（机械设计及理论专业论文）车轮钢滚动磨损与摩擦特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 铁路运输在运输系统中占有不可替代的地位，而在铁路的发展过程中， 一些关键技术问题不断暴露并且有待迸一步解决，其中轮轨关系问题显得尤 为突出。车轮踏面损伤被包含在轮轨关系问题之中，其解决程度影响着铁路 运输的健康、快速发展。车轮发生失效，不仅影响铁路机车车辆的正常运营， 而且危及铁路运输安全。因此，车轮踏面损伤机理的研究对于提高铁路运输 经济效益和促进铁路运输发展具有积极的意义。车轮踏面的损伤是一个综合 了轮轨作用和材料响应的复杂过程，它受到大量外界因素的影响。因此本文 利用n e n e 2 型微动疲劳试验机和往复滚动磨损试验装置针对车轮踏面损伤 对其中的一些因素的响应进行了试样实验的研究，以期在铁路实际运营中为 降低车轮踏面损伤，降低运营成本提供一些有价值的结论。 ( 1 ) 在不同制动状态下车轮钢的滚动磨损特性明显不同，并且呈规律变 化：随着制动力的增大，接触表面的磨损加剧，而磨损形式逐渐由磨粒磨损 向粘着和疲劳磨损转变。 ( 2 ) 滚动界面存在部分滑移的状态下，频率对车轮钢表面损伤有明显的 影响，随着频率的增加车轮钢表面磨损加重，且更易发生疲劳磨损。 ( 3 ) 法向力对接触界面磨损有显著的影响。法向力的增加使得滚滑摩擦 幅的真实接触区域变大。制动工况下，较大的法向力更容易导致表面剥离的 产生。 ( 4 ) 车轮钢表面在发生剥离以前，首先会产生大量垂直于滚动方向的开 裂。 ( 5 ) 存在水介质润滑的条件下，滚滑界面的摩擦系数降低，界面的磨损 也较干态工况下低。 关键词：踏面损伤；制动力；频率；法向压力；水介质 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t t h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m sp o s s e s s i n gal o to fu n i q u e a d v a n t a g e sa r e i r r e p l a c e a b l ei nt o d a y st r a n s p o r t a t i o n b u tw i t ht h ep r o g r e s sm a d e ，s o m ep r o b l e m s n e v e rs e e mt ol e a v eu s ，a n dm o r e o v e r ，n e wp r o b l e m sc o n t i n u et oc r o p - u p t h ew h e e l t r e a dd a m a g ei n c l u d e di nt h ei s s u ea sr e l a t i o n s h i pb e t w e e nw h e e la n dr a i l i s p a r t i c u l a r l yp r o m i n e n t ，h i n d e r st h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s g r e a t l y w h e e lf a i l u r ec a r ln o to n l ya f f e c tt h en o r m a lo p e r a t i o n s ，b u ta l s oe n d a n g e r t h es a f e t yo fr a i lt r a n s p o r t t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nw h e e lt r e a dd a m a g em e c h a n i s mi s o fp o s i t i v es i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt h ee c o n o m i ce f f i c i e n c yo fr a i lt r a n s p o r ta n d t h ep r o m o t i o no fr a i lt r a n s p o r t t h ew h e e lt r e a dd a m a g ei si n t e g r a t i o no fw h e e l r a i li n t e r a c t i o nw h i c hi sac o m p l e x p r o c e s si n c l u d i n gt r i b o l o g i c a lp h e n o m e n aa n dt h e m a t e r i a lr e s p o n s et oe x t e m a l i m p a c t ，s oi ti ss u b j e c tt oal a r g en u m b e ro ff a c t o r s i no r d e rt op r o v i d es o m ev a l u a b l e c o n c l u s i o n st or e d u c et h e 仃e a dd a m a g e r o l l i n gf r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o r so fw h e e l s t e e lu n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e dw i t hn e n e 2f r e t t i n gf a t i g u e t e s t i n g m a c h i n ea n dr e c i p r o c a t i n gr o l l i n gt e s t i n ga p p a r a t u si nt h i st h e s i s m a i nc o n c l u s i o n s w e r ed r a w na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i co fr o l l i n gw e a ri ss i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tu n d e rd i f f e r e n t b r a k i n gf o r c e ，a n dc h a n g e sr e g u l a r l y t h ew e a rd a m a g eo fw h e e ls u r f a c ew o u l d t r a n s f o r mf r o ms l i g h ts c r a t c ht oa b r a s i v ew e a r ，a d h e s i o na n df a t i g u es p a l l i n gw i t ht h e c o e f f i c i e n to ff r i c t i o ni n c r e a s i n g ( 2 ) w i t ht h ef r e q u e n c yi n c r e a s i n g ，t h ew e a rm e c h a n i s mo f w h e e ls t e e ls u b je c t e dt o p a r t i a ls l i pm a k e sat r a n s f o r mf r o ma b r a s i v ew e a rt of a t i g u ew e a r ( 3 ) n o r m a lf o r c eh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to nw e a r t h er e a lc o n t a c ta r e ai sd r o v e d b yn o r m a lf o r c e u n d e rb r a k i n gc o n d i t i o n s ，l a r g en o r m a lf o r c ec a nl e a dt os p a l l i n g m o r ee a s i l y ( 4 ) t h es p a l l i n go fw h e e ls t e e lb e g i n sw i t ht r a n s v e r s es u r f a c ec r a c k i n gi n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ll 页 r e c i p r o c a t i n gr o l l i n gt e s t ( 5 ) c o e f f i c i e n to ff r i c t i o na n dw e a ra r eb o t hd e c r e a s e dw i t ht h ee x i s t e n c eo fw a t e r k e yw o r d s ：w h e e lt r e a dd a m a g e ；b r a k i n gf o r c e ；f r e q u e n c y ；n o r m a lf o r c e ； w a t e r 西南交通大学四南父逋大罕 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、缩印或扫描等复印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d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：王短华 日期：d60 少、4 、弓0 砷 名 扎 獬卜雕q 柳 v 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，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 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， 均已在文中作了明确的说明。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 改进了往复滚动实验装置。改造后的夹具系统在制动螺栓和制动块之 间加入了弹簧，由弹簧的弹性力实现制动。当制动块被磨损时，制动块被磨 损的深度相对于弹簧的压缩变形量十分微小，因此实验过程中的摩擦系数可 以维持在更稳定的状态。 2 通过增加往复滚动的循环次数，探讨了车轮钢在制动条件下的损伤过 程。 3 通过考查接触界面粗糙度的影响，解释了水介质润滑条件下车轮钢与 轴承钢摩擦副摩擦系数降低和磨损量降低的现象。 王短华 心。7 年4 司7a 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 铁路运输在已有的多种运输方式中具有不可替代的地位。它综合折中了 安全性、快捷性、方便性、运量等方面的要求，而且在节能和低污染方面的 突出特点充分体现了当今科学发展的要求，所以越来越受到世界各国的普遍 重视和优先发展。截至2 0 0 4 年，世界运营铁路总里程已达到1 2 0 多万公里， 我国铁路运营总里程7 3 万公里。在运营里程不断增加的大背景下，世界铁 路正在向着高速和重载的方向持续发展。在整个发展过程中，一些关键技术 问题不断暴露并且有待进一步解决，其中轮轨关系问题显得尤为突出。轮轨 关系问题由几个既独立又密切联系的部分构成：轮轨三维弹塑性滚动接触理 论和相应的数值方法、轮轨粘着和制动效果问题、轮轨损伤问题、脱轨、轮 轨噪声问题、轮轨型面匹配问题【l 】。 轮轨系统包括：轨道、车轮。车轮轮箍踏面、轮缘与钢轨轨顶、轨侧之 间直接接触，并存在相对运动，所以车轮损伤失效构成了轮轨损伤问题的一 个重要方面。 1 1 车轮失效概述 车轮是铁道车辆的最基本部件，图1 1 指出了车轮的基本结构和各部分 图1 - 1 铁路车辆车轮示意图 踏面 轮辋 轮辐 轮毂孔 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的名称。它不仅要承受轮轨之间的垂直、横向动作用力和摩擦力，而且还要 承受踏面制动时的热负荷【2 】。它具有载重、导向、传递制动力和牵引力的功 能。它的运用条件十分恶劣，经常发生擦伤、剥离、掉块、热裂和疲劳损坏 等情况。它的好坏，对行车安全具有十分重大的影响【3 】。 车轮失效按发生部位的不同分为：轮毂裂纹、轮辋裂纹、辐板裂纹、轮 缘磨损和踏面损伤。 1 1 1 轮毂裂纹 轮毂裂纹是与车轴疲劳裂纹相对应的车轮的失效形式。大多数是由于轮 轴嵌入部内、外侧裂纹造成的，对于轮轴产生的裂纹进行检测并准确地计算 裂纹径向深度一直是人们普遍关注的问题。国内铁道部门采用超声波无损探 伤的检测方法，并制定了一些相关的标准。该标准规定了在给定的测试灵敏 度下允许裂纹径向深度的极限值【3 1 。 1 1 2 轮辋裂纹 该类裂纹在轮辋内部，在裂纹没有扩展到达轮辋侧面前，肉眼发现不了， 只有靠有经验的列检员从锤击回音或用超声波探伤确定。当裂纹扩展到一定 大小的尺寸后，在轮辋外侧面观察到的沿轴向裂纹或在踏面上观察到的横向 裂纹，也有轮缘部位开裂的情况，若缺陷靠近轮辋外侧面就发展为轮辋外侧 面裂纹，若缺陷接近轮缘部位向轮缘方向发展，此时裂纹的踏面一侧金属极 易破碎和发展成局部大块脱落，从而造成疲劳掉块。 裂纹面具有典型的贝壳纹特征，无疑为疲劳裂纹。裂纹面包括疲劳源区、 疲劳扩展区。微观分析表明，粗大的氧化铝夹杂物是引起轮辋内裂的主要原 因。疲劳源黑斑含有以氧化铝、氧化铁为主的脆性夹杂物。夹杂物与基体的 界面成为应力集中点，在循环载荷的作用下微裂纹扩展。当车轮钢的含碳量 较高，并有高的屈服强度和缺口敏感性，在裂纹的长度达到或超过允许的临 界值时，就发生急速破坏。因此，提高冶金质量，采用铝脱氧钢的夹杂变性 处理，使氧化铝呈球状，避免簇状或聚集状，可明显提高车轮寿命1 4 j 。 也有研究表明：轮表层下缺陷的扩展是由转向架的不良运行性能和线路 最大冲击力综合引起的【5 j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 车轮在使用过程中产生的轮辋疲劳裂纹是车轮的主要损伤类型之一，轮 辋裂纹往往造成客货列车运行中途甩车，而且若不及时发现会导致切轴等行 车事故，是我国当前危及客货列车行车安全的主要因素之一【1 1 。车轮崩裂是 指轮辋裂纹扩展到踏面表面后造成的车轮断裂的情况，它造成严重的行车事 故【6 1 。 1 1 3 辐板裂纹 车轮的裂损故障除轮辋裂纹外，还包括辐板裂纹。辐板裂纹的原因除因 制造缺陷所致之外，主要是车轮结构不合理。据对客货车直辐板车轮所进行 的有限元强度计算结果表明，直辐板车轮应力分布不均，在所有计算工况， 车轮辐板都出现严重的应力集中现象。当轮辋磨耗到限时，在辐板外侧向轮 毂过渡处应力己经超过了弹性极限，产生塑性变形，降低了车轮强度。辐板 应力集中是导致运用中辐板疲劳裂纹的另一主要原因之一，特别是对于直辐 板的车轮，由于其结构和形状不合理，在制动热负荷作用下还将产生过大的 热应力，其数值可以达到机械应力的4 - 6 倍，是运用中车轮产生热裂的主要 原斟7 1 。 车轮辐板辐板孔边缘处也容易萌生疲劳裂纹。这种疲劳裂纹一般起源于 车轮辐板内侧曲面与螺纹工艺孔相交形成的尖角处。结构上的这一缺陷使该 区域应力大大提升，成为最先萌生疲劳裂纹的场所，并在周期性应力作用下， 向辐板外侧面和圆周方向扩展。所以，车轮辐板产生裂纹的主要原因是应力 集中和疲劳破坏的结果。避免该类车轮辐板裂纹的关键在于尽可能降低螺纹 工艺孔的应力集中【4 1 。 1 1 4 轮缘磨损 车轮轮缘磨损主要是发生在曲线段上的损伤类型，它与钢轨侧磨相对应。 车轮在钢轨上运行时一般轮轨间为一点接触，即车轮踏面与钢轨顶面相接触。 但车轮在曲线轨道上行驶时，轮对中心横向偏移时，轮轨之间形成两点接触， 即在踏面上和轮缘上各有一点与钢轨接触。当轮子受到侧向力时，轮缘与钢 轨之间将产生刚性冲击。在轮子通过曲线时，因为两接触点的半径不同，而 运行距离一样，则两接触点必定至少有一点发生滑动，加剧了轮轨的磨耗。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 当通过曲线时，同一轴上的两个车轮所走的距离不一样，如果车轮之间相同， 就必然产生滑行。 实现非轮缘导向是对经典轮缘导向理论的重大突破，然而，在小曲线半 径的线路上，会产生较大的冲角，车轮导向主要还是靠轮缘来实现，这将不 可避免地导致轮缘与轨侧的剧烈磨损【8 】。同时，轴重的增加对轮缘磨损和钢 轨侧磨影响较大。在冲角基本不变的曲线路段上，轴重的增加会导致通过曲 线所需的导向力变大，也会加大轮缘与轨侧的磨损。 为了减轻车轮轮缘磨损，可以采用不同的方法来进行。轮轨润滑技术可 有效防治轮缘磨损。轮轨润滑的方式主要有轨道涂( 喷) 油与轮缘涂( 喷) 两种。 采用轮轨润滑是一种投资少，见效快的有效方法，不仅能迅速减小轮缘及轨 侧的磨损，延长钢轨的使用寿命，而且还能降低运行阻力，节约能源，近年 来，我国铁道科研与运营部门在轮轨磨损和轮轨润滑方面做了大量的工作， 并取得了实效【9 j 。 采用磨耗型车轮踏面也可以有效减轻轮缘磨损与轨侧磨损。车轮磨耗型 踏面与锥形踏面相比，最大的区别是踏面的外形不同，前者为圆弧形，后者 为直线形。采用磨耗型踏面不仅能够较好地减少或防止两点接触，从而改善 车轮曲线通过性能。而且磨耗型踏面增大了轮轨踏面的接触面积、减小轮轨 接触应力。因此，采用磨耗型车轮踏面可以大大降低曲线钢轨侧磨和轮缘磨 损。 1 1 5 踏面损伤 踏面损伤严重影响到机车车辆的寿命周期费用，所以引起了人们的高度 重视。近年来人们对车轮踏面损伤的形成条件及原因的认识水平已有明显提 高。 踏面损伤主要包括踏面磨损和滚动接触疲劳。 车轮磨损失效形式包括踏面磨损到限、不圆度、擦伤。车轮踏面磨损到 一定程度就需要进行旋削。铁道部公布了轮缘厚度为2 6m m 、2 8m m 、3 0r n r l l 、 3 2m m 的车轮轮缘踏面外形，现有的车轮旋修工作是以此为基础的，即车轮 旋修时要使运用中车轮形状因磨耗等故障破坏后得以恢复到上述4 种理论形 状之一【8 】；车轮踏面磨损最终导致车轮磨耗到限；车轮不圆度是轮周上半径 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 不均匀的缩小造成的，这种半径缩小一是由于磨损，二是由于材料塑性挤压 变形而造成的。 材料在循环应力作用下，产生局部永久性累积损伤，经一定的循环次数 后，接触表面产生麻点、浅层或深层剥落的过程称为接触疲劳。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。车轮载荷通过一个相 对很小的接触区域传递给了钢轨，通常会使局部载荷超过车轮和钢轨材料的 弹性极限，这就会导致滚动接触疲劳裂纹的萌生。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并且其严重性还在 逐渐增加的问题。在欧洲，每年由于滚动接触疲劳导致裂纹失效的钢轨数量 很多。据统计在欧盟每年更换钢轨和维修受损的钢轨要花费几百万欧元【l0 1 。 轮轨滚动接触疲劳不仅大大增加了铁路的运营成本，而且直接危害行车安全。 人们采用了各种方法和措施来阻止和减缓滚动接触疲劳，但它一直是铁路工 业中难以解决的老问题。而且随着铁路客货运量的增大和列车速度的提高， 轮轨滚动接触疲劳破坏变得越来越严重。轮轨滚动接触疲劳破坏现象与很多 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、生产加工留下的“先天缺陷” 和车辆运行动力学及轨道结构的形式等。 另外，车轮踏面磨损与踏面疲劳裂纹扩展之间存在着“竞争的关系。 当磨损速度较快，而裂纹扩展较慢时，车轮踏面损伤更多地表现为磨损；当 磨损速度较慢，而裂纹扩展较快时，车轮踏面损伤更多地表现为踏面剥离。 所以，为了预防和减缓车轮踏面损伤应该合理选择材料，使得踏面磨损和疲 劳裂纹扩展的速度相近。 1 2 车轮踏面损伤 1 2 1 车轮踏面损伤的种类 车轮踏面的失效形式包括磨损和滚动接触疲劳，并且两者之间存在着速 度上的竞争关系。 车轮磨损失效形式包括踏面磨损到限、不圆度、擦伤： ( 1 ) 踏面磨耗到限 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 车轮在工作寿命期间会出现踏面磨耗、表面剥离和表面擦伤等破坏，当其 达到一定的程度时就需进行旋轮处理，直到车轮踏面几何尺寸达到设计的极 限状态( 磨耗到限) ，该车轮的使用周期完成。铁道部对机车车辆车轮踏面的 使用与维修制定了相应的标准，如东风4 型内燃机车段修规程第( 3 1 1 6 8 条中规定：踏面磨耗深度不大于7 m m ，但采用轮缘高度为2 5 m m 的磨耗型踏 面时，踏面磨耗深度不大于1 0 m m 。若在一个架修期内，磨耗达到或超过了 这些标准，就会危及行车安全【1 1 1 。 ( 2 ) 车轮不圆度 车轮不圆度是轮周上半径不均匀的缩小造成的，这种半径缩小一是由于 磨损，二是由于材料塑性挤压变形而造成的。这些不仅使车轮踏面宽度发生 变化，同时也使车轮摩擦条件相应变化。从负荷方面讲，这两部分取决于轮 轨接触点的滑动功( 打滑功) ；从材料方面讲，磨损取决于磨损阻力，塑性变 形取决于材料屈服极限，因此没有滑动负荷实际上就不会有这两种现象。对 滑动负荷要测量其大小和方向，它引起材料塑性变形，也就引起材料硬化( 硬 度增加) 。 车轮不圆度有各种不同的形式，较为常见的是“局部压扁变形”，视为 局部有限的“磨耗损伤 。此外，车轮圆度偏差形式是车轮圆周上有多处不 均匀或均匀的大半径缩小。 在踏面的平均范围内，也就是说在最大的半径缩小范围内，从金相状态 来看滑动引起的材料塑性变形较小，而更多只取决于纵向滑动。从负荷方面 来讲，这里通常假定半径缩小的滑动负荷频率是一定的。尽管这里滑动负荷 大小的变化( 例如，轮轨接触处摩擦系数大小变化的结果) 也使踏面磨耗有 相应变化。不仅在轮缘方向，而且在轮箍外侧正面方向，滑动引起的变形硬化 不断加大，直至最大值。此时滑动负荷的这种增加应看作是横向滑动分量增 大的较大部分，但不是唯一的。 ( 3 ) 擦伤 闸瓦在车轮踏面频繁制动或者因制动工况不良产生热疲劳损伤。当车轮 被制动时，一旦制动热使温升超过4 5 0 。c ，将造成车轮明显的热损伤【1 2 】。特 别是当一个车轮被闸瓦抱死并沿着钢轨滑行时，在车轮踏面上就会产生一处 擦伤。微观分析表明，踏面擦伤附近材料已发生相变。引起相变的原因主要 是车轮在钢轨上滑动产生了大量的热量，使得车轮踏面表面材料上发生奥氏 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 体转变，并在随后的冷却过程中发生马氏体转变，形成脆性的马氏体。擦伤部 位受力后产生裂纹或与基体发生分离，所以擦伤后的车轮继续运行，会导致 车轮踏面表层大片金属的剥离，而车轮踏面表层金属剥离将继续引起轮轨间 的冲击和振动，还会导致车辆配件的磨耗。为了减少或避免热损伤应改进防 滑器，研制更好的制动系统。 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 ) 是一种在一对滚动接触副相接 触过程中，接触区受到循环碾压，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。 列车在沿轨道运动过程中，轮轨接触区承受着的较大载荷将导致轮轨接 触斑处的局部塑性变形，同时轮轨之间还存在着刚性滚动、横向滑动、纵向 滑动、自旋等复杂的刚性运动，并通过轮轨接触区的摩擦力使得轮轨表面发 生塑性流动，从而导致轮轨接触表面的疲劳破坏。车轮踏面滚动接触疲劳的 损伤形式包括疲劳裂纹向踏面扩展产生的踏面剥离和疲劳裂纹向车轮基体扩 展导致的车轮整体破坏。 车轮踏面剥离是车轮尤其是高速铁路车轮的主要失效形式，表现为踏面 的整个圆周或部分圆周在轮轨接触应力或制动热应力作用下，踏面表层金属 形成鱼鳞状或龟纹状微细裂纹，然后疲劳逐渐发展呈薄片状掉块或碎裂掉块 3 | 。轮轨模拟试验结果表明：车轮磨损量随着蠕滑率的增大而增大；在相同 循环次数下，制动工况下的磨痕较牵引工况下变宽，表面剥离现象更严重【1 4 】。 也有文献【15 】按照宏观形貌和微观组织形貌的特征对剥离进行了分类，具体见 表1 1 。 表1 1 车轮踏面剥离分类 失效类型宏观形貌特征组织形貌特征失效机理 表层金属塑性变 位于踏面轮轨接触形，裂纹是从踏面 的圆周部位，呈不 萌生和沿塑性变形轮轨接触应力，累积 接触疲劳剥离规则的网状或鱼鳞 流线方向倾斜向下应变疲劳，主要与车 状裂纹，沿裂纹处发展，剥离层深度轮材质强度有关。 层状剥离掉块。 和塑性变形层深度 相对应。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 踏面局部有不规则 网状裂纹，沿裂纹剥离处存在非金属 处层状剥离掉块，夹杂物，裂纹是从 夹杂物应力集中和 局部接触疲劳剥离 轮轨接触应力。主要 掉块处有时会观察夹杂物处萌生和发 到贝纹状疲劳弧线展的。 与车轮材质有关。 特征。 表层的金相组织主 位于踏面制动的圆 要为热影响层和马 滑动或滚动摩擦，马 周部位，呈刻度状氏体白层，热裂纹 氏体相变和轮轨接 或龟纹状裂纹，或 垂直于热影响层或 制动剥离 触应力，表现于踏面 麻坑状剥落，沿裂起源于马氏体白层 闸瓦制动的车轮上， 纹处层状剥离掉处，剥离层深度和 综合因素较为复杂。 块。热影响层或塑性变 形层深度相对应。 1 2 2 车轮踏面损伤的危害 列车在制动或者空转时，车轮踏面沿轨道滑移，巨大的摩擦力引起车轮 踏面局部磨损剥离形成车轮扁疤。当车轮滚动至扁疤处时，轮轨间形成突发 冲击，引起车辆一轨道耦合振动。对车轴及轨下结构造成严重危害【1 6 】。 在运行中车轮的不圆度也会引起振动，这不仅影响了旅行舒适度以及产 生很大的噪声。而且随着振动的持续，增加了危及行车安全的疲劳断裂的可 能性，特别是弹簧装置以下的部件，如轴承和车轴( 轴颈) 产生疲劳断裂的 可能性就很大【1 7 j 。 至今可以认为机车车辆噪声扩散急剧增大是因为车轮踏面有严重的剥落 损伤f 1 7 】。 1 2 3 车轮踏面损伤的影响因素 ( 1 ) 轮轨接触力 轮轨接触区面力直接决定了车轮和钢轨材料内部应力状况。而轮轨接触 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 区面力大小及分布由车辆轴重、车轮和钢轨的几何型面、车轮运行动力学性 能所决定。 轮轨接触区面力大小随着轴重的增加而增加。 车轮和钢轨的几何型面决定轮轨接触区的大小和形式( 两点接触或一点 接触) 。相同轴重的情况下，较大的接触区面积使得平均面力集度变小，轮轨 材料内部应力也会相应变小。所以优化轮轨几何型面是缓解踏面损伤和轮缘 磨损的有效措施。 轮轨振动和车辆的摇头运动会导致轮轨接触区面力的急剧波动和附加的 滑移量。并且车辆的制动性能直接影响着轮轨接触区的运动状态。所以车轮 运行动力学性能是使轮轨接触区面力产生变化和波动的因素。 ( 2 ) 轮轨材料及配比 材料的整体平均力学性能直接决定着损伤的程度和类型。另外合金组织 稳定性和均匀性对滚动接触疲劳会产生不同的影响；非金属夹杂物、加工过 程中产生的空洞、裂纹和残余应力、接触表面粗糙度和不平顺等均会对滚动 接触疲劳产生影响；钢轨与轮箍材料的友好匹配也可以在某种程度上改善车 轮与钢轨之间的疲劳。 1 2 4 车轮踏面损伤预防的具体措施 ( 1 ) 优化几何型面 j jk a l k e r 最早注意到轮轨接触型面优化问题。他提出车轮踏面设计从锥 形踏面到磨耗形踏面 1 8 j 。一般来说，采用磨耗形车轮踏面，可以有效降低轮 轨的接触应力，并且保证了曲线通过时轮轨间的一点接触【l9 】：车轮l m 型磨 耗形踏面与t b 型锥行踏面相比较，最大等效应力值o 。减d 、2 6 ，同时磨耗形 踏面还可以减小曲线段上运行时轮轨间的滑动。 在车轮磨损到一定程度后，应及时按严格的工艺过程对轮对进行旋修或 打磨处理，以保证标准的几何型面。而且旋修或打磨还可以有效消除踏面表 层的微细裂纹，防止裂纹的扩展。 ( 2 ) 改善制动系统 改善制动系统主要是针对制动发生滑行的情况，避免车轮被抱死而造成 踏面擦伤。而且现有的货车的踏面制动方式增加了发生热损伤的几率，应该 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 被其它制动方式取得。 在列车上研制并安装高性能的防滑器，既可以增加轮轨间粘着力，又能 防止车轮的滑行。日本已开发一种根据滑行率控制的防滑器装置，控制滑行 率在5 以内，效果十分理想【2 0 】。 安装自动撒砂装置，也可使机车发挥最大粘着牵引力，减少车轮磨耗和 滑行。 ( 3 ) 选择合适的材料及材料配比 从日本、欧洲和我国的现有研究情况来看，高速列车车轮材料的发展方 向将由中高碳钢向低碳合金化的方向发展。添加合金元素和利用不同热处理 工艺等，可有效提高车轮踏面的强度、韧性及接触疲劳特性，减轻车轮对裂 纹、擦伤和剥离的敏感性，增强其抗剥离的性能。研究采用电子束加热来控 制奥氏体化和高加热速率条件下的铬合金车轮钢，可减少滑行引起的剥离； 在车轮钢中加入钴、硅等元素可有效缩短珠光体转化时间，减少马氏体形成 的机会【2 1 】。 1 3 车轮踏面损伤的研究现状 对车轮踏面损伤的研究是以滚动接触结合接触力学而展开的。并随着新 的探测、测试手段和技术的应用而不断深入，人们对车轮踏面损伤的形成条 件及原因的认识水平不断提高。 1 3 1 研究的主要方面 对车轮踏面损伤的研究主要是从一些不同层次的现象出发，并且集中在 以下九个方面。 1 滚动接触疲劳 由于滚动接触区域存在非常大的压应力( 超过材料的弹性极限) ，由此产 生的较大的塑性变形难于测定和计算，使得标准的单向数据不能直接应用， 同时界面磨损，载荷、载荷谱存在波动，以及以磨损为主的一些摩擦学因素 的影响，导致对车轮滚动接触疲劳( r c f ) 现象的研究和认识远落后于单轴 疲爿2 2 1 。但是通过对一些具体现象的研究，研究人员仍然建立了一些滚动接 触疲劳的模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 关于滚动接触疲劳与“棘轮效应”关系的模型。a r s p o n t e r 等人修 正了c r o o k 和m e r w i n 关于“棘轮效应”的理论【2 2 1 ，指出：钢铁材料在循环 载荷作用下应变的循环累积分为两个阶段：结构的棘轮效应阶段和材料的棘 轮效应阶段。结构的棘轮效应阶段的棘轮效应可以由理想塑性模型描述。即 变形程度增加，屈服极限随之增加，材料很快被强化进入材料的棘轮效应阶 段。材料的棘轮效应阶段的棘轮效应可以由理想弹塑性模型描述。即屈服极 限恒定的稳定状态。最后还指出如何测算持久棘轮效应的发生和滚动接触疲 劳不同材料发生棘轮效应的l 临界量是今后研究需要考虑的问题。 材料中夹杂物聚集在一起出现对滚动接触疲劳的影响。钢铁材料中的夹 杂物不是均匀地离散分布于基体中，而是经常聚集在一起以团簇状和串状出 现在基体材料中。有学者专门对于这样的情况下滚动接触疲劳现象进行了研 究【z 引。研究是通过有限元方法在材料内部设置缺陷，实现对真实情况的模拟， 然后分析计算结果。计算结果表明：在材料缺陷的周围会产生非常高的应力、 应变梯度；材料缺陷集中出现的情况下，高应力、应变梯度的存在使得局部 裂纹扩展系数不再适用；缺陷的集中使得材料对疲劳更加敏感，因此集中在 一起的缺陷加速材料的疲劳。因此滚动接触条件下，裂纹的形成可以被解释 为集中在一起的材料缺陷贯通成为一个大的缺陷。这种情况下如果发生过载 还会使得缺陷的周围的疲劳影响区变大。 表面起源裂纹的扩展模型。在水润滑、纯滚动、较低接触表面正压力的 情况下进行的中碳贝氏体钢的滚动实验产生的表面裂纹有别于常见的三种短 裂纹，被称为垂直短裂纹【2 4 1 。垂直短裂纹迅速形成并扩展至距表面一定深度， 之后在相当长的循环次数内( 1 0 43 5 1 0 5 ) 停止扩展；当循环次数达n 3 5 1 0 5 ( 滚动接触疲劳寿命) ，垂直短裂纹重新沿平行试样表面圆周方向扩展。 重新生长的裂纹扩展速度快、裂纹面呈贝壳状，具有长裂纹的特征。对上述 实验现象的分析得出以下结论：一个试样表面的接触区在另一个试样表面的 微凸体的作用下在通过试件转动轴的平面上沿滚动方向产生拉应力，使得垂 直短裂纹产生；由表面粗糙度引起的拉应力从表面向基体随深度增加急剧降 低，因此裂纹扩展到一定深度后停止扩展；接触微平面上沿滚动方向的切应 力在停止扩展的裂纹的端部产生棘轮效应，因此当达到一定循环次数后裂纹 在原有裂纹的端部重新开始扩展；疲劳裂纹的形成被划分成三个阶段：短裂 纹形成、短裂纹扩展、长裂纹扩展。对于高强度钢，短裂纹形成和扩展在工 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 程上又被称为初始疲劳阶段，占整个疲劳寿命的6 0 8 0 。短裂纹还可以被 细分成三种：接触表面上的斜向短裂纹、表面下短裂纹、微结构缺陷短裂纹。 初始裂纹属于短裂纹，二次发展的裂纹是长裂纹。基于这种认识，我们很容 易绘制滚动接触疲的初始裂纹寿命和表面损伤寿命曲线。 2 磨损 对滚滑界面的磨损的研究，一般需要考察法向接触压力的影响。 西南交通大学摩擦学的研究人员在往复滚动试验装置上对车轮钢摩擦磨 损性能进行了系列试验研究： 滚动摩擦特性实验结果表明：受制滚动中，物体发生滚动的预位移随着 滚动阻力的增加而增大；滚动物体从静止到运动的过程中，摩擦因数由小到 大增加，物体运动后，由于运动惯量等的作用摩擦阻力略有降低，之后逐渐 稳定。表面磨损类型的不同对摩擦因数影响较大，以磨粒磨损为主的表面磨 擦因数较小；以粘着磨损为主的表面磨擦因数较大 2 5 。2 7 1 。 钢的含碳量是影响磨损特性的一个重要指标。对不同含碳量的钢材的试 验研究表明，含碳量的改变对材料的摩擦因数基本没有影响，但对材料的磨 损特性影响很大。含碳量的改变可以改变材料的磨损机制( 含碳量较低时， 材料以磨粒磨损为主；随着含碳量的增加，材料的磨损主要是粘着磨损和疲 劳磨损。材料的抗磨损能力迅速增大) 2 8 】。 3 疲劳与磨损的竞争关系 有研究表明：疲劳性能和磨损性能是两种不同的材料特性，并且在轮轨 滚动接触疲劳与磨损之间存在着相互竞争与制约的耦合作用关系：磨损较严 重时，滚动接触疲劳的损伤往往较轻；而当滚动接触疲劳损伤严重时，磨损 又相对轻微【2 引。 g d o n z e l l a 等人，通过将磨损和表面起源的滚动接触疲劳裂纹视作材料 属性和工况的函数，从而建立计算模型，并对裂纹扩展的研究引入了应力集 中因数、材料裂纹扩展门槛值、裂纹扩展率，使用磨损率表征磨损，模拟研 究了滚动接触疲劳与磨损之间的竞争关系。 该计算模型的计算结果与实验结果一致：纯滚动工况下，因超出弹性安 定极限而产生的滚动接触疲劳占主导地位，而磨损很小，去除表面材料的厚 度同裂纹的长度相比可以忽略；滚滑工况下，磨损增加，能够产生大片的金 属剥落和磨掉表面微裂纹；低蠕滑率时磨损率在达到一定循环次数后基本恒 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 定，并且随接触压力增加而增加。 在实际使用中，钢轨绝大部分时间工作在只有很低的蠕滑率的情况下。 钢轨表面的滚动接触疲劳裂纹的成核原因：接触区微凸体的赫兹接触；局部 塑性变形的累积；超出弹性安定极限。裂纹成核后，一旦应力集中因数( s i f ) 超出门槛值，裂纹就开始扩展【30 1 。 4 三种不同起源裂纹的扩展机理 通常车轮的滚动接触疲劳现象表现为三种疲劳裂纹的产生和生长：表面 起源的疲劳裂纹、表面下起源的疲劳裂纹、基体材料缺陷产生的疲劳裂纹。 表面下起源的疲劳裂纹通常形成于踏面下肉眼可见的宏观材料缺陷，车轮表 面下存在的微小材料缺陷可能促进裂纹的生长并影响裂纹的扩展方向，裂纹 扩展或者朝向车轮表面或者朝向车轮的轮轴。 e k al a n s l e r 等人从断裂力学的观点出发，建立二维弹塑性有限元模型对 表面下已经存在疲劳裂纹的车轮进行模拟，对车轮表面下起源裂纹变形力学 行为进行研究【3 1 1 。该模型考虑了裂纹的长度、深度、裂纹面的摩擦、轮轨接 触压力的大小、接触几何对裂纹面的位移的影响。结果显示：裂纹面的切向 位移随裂纹长度的增加而增加；裂纹距表面距离对裂纹面位移有显著的影响： 裂纹面位移随着深度的减小而显著增加；裂纹面位移随着裂纹面摩擦系数的 增加而降低，而较高的裂纹面摩擦系数将产生永久的变形；裂纹面的切向位 移随荷载的增加而增加，而且过载将在裂纹尖端产生屈服：尽管裂纹尖部只 存在有限的塑性区，但是由塑性和裂纹面摩擦产生的变形是永久的。因此以 应力集中因数建立的裂纹扩展系数是片面的，在将来对车轮表面下裂纹扩展 的研究应该考虑裂纹前端的塑性变形。 由于棘轮效应，材料的单向流动常在轨头形成表面起源的裂纹。j o n a sw r i n g s b e r g 运用弹塑性有限元方法和断裂力学理论对在双盘对滚实验中产生 的类似裂纹( 0 0 5 m m 、0 1 m m 、0 2 m m 、0 4 m m ) 进行了研究。计算和实验 模拟的结果显示：三种较短的裂纹会继续平行于表面扩展，而0 4r n l t l 的裂纹 改变扩展方向向表面扩展，产生剥离；并且四种长度的裂纹都与剪切扩展机 理有关【3 2 1 。 5 白层对滚动接触疲劳寿命的影响 白层是摩擦表面常见到的一层与基体组织明显不同的组织形态，它难以 腐蚀，在金相显微镜和扫描电镜下呈白亮色，故称为“白层”或“白亮层”。人 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 们一般认为白层主要是由塑性流动、急冷急热、表面反应所致。在摩擦条件 下，愈是活动的摩擦副和载荷愈大，愈容易形成白层。白层出现在擦伤底部， 在摩擦表面呈白亮块状，在磨屑组织中也曾观察到白层。 滚滑接触表面发生塑性流动一般会在表面产生白层，白层的形成对滚动 接触疲劳有影响。由于白层的脆性，在牵引力存在的情况下，白层内部会产 生裂纹。在珠光体和马氏体的交界处，由于珠光体的堆积和延展到限，也会 产生裂纹。白层下裂纹的扩展行为依赖于次表面珠光体的延展到限。实验发 现采取水润滑的情况下裂纹的长度增加，说明流体压力帮助裂纹扩展。白层 能够加快裂纹扩展，从而降低了钢轨的滚动接触疲劳寿命。 钢轨表面在发生严重的塑性变形时可以形成白层。白层对钢轨表面的滚 动接触疲劳裂纹有影响。c l a y t o n 等人对钢轨的观察发现：白层内部会有裂纹 形成，但是这种裂纹的扩展不会穿越白层；起源于次表面并沿着白层和珠光 体界面扩展的裂纹使磨损加剧【3 引。n i s h i d a e t a l 却发现表面裂纹可以穿越白层 向基体材料扩展，扩展方向在白层与基体材料的界面处基本不发生改变【3 4 1 。 r i c a r r o l l 等人在双盘对滚式试验机上分别对由电焊产生的白层和由塑 性变形产生的白层的试样进行实验，得出结论”5 3 6 】：对于存在塑性变形白层 的试样，在拉剪应力的作用下表面裂纹产生，之后裂纹在白层内迅速扩展至 交界面，并在交界面处改变方向。白层下裂纹的扩展行为依赖于次表面珠光 体的应变历史；对于存在电焊白层的试样，由于塑性变形和材料的延展到限， 裂纹在珠光体内产生并沿白层界面扩展；白层能够增加磨损并加快裂纹扩展， 从而降低了钢轨的滚动接触疲劳寿命。多数裂纹最终产生白层剥离从而使磨 损率变大。贯穿白层进入基体材料的裂纹和白层珠光体界面成核的裂纹能导 致钢轨破坏。 6 表面粗糙度与滚动接触疲劳、磨损的关系 往复滚动磨损试验说明线接触条件下的表面粗糙度对磨损是有影响的。 磨痕分析表明，承载区域接触不均匀，存在虚接触区域，并且大小与表面粗 糙度有关【37 1 。 接触力学一般考虑光滑表面之间相接触的受力和变形问题，但是实际的 轮轨接触，存在一定的粗糙程度。滚动接触过程中，材料在弹性范围内保持 稳定所能承受的最大接触压力被称为安定极限。研究发现，低于安定极限的 工作应力仍然能在表面下几十微米的范围内产生了塑性变形层。但是，按照 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 安定极限理论，材料在低于安定极限的工作应力的循环作用下应该永远保持 弹性。所以进一步研究滚动接触疲劳、磨损的问题，需要考虑接触表面粗糙 度。 一些研究通过实验模拟和理论数值仿真计算，探讨了接触应力低于安定 极限的情况下滚动表面发生塑性流动的机理【3 8 】：由于轮轨接触面总存在一定 的表面粗糙度，使得真实的接触偏离理想光滑表面的赫兹接触：真实表面微 峰之间接触区域的量级只有几个微米；微峰之间相接触，接触压力远大于名 义赫兹接触压力。因此，不但这些局部的接触压力可能超过安定极限，而且 同时会在距离接触表面只有几微米的深度产生最大的剪应力。 7 材料的对比 选择合适的材料作为车轮用材料一直就是一个重要的课题。这方面的主 要工作，是对不同钢种的抗疲劳和磨损性能进行试验研究对比，并且得到许 多具体实用的结果： 对相对珠光体圆盘滑动的珠光体和贝氏体钢滑针的磨损行为的实验发 现：在a i s i1 0 7 0 型珠光体钢滑针相对a i s i1 0 8 5 型珠光体圆盘的滑动实验中， 磨损以粘着磨损和氧化层的剥离为主，磨损率低并且磨损表面相对平整，表 现为一种氧化的磨损；在a i s i1 5 8 3 0 型贝氏体钢滑针相对a i s i1 0 8 5 型珠光体 圆盘的滑动实验中，粘着磨损更加严重。主要原因是微结构的应变强化作用 弱。另外，质量的磨损量高过a i s i1 0 7 0 型珠光体钢滑针相对a i s i1 0 8 5 型珠光 体圆盘的滑动实验三倍，并且表面损伤显著【3 9 1 。 马氏体钢比普通齿轮钢具有更好的力学性能。经过渗碳和细颗粒喷丸的 陈化马氏体钢棍子在滚滑接触条件下表面延展性和磨损的对辊实验研究发 现：马氏体钢辊表面的抗疲劳能力是普通轴承钢的7 0 。通过渗碳处理，马 氏体钢辊表面的硬度增加，而只剩下原来的2 3 。马氏体钢辊表面的碳化物 降低了抗疲劳能力；马氏体钢辊失效形式为剥离，经过渗碳和细颗粒喷丸处 理的马氏体钢辊的失效形式为磨损。经过渗碳处理的马氏体钢辊，裂纹在存 在碳化物( 白层) 、距表面3 0 9 m 范围内产生。有润滑存在时，细颗粒喷丸处 理不一定降低马氏体钢辊的抗疲劳能力【4 0 1 。 碳含量是钢铁材料的重要指标，也有许多研究针对车轮材料中的碳含量 对抗疲劳和磨损的性能的影响进行1 4 0 1 。 一般来说：随着碳含量的增加，钢铁材料( 碳的质量分数在o 和- o 7 范 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 围内变化) 的耐磨性能和接触疲