线轨道的两股钢轨上，与钢轨波浪磨耗同时存在。 据有关资料介绍，蜂窝状裂纹在钢轨波浪磨耗很小的时候也可能形成，裂纹 的增长和新裂纹的产生过程在一定程度上与波浪磨耗的发展相似。在列车高 速运行条件下，波峰的前方会产生较大的接触应力，致使这些部位形成蜂窝 状裂纹【2 6 1 。 我国铁路自1 9 9 7 年实施提速工程以来列车最高时速超过1 2 0 k m 的区段 已达1 3 万千米。在这些区段虽然客车速度提高了，但仍然是客、货混跑， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 钢轨伤损既具有重载线路钢轨伤损的特点，又出现了许多不同于既有铁路的 钢轨伤损。这些区段钢轨特有的主要伤损有以下几个方面。 n ) 直线地段钢轨交替不均匀侧面磨耗 它有3 个特征：不均匀侧磨波形呈等间距且左右交替；磨耗波连续发生， 其波数有较大的随机性；磨耗量在波磨群中段较大，两端较小，波长范围基 本固定。直线钢轨交替不均匀侧磨在发展过程中波长不变而磨耗幅值随着累 计通过总重的增大而逐渐增大。通过仿真分析和试验，直线钢轨交替侧磨的 原因是货车蛇行失稳，同时线路方向不平顺也有一定影响。 ( 2 ) 钢轨波浪形磨耗 在时速超过1 2 0 k i n 地段出现的钢轨踏面的波浪形磨耗实际具有重载线 路钢轨波磨的特点。广州铁路( 集团) 公司科研所对广深准高速铁路钢轨波 浪形瘗耗的特点和发展规律进行了一系列现场调查、测试和理论研究工作。 结果表明，波浪形磨耗与轨道条件密切相关，其发生地点是道岔、曲线、线 路下沉地段、道床不易捣固地段、道床板结地段以及轨道结构受约束较多较 复杂的地段。广深线的波磨多属长波型磨耗，波长分布在o 2 1 7 m ，其中 1 0 m 波长最多；波深0 3 1 2 m m ，0 6 m m 波深的波磨轨最多。从轮轨关系 和材料的角度看，钢轨强度不足和钢轨表面质量不良是引起波浪形磨耗的直 接原因。 ( 3 、钢轨斜裂纹( 斜线状剥离裂纹) 钢轨斜裂纹扩展属复合型裂纹扩展，其特征是裂纹硬化层表面产生并沿 一定角度向深层扩展，随着裂纹扩展，速率加快，造成断裂。斜线状剥离裂 纹的伤损发展特点与过去在曲线上大量出现的鱼鳞状弱离裂纹发展特点有明 显的差别。斜线状剥离裂纹主要是位于工作边轨距角的踏面处呈斜线状形貌， 而且踏面裂纹还没有发展成剥离掉块时就可能导致钢轨横向断裂，这是钢轨 斜线状剥离裂纹与鱼鳞状剥离裂纹的明显不同之处。钢轨斜裂纹在列车速度 比较高、平均轴重相对较小的广深线近期被发现，接着在京广线等重载线路 也陆续发现。根据铁科院的调查，发生斜裂纹伤损具有以下规律：发生斜 裂纹的钢种几乎遍及现在使用的各个钢种：u 7 1 m n 、p d 3 、法国u 7 8 、日本 u 7 8 淬火轨、奥地利低合金轨等；裂纹扩展由慢到快的顺序是：珠光体钢 轨钢一合金钢轨钢一贝氏体钢轨钢；珠光体片层间距或珠光体团尺寸愈小， 接触疲劳寿命愈长，因此，淬火轨抗接触疲劳性能优于熟轧轨；残余应力 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 愈小接触疲劳寿命愈长；斜裂纹伤损与冶金质量、化学成分、力学性能无 关斜裂纹伤损与钢轨轨头局部应力过大有关，而局部应力过大与打磨形状 不合理、列车蛇行运动有判2 7 1 。 1 5 课题研究意义及内容 1 4 1 研究意义 轮轨列车从最初的每个小时几公里运行速度发展到现在的每次小时3 0 0 多公里，试验速度达5 0 0 多公里【2 8 t 2 9 l ，列车的牵引、制动和运行都需要靠轮 轨的滚动接触作用得以实现，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。 车轮在钢轨上行驶时，实际的接触面积只有1 0 0 多平方毫米，而这1 0 0 多平方毫米的接触面积要承受和传递数十顿的载荷【3 们。另外，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。此外，车辆在运行过程中，由于较大的载荷，除了使轨道发生 变形或振动外，车轮和钢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。车轮和钢轨接触表面粗糙和污染物总是存在的，这些因 素对轮轨滚动接触应力分布、裂纹的萌生、粘着和摩擦系数以及脱轨都有一 定的影响【3 1 】，因此，轮轨滚动接触疲劳是十分复杂的问题，是铁路运输技 术问题研究的难点。 随着国民经济的发展，对铁路运输提出了更高的要求，为此，铁路部门 采取了提高列车轴重、运输速度以及增加行车密度等措施来提高铁路的运输 能力，从而加剧了钢轨的接触疲劳过程，尤其是在主干线、大半径路段上更 为严重。 3 4 1 据相关资料表明，我国铁路每年使用钢轨8 0 1 0 0 万吨1 3 5 】。严重 接触疲劳的钢轨使轮轨系统接触状况恶化，冲击、振动及噪声增大，不仅会 加大铁路的运营成本，更为严重的是给行车安全带来隐患。 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。不久就查明脱轨事 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 故是由于蛆线外侧钢轨的疲劳裂纹扩展导致锯轨断裂引起的【3 6 l 。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 基管理( 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，3 9 9 1 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i ”l 。2 0 0 2 年1 2 月广深线曲线 半径为1 0 0 0 m 的上股钢轨，先后有2 处由踏面斜裂纹导致钢轨横向断裂p ”，其 斜裂纹和横向疲劳断裂的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【3 9 ，加j 。踏面斜裂纹不同于以往的鱼鳞状剥离裂纹，发展严 重时将导致钢轨的横向断裂而危及行车安全，这一现象已引起我国铁路工务 部门的高度重视。 综上所述，高速铁路带来了传统铁路产业和其他产业的复兴，推动了整 个社会的发展。据不完全统计，全世界拥有或正在建设的高速铁路的国家和 地区已经达到1 2 个，进行研究和规戈l j 的国家有6 个，已经建成高速铁路新线 长达4 6 2 4 公里，正在建设的线路有3 5 0 9 公里。可以预见，2 1 世纪的铁路运 输业将会出现轮轨系高速铁路的全面发展，目前正在对高速铁路开展前期研 究工作的国家还有土耳其、加拿大、美国、印度、捷克等。但是对于我国的 国情，大规模的高速铁路建设还要一定的时间，铁路是国家重要的基础设施。 国民经济的大动脉，交通运输体系的骨干。我国铁路营业里程总长度已突破 7 万公里，承担旅客周转量占3 6 3 ，货物周转量占到5 4 6 【4 1 1 。 目前我国铁路大部分只处于提速区段，速度还没有达到高速的要求，面 对我国人口密集，运载任务重等现状，表面磨损、整体断裂和接触疲劳是线 路钢轨三种主要的失效形式f 4 2 1 。c l a y t o n 和h i l l 4 3 】用金相检验方法对接触疲 劳试样在不同循环次数下的裂纹进行了观察，结果发现，接触疲劳裂纹萌生 寿命占总寿命的2 5 5 0 。由此可见，接触疲劳裂纹的萌生寿命占总寿命的 大部分。因此，对接触疲劳裂纹扩展行为进行试验研究和理论分析，有助于 正确估计钢轨钢的接触疲劳行为。正确判断钢轨的伤损类型及原因，对确保 行车安全、及时处理广告质量异议、促进钢轨质量的改进和提高，合理使用 钢轨和延长钢轨的使用寿命等都起促进作用。因此我们研究高速铁路钢轨使 用中的疲劳问题中裂纹萌生机理可以为将来的建设提供有用的必要的信息和 依据，具有重要的研究及指导意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 1 4 2 论文主要研究内容 最近几年来，我国广深准高速铁路将过去设计的每小时1 6 0 k m 的设计速 度提高到现在的每小时1 8 0 k m 。2 0 0 4 年4 月份以来，广深线准高速区段部分 半径为1 6 0 0 m 、1 4 0 0 m 和非准高速区段半径为1 0 0 0 m 及以下的曲线上股钢轨 ( 攀钢生产的u 7 1 m n 和p d 3 热轧钢轨) 出现了斜线状裂纹，沿钢轨作用边， 迎着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， 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，数量大，发展速度快，在高速行车的情况下可能产生突然断裂，对行 车安全造成极大隐患。 针对我国广深线准高速区段出现的斜裂纹伤损情况，本论文通过现场调 查静对广深线准高速铁路曲线段铺设的u 7 1 m n 钢轨和p d 3 钢轨的伤损部位 进行金相试验分析，以及试验模拟对钢轨的接触疲劳裂纹萌生机理进行了研 究。 课题研究的内容主要有几个方面：收集近期国内外研究资料，准备试验 方案；进行现场调研；进行形貌观察和金相试验；高精度试验仪器和大型台 架试验设备进行模拟试验，并对试验结果进行处理分析；结合对现场的分析 结果，总结不同工况下钢轨裂纹萌生机理，完成研究目标。 钢轨伤损使得钢轨在使用过程中发生钢轨折断、裂纹等伤损以及其它影 响和限制钢轨使用性能和危及行车安全的伤损。在我国铁路工务部门以外的 其它部门通常是将“伤损”称为“损伤”或“失效”。钢轨各种伤损的形态特 征，记录了伤损的萌生和发展过程，是研究钢轨失效机理和原因，预测伤损 发展规律，提出预防措施的基础，所以研究很有必要。课题拟解决的关键问 题之一为钢轨斜裂纹的萌生机理研究，通过现场及试验获得的可靠数据，结 合项目应用于我国铁路实际情况：对比现场论证试验有效性，二者结合找出 斜线状剥离裂纹的成因和有效的防治对策。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第2 章广深线钢轨裂纹萌生机理研究 2 。1 广深线准高速区段运营情况简介 2 1 1 广深线路概况 广深准高速铁路于1 9 9 4 年1 2 月2 3 日开通运营。线路分高上、高下线， 全长1 3 9 k i n ，运营初期准高速区段为下元至天堂围 ( k 2 5 + 0 0 0 一k 1 2 3 + 1 2 0 ) 9 8 1 2 0 k m 。9 7 年初改造之后，准高速区段延长为石牌至 天堂围( k 1 2 + 5 0 0 一k 1 2 3 + 1 2 0 ) 1 1 0 6 2 0 k i n 。准高速区段最小曲线半径r = 1 4 0 0 m ，最大超高1 0 5 m m ，最大坡度8 o ；非准高速区段最小曲线半径r = 8 0 0 m ，最大超高1 2 0 r a m ，最大坡度8 3 。 2 1 2 广深线钢轨铺设情况 广深线于1 9 9 4 年铺设普通无缝线路，1 9 9 6 年改造成区间超长无缝线路。 2 0 0 3 年对站内可动心道岔区段进行无缝线路改造。铺设钢轨基本情况见下面 表2 - 1 ： 说明： ( 1 ) 钢轨生产年份与铺设年份基本相同； ( 2 ) 下元平湖区段既有9 4 年上道的，也有9 6 年改造上道的钢轨； ( 3 ) 9 6 年广深线改造时，将无缝线路北头石牌下元、南头平湖布吉 区间铺设的u 7 1 m n 钢轨全部换成了p d 3 轨； ( 4 ) 铺设钢轨轨型全部为p 6 0 、i i 型混凝土轨枕、弹条扣件，轨枕配置 1 8 4 0 根k m ： ( 5 ) 广深高线年均通过总重为2 5 m t k m k m ，至2 0 0 3 年春运结束，准高 速区段累计通过总重为2 2 5 m t k m k m ( u 7 1 m n 轨) ，非准高速区段累计通过 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 总重为1 5 0 m t k m k m ( p d 3 轨) 。 表2 - 1 广深线铺设钢轨基本情况表 材质 9 4 区段里程薤 9 6 年9 9 8 8 5 年 月9 7 定12 0 0 0 生2 0 0 3 年 1 0 月 年7 月 月 广州东石牌 k 9 + 5 0 0 k 1 2 + 5 0 0 u 7 1u 7 1u 7 1 石牌站内 k 1 2 + 5 0 0 k 1 4 + 3 7 2u 7 1p d 3 石牌下元 k 1 4 + 3 7 2 k 2 4 + 9 1 1u 7 1p d 3 下元站内 k 2 4 + 9 1 1 k 2 7 + 3 3 2 u 7 1u 7 lp d 3 下元平湖 k 2 7 + 3 3 2 k 1 2 5 + 6 8 9u 7 1u 7 l 平湖站内 k 1 2 5 + 6 8 9 k