（机械设计及理论专业论文）钢轨滚动磨损模拟试验与计算分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第i 页 摘要 随着铁路运输向高速与重载方向的迅猛发展，钢轨滚动接触磨损变得越 来越严重，直接影响到列车行车安全和铁路运输的成本。因此，通过研究钢 轨的滚动接触磨损行为，对减轻和预防钢轨的磨损具有重要的经济意义和指 导作用。 论文通过j d 1 轮轨模拟试验机进行了大量的钢轨滚动磨损试验，通过改 变试验参数，主要考察了轴重和曲线半径对钢轨滚动接触磨损行为的影响； 利用c o n t a c t 程序分析了轴重、曲线半径和摩擦系数对轮轨摩擦功的影响。 结合试验与计算结果，初步得出了利用摩擦功模拟计算钢轨试样磨损量的经 验公式，对实验室研究钢轨滚动接触磨损有一定的参考价值。通过以上研究， 得到了以下几个主要结论： 1 轴重是影晌钢轨滚动磨损的一个主要因素，轮轨接触斑上的摩擦功与 轴重成正比，钢轨表面的磨损量也与轴重成正比。 2 曲线半径对钢轨滚动接触磨损也有很大的影响。轮轨接触斑上的摩擦 功随曲线半径的减小迅速增加；摩擦功大小与曲线半径成反比，对应的钢轨 磨损量也与曲线半径成反比。当曲线半径小于6 0 0 m 时，摩擦功的增长幅度 明显增加，此时钢轨表面的磨损迅速加剧。 3 摩擦系数也是造成钢轨磨损的主要因素；随摩擦系数的增加，轮轨摩 擦功迅速增加，因此，在保证有足够粘着力使机车得以正常运行的前提下， 应尽量减小钢轨表面的摩擦系数。 4 ，给出了利用摩擦功模拟计算钢轨磨损量的经验公式，这将在一定程度 上验证和替代实验室内钢轨磨损的模拟试验。 关键词：钢轨；模拟试验；滚动磨损：摩擦功；经验公式 西南交通大学硕士研究生学位论文。第ii 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd 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 nt o w a r dh i g i is p e e da n d h e a v yh a u l ，r o l l i n gc o n t a c tw e a l ；o fr a i lh a sb e i n gb e c o m em o r ea n dm o r es e v e r e a n dh a sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h es a f e t yo ft r a i nr u n n i n ga n dr a i l w a y t r a n s p o r t a t i o nc o s t s oi th a sv e r yi m p o r t a n te c o n o m i cs i g n i f i c a n c ea n dg u i d i n g r o l ef o ra l l e v i a t i n ga n dp r e v e n t i n gt h ew e a l o fr a i lb yi n v e s t i g a t i n gt h er o l l i n g w e a rb e h a v i o ro fr a i l a b u n d a n te x p e r i m e n to fr o l l i n gc o n t a c tw e a ro fr a i lh a sb e e nc a r r i e do n u s i n gaj d 一1w h e e l r a i ls i m u l a t i o nf a c i l i t y t h ee f f e c t so fa x l el o a da n dc u r v e r a d i u so nr o l l i n gw e a rb e h a v i o ro fr a i lh a v eb e e nf o c u s e do i lp a r t i c u l a r l yt h r o u g h c h a n g i n gt e s tp a r a m e t e r s f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c t so fa x l el o a d ，c a l v er a d i u sa n d f r i c t i o nc o e f f i c i e n to nf r i c t i o nw o r ko fw h e e l r a i lh a v eb e e ni n v e s t i g a t e du s i n g c o n t a c tp r o g r a m m e t h r 0 1 l g l ic o m b i n i n ge x p e r i m e n t a la n dc a l c u l a t i o n a l r e s u l t s ，p r e l i m i n a r ye m p i r i c a lf o r m u l ab e t w e e nt h ew e a rv o l u m eo fr a i ls a m p l e a n df r i c t i o nw o r ki sg i v e n t h i ss t u d yh a ss o m er e f e r e n c ev a l u et o w a r ds t u d y i n g r o l l i n gc o n t a c tw e a ro fr a i li nl a b o r a t o r y 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 a x l el o a di sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c i n gf a c t o ro ft h er o l l i n gw e a ro fr a i l t h e r ei sap r o p o r t i o n a lr e l a t i o nb e t w e e nf r i c t i o nw o r ko nt h ec o n t a c tp a t c ho f w h e e l r a i l ，w e a rv o l u m eo fr a i ls a m p l ea n da x l el o a d 2 c u r v er a d i u sp l a y sak e yr o l ei nr o l l i n gw e a rp r o c e s so fr a i l f r i c t i o n w o r ko nt h ec o n t a c tp a t c ho fw h e e l r a i li si n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt oc a r v er a d i u s c o r r e s p o n d i n g l y , t h ew e a rv o l u m eo fr a i ls a m p l ei si n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt o c a r v er a d i u s w h e nt h ec u r v er a d i u si sl e s st h a n6 0 0 m t h ei n c r e a s i n gr a n g eo f f r i c t i o nw o r ki si n c r e a s e de v i d e n t l ya n dt h ew e a ro fr a i li n c r e a s e sr a p i d l y 3 f r i c t i o nc o e f f i c i e n ti sa ni m p o r t a n tf a c t o ro fr o l l i n gw e a ro fr a i l i n c r e a s i n gf r i c t i o nc o e f f i c i e n tw o u l dr e s u l ti nr a p i di n c r e a s ei nf r i c t i o nw o r k s o ， w h e nt h e r ei se n o u g ha d h e s i v ef o r c eo nc o n t a c tp a t c ho fw h e e l r a i lf o rn o r m a l 西南交通大学硕士研究生学位论文 第iii 页 o p e r a t i o no fr o l l i n gs t o c k ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fr a i l s u r f a c es h o u db e d e c r e a s e da sp o s s i b l e 4 t h ee m p i r i c a lf o r m u l ao fs i m u l a t e dw e a rv o l u m eo fr a i l s a m p l eu s i n g f r i c t i o nw o r ki sb e e ng i v e n i tc a l lv e r i f ye x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dr e p l a c es o m e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts t u d yo nr a i ls t e e l si nac e r t a i ne x t e n ti nl a b o r a t o r y k e yw o r d s ：r a i l ；s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ；r o l l i n gw e a r ；f r i c t i o n w o r k ； e m p i r i c a lf o m u l a 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 钢轨滚动接触磨损概述 铁路运输在安全、效率、环保等方面跟公路运输、航空运输相比有着明 显的优势，所以它在世界运输业中具有重要的不可替代的地位。自1 9 6 4 年 1 0 月日本建成世界第一条现代化高速铁路东海新干线开始，高速铁路运 输取得的一系列成就引起世界各国的高度重视，随之又推动了货运重载运输 技术的高速发展【。它们在世界经济建设中发挥着非常重要的作用。但高速 铁路和重载铁路运输的发展也向科学研究提出了一系列的挑战，因此解决铁 路运输业中存在的许多关键技术问题有着重大的意义。 轮轨系统是铁路运输工具的关键零部件，列车启动、运行和制动都必须 通过轮轨之间的滚动摩擦接触来实现1 2 1 。而轮轨之间的磨损是铁路运输中耗 资最大的一个问题。随着列车速度、动量和轴重的提高，钢轨出现的破坏现 象变得越来越严重，我国每年用于更换和维修损伤钢轨的经费达几十亿人民 币【3 1 。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。因此，钢轨磨损问题的研究变得越来 越重要，它直接影响到列车行车安全和铁路运输成本。 1 1 1 钢轨滚动接触磨损类型 分析钢轨与车轮的磨损损伤行为，研究减轻钢轨与车轮磨损的对策，具 有重要的现实意义。钢轨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、波浪形磨损等。这四种主要损伤类型占全部钢轨损伤量的8 0 以上。 1 ) 侧面磨损 钢轨侧磨是曲线段钢轨的主要损伤类型。特别在一些山区铁路线上，钢 轨侧磨是曲线段钢轨更换的决定性因素。车轮在曲线钢轨上运行时，导向轮 西南交通大学硕士研究生学位论文7第2 页 由于惯性力的作用往往会发生轮缘与轨侧贴靠，远离回转轴线的轮缘与轨侧 接触点处必然会产生剧烈磨损。通过长期观察与研究认为，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，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。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。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。 2 ) 剥离磨损 塑性变形的累积增加会在材料的表面和次表面形成微观裂纹。在较大法 向和切向应力作用下，微观裂纹将继续扩大并形成鱼鳞状裂纹分布在钢轨表 面上，即“龟裂”现象j 4 j 。当钢轨表面出现龟裂现象后如果不及时处理，表面 裂纹将向钢轨体内沿着运动方向扩展，从而形成剥离磨损。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。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。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。在现场应用中还发现， 在预防钢轨其他损伤时采用的如轨面硬化、轨侧涂油等方法会导致钢轨剥离 现象的增加。轨面硬化的原因是造成了表面硬化组织与基体组织结合薄弱； 轨侧涂油是由于油进入钢轨表面裂纹后，在压力作用下会加速裂纹扩展。 3 ) 钢轨压溃 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。机车轴重和速度的提高是现代铁路运输的发展方向。 在大轴重的作用下，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，这主要得益于下述两 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进一步发展；二是初始的塑性变形会增加接 触区域的面积，这也降低轮轨表面的接触应力值，因而也减少了轮轨表面进 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 一步发生屈服的可能性【5 矧。j o h n s o n 研究表明【7 l ，对处于磨耗状态的钢轨，可 以用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。 4 ) 波浪形磨损 波浪形磨损是指钢轨使用一段时间以后，钢轨轨顶面沿纵向出现的类似 波浪形状的不平顺现象，简称波磨。它也是钢轨踏面的一种主要损伤形式。 钢轨波磨问题是轮轨相互作用过程中极其复杂的系统问题，它是涉及轮轨系 统的动力学、力学、摩擦学、轮轨表面的物理和化学作用及材料的特性等多 种学科的典型的交叉学科问题。z a r e m b s k i f 8 l 和g r a s s i e l 9 l 对不同的波磨特点提 出了重载波磨、轻轨波磨、轨枕振动、接触疲劳波磨、车轮压痕及响轨等6 种形式的波磨，其波长及相应机理见表1 - 1 。 表1 - 1 波磨的类型及特征 类型 波长( r a m ) ” 波长确定机理损伤机理 重载波磨 2 0 0 3 0 0 p 2 力共振波谷塑性变形 轻轨波磨 5 0 0 1 5 0 0 p 2 力共振塑性弯曲 4 5 - 6 0轨枕共振波谷侧面磨损 轨枕振动 5 1 - 7 5 轮对弯曲共振波峰塑性变形 接触疲劳 1 5 0 - 4 5 0 p 2 力共振滚动接触疲劳 5 0轮对扭转共振 车轮压痕 2 0 0波峰垂向冲击力波谷纵向振动磨损 1 5 0 - 4 5 0 例如p 2 力 响轨2 5 - 8 0 未知波谷纵向滑动磨损 钢轨波磨的形式多种多样，各国学者根据不同的实际波磨形式提出了相 应的波磨理论。总体来说，波磨成因理论可以分为动力类成因理论和非动力 类成因理论两大类【”l 。前者认为轮轨系统振动使波磨产生，波磨波长与轮轨 系统中某一或几种振动形式相关联；后者则认为即使轮轨作用力为常值，不 均匀塑性流动或磨损等原因也会形成波磨，波磨的波长是随机的。我国铁路 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 钢轨波磨主要是由于轨面不均匀塑性变形形成，其主要形成机理是1 1 1 l ，车轮 在轨道上运行，当车轮受到外界激励振动时，会使轮轨之间接触应力形成波 动。钢轨波磨的形成与否取决于钢轨材料的安定极限值，因此可以在切向力 较大的制动、启动和曲线区段采用高屈服强度的钢轨，以减小钢轨波磨。另 外，进行钢轨面打磨，在合适的地段采用强度与硬度较高的热处理钢轨，增 加轨枕与道床弹性等对整治或减缓钢轨波磨有一定成效i l “。 1 1 2 钢轨滚动接触磨损的危害 钢轨磨损造成的危害主要体现在经济效益上，它是铁路运输中耗资最大 的一个问题。调查显示，十年前仅每年更换曲线钢轨的费用就超过1 0 亿元。 除了人工、材料等的消耗外，另外也因此影响到了线路上机车的正常运行。 随着我国铁路六次大提速的实旌和重载运输的迅猛发展，磨损范围不断扩大， 磨损率也有所增加，它造成的破坏和损耗也将更为严重。 钢轨磨损根据其破坏的方式不同，其所造成的危害也有所区别。侧磨使 车轮和钢轨的磨损加剧，使用寿命降低，在投入使用很短的时间后就需要更 换，经济效益低下。给运输带来的干扰也造成效益的降低。钢轨压溃主要发 生在重载线路上，它使轨道破坏与钢轨的伤损速率加快，使得轨道日常养护 工作量加大，轨道的维修周期和线路的大、中修周期也相应减短，也造成经 济效益的低下。 钢轨剥离对其使用寿命也有非常大的影响，剥离发展到一定程度会造成 钢轨重伤或是形成钢轨的核伤。在我国，曲线路段剥离严重。而在日本，一 些直线路段的剥离情况也十分严重。 当钢轨出现剥离掉块，车轮经过时会产生跳动并同时反作用于铜轨。周 期性的冲击引起整个轮轨系统的剧烈振动，增加了轮轨问的相互作用力，使 机车车辆和轨道各部件都承受激烈的动载荷作用。轨道的剧烈振动，会使路 基遭受破坏，道碴粉化，道床板结，并且使轨道连结扣件松动，道钉折断， 线路的各部件损坏率上升，从而显著缩减轨道和车辆相关部件的耐久性和使 用寿命【1 3 j 。同时振动也会加速其它行走部件的磨耗和损坏，严重时还会破坏 机车轴承，引发燃轴事故，造成无法想象的严重后果。 另外，剥离使机车在运行中产生的振动与冲击很大时，会严重影响到乘 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 客乘座的舒适性，也是机车行车安全潜在的威胁。振动与冲击还地使轮轨接 触表面产生巨大的噪声，在铁路沿线形成很大的噪声污染，将会严重影响到 线路两侧居民的身心健康【1 4 】。 钢轨的波浪形磨损是一种普遍存在的铁路钢轨损伤形式。轨面波磨一般 长达几十米，占线路的比例较大，而且使用寿命比较短。调查表明：都匀工 务段管辖的黔桂线8 以上是波磨轨，平均使用寿命为6 年；杭州工务段管 辖下的沪杭线上4 0 的线路上发生过钢轨波磨，平均使用寿命为7 年；石太 线也有4 0 以上的线路发生过钢轨波磨，平均使用寿命仅为2 5 年1 1 5 】。 钢轨波磨的危害主要体现在：( 1 ) 降低了钢轨的使用寿命，由于波磨轨 占的比重较大，铁道部门必要花费大量的资金进行线路波磨轨的更换；而当 更换不及时致使一些区段的波磨轨深度达到4 m m 时，将会严重地威胁到列 车的运行安全；( 2 ) 波磨造成的轨面不平顺引起机车车辆的剧烈振动和急剧 增长的垂向相互作用力，这会引起钢轨扣件松动，轨枕下沉，道碴粉化等。 为了维持正常的铁路运输，工务部门就必须加大维修工作量。对波磨线路检 查的加强，道床清筛次数的增加，轨道上零部件损坏率的增加，都会形成线 路上维修费用的增长：( 3 ) 为了确保列车运行安全，在波磨轨区段会因此减 速行驶。还常常造成运输中断。轨面不平顺引起的运行阻力增大，动力损耗 增加，乘座舒适性的降低等，这些都会带来不必要的经济损失。 1 2 滚动接触磨损形成机理 不同类型的滚动接触磨损其形成的机理也会有所不同，一种降低某类型 磨损的措施可能会造成另一种类型磨损的加剧。通过研究它们各自的成因以 及发展趋势，可以为在实际中预防或减缓磨损的形成，根据磨损的发展趋势 采取相应的对策提供很好的理论依据： 1 ) 侧面磨损 当车轮在钢轨上运行时，由于车轮踏面上有斜度和轮缘，在钢轨的导向 作用下，一般轮轨间表现为一点接触，即车轮踏面与钢轨顶面之间相接触。 当机车车辆在曲线轨道上行驶时，曲线外轨侧车轮走的距离比曲线内轨侧车 轮走的距离要长，这时车轮踏面上的斜度能够调整内外轨上瞬时车轮直径的 大小，并起到导向作用。但当运行速度较快时，由于惯性力的作用往往引起 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 导向轮的轮缘与轨侧发生贴靠，机车导向由轮缘来完成，形成两点接触。此 时车轮绕瞬时转动中心轴转动，车轮轮缘与钢轨侧面的接触点处轮轨接触面 会有较大的相对滑动量，造成轮缘和轨侧的剧烈磨损。而且当轮缘接触点与 踏面接触点的垂向距离越大时，轮轨间摩擦越严重。因此，为了减少钢轨轨 侧磨损，在轮轨型面设计时应该尽量避免两点接触的发生，并尽可能减小两 点接触之间的垂向距离。 由此可知，轮缘导向力的作用是钢轨侧磨的一个重要因素，尤其在小曲 线半径大坡道地段，外轨侧面磨耗常常成为支配钢轨使用寿命的决定因素。 2 ) 剥离磨损 车轮在钢轨上运行，钢轨会经受连续的轮轨接触应力的作用。一般认为， 轮轨接触面为弹性变形的椭圆形。此椭圆形接触面符合赫兹接触理论，接触 面经受由轴重引起的垂向力作用。在垂向力作用下，轮轨接触面上产生接触 压应力和剪切应力，其中最大剪切应力是裂纹萌生和扩展的主要原因。当轮 轨接触应力超过钢轨材料的屈服极限值时，材料发生塑性变形，变形达到一 定程度后，由于变形区加工硬化的作用，新的塑性变形将不再产生，从而达 到一个相对的稳定状态。塑性变形层的深度与接触区的应力分布和踏面的材 质密切相关。钢轨表面在接触载荷的反复作用下，塑性变形累积增加并产生 疲劳破坏，在材料的表面和次表面形成微观裂纹。在较大法向和切向应力作 用下，微观裂纹将扩大并形成鱼鳞状裂纹分布在钢轨表面，即“龟裂”现象。 当鱼鳞状裂纹形成后，如果不能及时采取相应的措施进行处理，裂纹将沿着 其运动方向向钢轨体内扩展。终将形成大块剥离，造成更大的危害和破坏。 裂纹也会在材料里面的夹杂物处开始萌生并扩展。当在钢轨表面或是次 表面的某个位置存在夹杂物时，在轮轨接触应力作用下产生的塑性变形由于 夹杂物的存在而受到阻碍，因而在阻碍处产生应力集中。由于应力集中的作 用，裂纹很容易在夹杂物区域处产生并扩展，最终导致剥离现象的发生。 钢轨剥离主要是因为表面摩擦力作用而导致。随着摩擦力的增长，材科 表面的剥离现象更为严重，剥离的磨屑更大。文献【1 6 j 进行了不同摩擦力下的 滚动摩擦实验，然后对磨痕用扫描电镜进行微观分析验证了这个观点。实验 研究表明滚动过程中的磨损以复合形式出现。并且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，磨损以磨粒磨损为主； 随着摩擦力增加，粘着磨损加剧，成为主要的磨损类型，磨损量增加，磨屑 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 主要为剥离块。 3 ) 钢轨压渍 钢轨压溃损伤主要出现在重载铁路运输线路上，而开行大轴重货车是提 高线路运输能力和经济效益的需要，是铁路发展的必然趋势。2 0 0 3 年国际重 载专家技术会议上的数据显示，重载铁路最大轴重已达3 5 5 吨，列车的牵引 质量普遍在2 万吨左右，并且有向更重方向发展的趋势。因此研究钢轨压 溃的机理具有很大的价值。 钢轨压溃是由于钢轨表面连续的塑性变形导致，在大轴重的作用下，直 线和曲线上的钢轨由于棘轮作用会发生塑性流动，塑性流动的深度可以达到 1 5 m m 。而且随着钢轨材料硬度值的减少塑性流动剧增【1 8 l ，采用高硬度的钢 轨可减轻塑性流动的问题。钢轨的承载能力确保钢轨在弹性范围内工作。一 般情况下，由于钢轨承载量大，接触区域小，初始的接触会造成轮轨表面局 部的塑性变形。在塑性变形较小时，并不会导致钢轨表面连续的塑性流动形 成破坏，影响列车的正常运行。这主要是因为初始的塑性变形在钢轨表面形 成较大的残余应力分布，抑制了钢轨表面塑性变形的进一步发生；另外在初 始的塑性变形产生后，钢轨表面接触点曲率半径的增大会增加接触区域的面 积，从而降低轮轨间的接触应力，减少接触表面进一步发生屈服的可能性 1 9 - 2 0 i 。 在文献【5 】中，对于磨耗状态的钢轨，采用安定极限值作为是否发生钢轨 压渍的判剐依据。按照弹塑性理论，钢轨表面受在给定范围里变化的反复载 荷作用，在局部地区发生塑性变形并逐步形成一个残余应力分布。在有限次 作用后，残余应力趋于稳定。如果此后残余应力与外加载荷所引起的应力叠 加在任意点处都处于弹性范围以内，将不再有新的塑性变形产生，则这个给 定反复载荷的最大值就是钢轨的安定极限载荷。如果载荷超过屈服极限但小 于安定极限时，最初产生的塑性变形会在反复的加载卸载作用下慢慢消失； 面载荷超过安定极限后，塑性变形将会无休止地向前发展，材料发生塑性流 动，即为钢轨压溃。文章采用m e l a n 定理计算出了钢轨安定极限值的近似解。 即安定极限值应满足下式： 一2 ( + ) 5 半 ( 1 - 1 ) f 。、f 。为残余应力与载荷作用引起的接触应力，：为假定钢轨屈服极 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 限。 4 ) 波浪形磨损 钢轨的波浪形磨损是一种很普遍的钢轨损伤形式，从1 8 9 5 年在印度铁路 上首次发现，至今已有1 0 0 多年。但是它对铁路及机车车辆产生的破坏在近 3 0 年才开始显得突出，不但发展非常迅速，而且分布面也越来越广，因而也 得到了国内外的普遍重视。在近几届的国际轮轨接触力学与磨损研讨会以及 国际轮轴大会上，都把波磨问题作为大会讨论的主要议题。1 9 9 9 年在俄罗斯 召开的国际重载会议和2 0 0 0 年在闩本召开的c m 2 0 0 0 会议也重点讨论了波 磨产生的机理和防治问题。自钢轨波磨这一概念出现后，各国围绕波磨的成 因、发展、影响及治理做了大量的研究工作，形成了许多各种有价值的波磨 成因理论。由于波磨的萌生及发展是产生在轮轨接触界面上，它是机车车辆 系统和轨道系统相互作用的结果，涉及的很多可能的影响因素都是研究波磨 的出发点。z a r e m b s k i 和g r a s s i e 等【2 卜2 2 】按钢轨损伤形式和波长确定机理将波 磨进行了分类，总结了相应的失效机理和对策。按钢轨波磨的形成机理也大 致可以概括分为动力和非动力因素两大类【2 3 以们，如表1 2 所示。动力因素是 导致钢轨波磨的外因，后者则与钢轨材质及冶炼加工工艺有关，是钢孰产生 波磨的主要内因。金学松等【2 】尝试将波磨成因从以下几个方面来进行了讨论： 自激振动理论、反馈振动理论、接触疲劳理论和从钢轨冶金生产过程来分析 的其他理论。 表1 - 2 波磨成因理论分类 波磨成因理论 分类 轮轨接触共振理论( 共振，反馈) 轮轨垂向共振理论( 反馈、共振) r 轮对横向振动理论( 共振、反馈) 动力类成因 轮对振动 轮对弯曲振动理论( 自激、反馈) l 轮对扭转振动理论( 自激、反馈) 磨耗功波动理论( 自激、反馈、共振) 钢轨冶金性能理论 残余应力理论 非动力类成因磨损及锈蚀理论 不均匀塑流理论 接触疲劳理论 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 这些波磨理论主要是根据车辆动力学理论和接触力学理论建立分析模 型，主要是进行理论分析。如h e m p e l m a n n 等【2 7 l 用轮轨接触磨耗反馈的方法， 建立了接触表面在磨耗反馈作用下波磨形成的数学模型；s u d a t 2 s 1 分析了塑流 形波磨的成因，建立了塑流形波磨分析模型等。这些模型在建立过程中都经 过数学加工，其正确性有待试验的检验。 张立民等【2 9 】根据菲线性振动理论和赫兹理论，分析了钢轨波磨与轮轨纵 向自激振动幅值和接触椭圆纵向轴长之间的关系。认为钢轨波磨产生的机理 是因为轮对自激振动幅值大于接触椭圆纵向轴长，对于实际的轮轨系统，波 磨产生的条件是轮对横移量大于临界值。根据这个理论他们对波磨形成的过 程进行了仿真计算并设计了再现试验。 刘启跃等【2 9 l 通过对现场获取的波磨钢轨进行金相、硬度试验分析，对钢 轨波磨的形成机理进行了探讨。发现钢轨波磨主要是因为轨面的不均匀塑性 变形所致。机车车辆结构的相似和列车运行速度的趋近将加速钢轨波磨的产 生。另外在波磨的实验室模拟试验中， 究分析，得出了一些相关的结论【3 0 l 。 由于波磨形成的的原因十分复杂， 波磨现象。 1 3 滚动接触磨损的减缓措施 1 3 1 改善运行状况 通过对振动功率谱、波磨现象进行研 迄今为止还没有一种理论能解释各种 导致车轮及钢轨出现磨损现象的原因非常复杂，而车辆与钢轨之间的粘 着一蠕滑特性对轮轨磨损的影响最大。在轮轨粘着的主要影响因素中，钢轨的 表面状态及运行的周边环境状况占主要地位。就温度、轨面润滑情况对轮轨 粘着特性的影响，国内外进行了大量的分析和研究。轨面上的水和油介质能 使粘着系数显著降低，其它诸如树叶、泥土、轨面上的铁锈磨屑对轮轨粘着 也有显著的影响。 由于车轮和钢轨之间的实际接触过程是一个集合了材料、润滑、车辆动 力学等众多学科的复杂过程，对于如何改善轮轨接触的工作状况，世界各国 的研究主要都很集中在试验研究方面。也正因为轮轨接触的复杂性，实验室 对轮轨实际运行工况的模拟还完全处于初等阶段。目前的研究大都只考虑了 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 单一因素对轮轨粘着蠕滑特性的影响，与实际工况相比还相去甚远。要想在 实验室真实再现轮轨实际运行工况成为可能，在更多采集现场数据的同时， 还需要进行大量的试验研究，以及对各影响因素试验数据的理论研究。 目前所有改进粘着的方法可分为两大类p l j ：一是修正表面条件，可同时 修正轮与轨( 利用轮轨滑移) 或只修正车轮( 以摩擦块增加磨擦) 或只修正钢轨 ( 电磁制动) ；二是往钢轨上铺撤某种物质，来抵消污染( 砂、刚玉等) 或去 除污染( 用水洗涤、喷去污剂等) 。 1 3 2 优化轮轨几何型面匹配 机车车辆在铁路轨道上运行，轮轨的接触型面状况起着关键作用。轮轨 之间的接触几何关系问题，也是研究轮轨摩擦学的基本问题之一。轮轨接触 型面时匹配情况，直接或阃接地影响到车轮在轨道上的直线运行、曲线通过、 轮轨损伤以及列车运行稳定性等方面的性能。随着铁路运输向高速重载方向 的发展，轮轨各种损伤形式都变得更为严重，其原因主要是由于过大的轮轨 接触应力引起。从文献【2 】可知，轮轨接触应力可通过下式计算： 1 5 ，一。而 ( 1 - 2 ) 式中w 为轮重，a 、b 分别为轮轨接触椭圆斑的长短轴半径。由上式可 以看出，轮轨接触应力的大小与轮重成正比，与轮轨接触斑的面积成反比。 由于轮轨型面是由多条不同半径的圆弧和直线构成，机车车轮在钢轨上作回 转运动，因此要精确确定轮轨三维滚动接触状态下的几何参数是相当困难的。 在2 0 世纪7 0 年代人们通过简化轮轨接触几何型面给出了解析解，但在精度 上它们还远远不能满足研究车辆轨道动力学和轮轨关系问题的要求。8 0 年 代以后，借助计算机通过数值方法来计算轮轨接触几何参数或设计最佳轮轨 型面得到了很大的发展i n - 3 引。 1 3 3 轮轨材料的选择 在钢轨磨损的影响因素中，接触材料的硬度、韧度及热性能等也起着重 要的作用。钢轨强度对磨损有直接的影响，普碳钢强度级别低，容易在钢轨 接触表面形成各种破坏，特别是曲线地段更为严重。钢轨淬火能提高钢轨强 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 度、韧性、耐磨性等，是延长使用寿命的有效途径。但由于淬火工艺参数难 以控制，从经济效益出发，也不可能在所有线路上选择高强度高品质的钢轨。 目前国内所用的钢轨材质主要是p d 3 、u 7 1 m n 、b n b r e 几种，根据线路运输 条件的差别，可以在不同的线路上选择使用不同材质的钢轨。文献根据我 国钢轨的使用情况和国外的一些使用经验，对我国钢轨的使用和发展提出了 下列建议：1 ) 建立钢轨强度系列，适应运输发展需要。为了适应线路大提速、 列车对数及运行密度的提高、准高速线路的开行及运煤专线的需要，应根据 线路的不同情况，在强度上形成中强、高强、超高强度的钢轨系列；2 ) 尽快 确定优质高强和超高强度钢轨的材质和热处理工艺。根据我国钢轨使用经验， 6 0 k g m 以上重轨必须全部进行全长热处理，屈服强度要求达到8 2 0 9 0 0 m p a ；超高强度钢轨则宜采用微合金钢轨或稀土轨并经全长淬火热处理， 屈服强度大于1 2 0 0 m p a ：3 ) 建立钢轨分级公用制度，延长钢轨使用寿命。 对重型、优质、高强钢轨，在大约使用到寿命的2 3 时，经撤换、整修后可 以改用到次一级线路，这样能减少中型与次重型钢轨的产量，使用钢轨得到 合理使用，延长钢轨使用寿命。 为了提高钢轨与车轮的抗磨损性能，在提高轮轨的强度与表面硬度的同 时，也要考虑轮轨材料的相互匹配问题。从材料的抗粘着性能考虑，一般选 用两固态互溶性低的材料。另外材料熔点、再结晶温度，相组织结构、材料 表面硬度等都对粘着效应有一定影响。车轮与钢轨的匹配问题还必须考虑两 种材料的应用背景，车轮的维护相对钢轨的更换或修复更为经济方便，因此 对车轮进行强化必须考虑钢轨的承受能力：另一方面，当钢轨强度提高时也 应考虑适当提高车轮的强度，以免出现车轮磨损加剧的现象。 1 3 4 轮轨润滑和钢轨打磨 磨损作为一种物理现象，并不可能完全避免。除了结构、设计等方面的 措施，一些预防性的维修养护方法也能达到减缓钢轨磨损的目的。轮轨润滑 是一种投资少、见效快的有效方法，能迅速减小轮缘和轨侧的磨损，延长钢 轨的使用寿命。轮轨间的润滑方式是通过第三介质作用，在轮轨的表面形成 边界润滑膜。当轮轨相互作用时，其摩擦过程主要在边界膜层内发生。由于 润滑膜具有较小的剪切强度，这样可以大大减小轮轨间的滑动阻力，直到保 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 护金属表面的作用，大幅度降低轮轨问的磨损。轮缘与轨侧的润滑方式主要 有轨道涂( 喷) 油与轮缘涂( 喷) 油。采用润滑措施后，轮缘与轨侧的减磨 效果十分显著，一般可延长钢轨、车轮使用寿命2 1 0 倍。涂油后还能显著 降低摩擦阻力，减小能耗，节能效益可以达到1 5 【3 5 】。由此可见，轮轨润滑 的经济与社会效益是十分可观的。文献1 3 6 介绍了一种合成减磨剂能有效降 低接触界面的摩擦系数来减小钢轨磨耗，它主要研究减磨剂和钢轨表面氧化 物以及油脂等的相互作用对切变强度的影响。 钢轨打磨技术的应用对减缓钢轨的磨损也起到了十分重要的作用。当轨 面伤损出现后，如果不及时进行整治，损伤的迅速发展将会造成严重的破坏。 而随意拆换钢轨明显是不经济的办法。钢轨打磨是通过砂轮磨削清除轨头表 面金属的过程，通过现场打磨对轨面进行修复，消除轨面伤损或进行有效抑 制，是一种非常经济实用的手段。它作为线路养护维修中的一种重要方得到 了广泛的应用，并取得了巨大的经济效益。目前，钢轨打磨已经成为清除钢 轨病害的主要措施，一般可分为修复性打磨和预防性打磨两大类。在钢轨的 不同地段或对应钢轨的不同损伤形式，打磨的选择也有所区别。例如在曲线 区段采用轨头非对称打磨是比较有效的措施之一。实践证明。钢轨打磨无论 从技术还是经济效益方面看都是有益的手段。它的优点主要表现在：1 ) 使钢 轨的使用寿命延长了5 0 1 0 0 ：2 ) 减小了轮轨之间的振动，随着轨道稳 定性的提升而降低了线路与机车车辆的维修费用；3 ) 使轮轨粘着得到改善， 减小了轮轨摩擦阻力，降低了能耗；4 ) 噪声与振动的降低提高了乘客的舒适 度。 1 4 研究意义及内容 1 4 1 论文的研究意义 轮轨间的磨损是铁路运输中耗资最大的一个问题。随着列车运行密度的 提高以及铁路运输向高速重载方向的迅速发展，钢轨滚动接触磨损日趋严重， 很大地影响到铁路运输效率与经济效益的提高。由于钢轨磨损的破坏形式多 种多样，其主要影响因素也各有不同，因而加强对钢轨磨损形成机理和预防 措施的研究，具有十分重要的社会意义和经济意义。 本文通过在轮轨模拟试验机上进行的钢轨磨损模拟试验，与c o n t a c t 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 程序的计算结果相结合，根据摩擦功与磨损量之间的对应关系，得到在已知 摩擦功时计算磨损量的模拟计算公式。根据此公式可以对实际工况中的钢轨 磨损情况和钢轨使用寿命进行预测，对钢轨的安全有效使用有一定的参考价 值。得出的钢轨试样磨损量的经验计算公式，是在这方面研究的一个有益尝 试，能在一定程度上验证和替代钢轨磨损试验，有效降低实验室研究钢轨磨 损时的工作量。 1 4 2 论文主要研究内容 论文首先在实验室模拟了不同工况下的轮轨滚动接触磨损行为，主要研 究了在其它参数不变时，轴重和曲线半径的变化对钢轨试样磨损量的影响， 并对实验结果进行了系统分析。 利用c o n t a c t 程序计算了不同工况下的轮轨蠕滑力、应力、黏滑区分 布及摩擦功情况，重点分析了轴重、曲线半径和摩擦系数对轮轨摩擦功的影 响。根据摩擦功与钢轨磨损量之间的对应关系，把模拟实验结果与数值计算 结果进行有机联系，对摩擦功与磨损量间的关系函数进行拟合，得到在已知 摩擦功的情况时，计算对应工况下磨损量的模拟计算公式。根据所得公式可 以对钢轨表面磨损量进行模拟计算。 在进行量纲分析的基础上，定性分析了轴重、曲线半径、材料硬度和滚 压长度等对试验中试样磨损量的影响，给出了实验室条件下钢软磨损量的经 验计算公式，可用来计算在实验室模拟条件下，轴重和曲线半径等不同试验 参数变化时钢轨试样的磨损量大小。对试样磨损量随轴重变化的函数进行了 拟合计算，并确定了系数c 的值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第2 章轮轨模拟试验简介 2 1 模拟试验概述 2 1 1j d - 1 轮轨摩擦试验机 j d 一1 轮轨摩擦试验机是西南交通大学于1 9 8 6 年研制出的国内第一台轮 轨摩擦学模拟实验机，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1 5 1 。其主机总体布置如图2 1 所示。试验机主体由基础平台、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l ，4 1 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，则可获得不同的切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 c _ 变速箱 1 一垂直加载油缸；2 一加载装置小车；3 心轴与轭架；扛万向轴； s 一模拟小轮试样；6 一模拟试样芯轴；7 模拟丈轮；8 一油缸悬挂粱； 9 一回转平台； 1 基础平台 1 1 一制动力压电式传感器： 1 2 - 测建电机 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15 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。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、制动工况以及纯滚动工况； 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) 匹配摩擦学特性研究； 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： ( q 。乙。) 俐 ( 2 1 ) l 一l( 2 2 ) 其中：0 d ) 舢，国口) 缸l 于一分别为实验室和现场轮轨间的最大接触应力； ( a b ) l 。b ，( a ，b ) 删寸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 试验参数计算 1 ) 模拟试验载荷的确定 轮轨接触应力的计算，一般采用由赫兹弹性理论推导的经验公式来进行 计算，接触区域的表面形状为椭圆形状，并且接触区应力是按半椭圆球体规 堕堕至塑查堂堡主堡窒圭兰堡笙堑笪! 曼夏 则分布的，最大压应力q d 位于接触区域中心，由赫兹关于弹性物体接触的弹 性解计算可得：轮轨接触区椭圆的长、短半轴和最大接触应力的计算公式分 别为： 接触椭圆长半轴：4 一口 接触椭圆短半轴：b 一声 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 最大接触应力：鼋。一丽3 p ( 2 - 5 ) 以上各参数的含义如下： p _ - 实验室中的垂向载荷，用来模拟现场的轴重； e l 、e ：、a 。、p ：分别为轮轨材料的弹性模量和横向变形系数( 泊松比) ， 由前面论述可知实验室的模拟轮轨试件和现场所用的轮轨材料相同，因此它 们的弹性模量和变形系数也相等。 瓜& 2 寺r +