（道路与铁道工程专业论文）重载快速大运量区段P60钢轨表面伤损成因研究.pdf

同济大学硕士学位论文重载快速大运量区段p 6 0 钢轨表面伤损成因研究 重载快速大运量区段p 6 0 钢轨表面伤损成因研究 摘要 钢轨伤损不能完全消除 但能有效预防和控制 随着重载快速的实施 钢轨伤 损病害更加突出 发展更加迅速 本文重点分析了钢轨伤损的成因 减缓钢轨伤 损发展的措施 主要研究工作如下 首先 本文在现有研究成果的基础上 通过对津浦 沪宁 沪杭等繁忙干 线上的钢轨表面伤损情况进行大量的现场调查 对现有的钢轨伤损成因理论 进行比较系统的总结 分类和评述 揭示关于钢轨伤损成因问题研究的发展 趋势 总结了钢轨鱼鳞伤 剥离掉块 曲线不均匀侧磨 直线交替型侧磨 接头波形磨耗发生发展规律及主要基本特征 因为钢轨伤损类型不同 其研 究和分析的方法也不同 本文运用轮轨接几何学理论 轮轨滑动接触理论 轮轨磨擦学理论和轮轨耦合动力学理论 对重载快速大运量区段钢轨表面伤 损的基本特征 发生和发展规律 影响因素及预防减缓措施进行更系统 更 全面 更深入的探索 其次 针对现有钢轨伤损分析模型比较简化 考虑因素单一等缺陷 利 用 车辆一轨道耦合系统垂向 横向振动模型 对影响钢轨伤损的动力因 素进行仿真计算 既考虑了轮对横移量和摇头角的影响 还考虑了钢轨的垂 向位移 横向位移及钢轨扭转角的影响 并考虑了左右不对称情况 在求解 法向力时 通过v i c t 程序进行仿真计算 从而实现了法向力和蠕滑力分开 求解 在求解轮轨蠕滑力时 首先按k a l k e r 线性理论确定蠕滑力 然后再 按j o h n s o n v e r m m l e n 方法进行非线性纠正 另外 考虑了垂向和横向不平顺 对轮轨接触几何关系和轮轨蠕滑率的影响 在计算横向力时 根据车辆非线 性通过理论 利用目前先进的车辆一轨道耦合动力学软件程序仿真计算横向 力的大小 这样 使模型更加贴近真实情况 使计算数据具有良好的可靠性 对轮轨系统空间耦合振动相关问题具有普遍的适用性 更符合客观实际的要 求 在计算分析模型的应用上具有一定的先进性 是钢轨表面伤损研究方面 的进一步拓展 最后 重点分析了轮轨系统中 轨道 车辆和非动力因素三个方面1 6 个因素对钢轨表面伤损形成和发展的影响关系 阐述了钢轨表面伤损对铁路 安全性 平稳性和经济性的影响 提出了预防和延缓钢轨表面伤损的具体措 施 这些措施切实可行 富有成效 并在生产实践中运用 对生产实际具有 良好的指导作用 关键词 铁路 轨道 轮轨作用力 轮轨耦合动力学模型 钢轨表面 伤损 预防减缓措施 同济大学硕士学位论文重载快速大运量区段p 6 0 钢轨表面伤损成因研究 r e s e a r c ho ft h ec a u s e si n d u c e dt h e6 0 k g mr a i ls u r f a c ed e f e c t so n h e a v y h a u la n df a s ts p e e dr a i l w a y a b s tr a c t t h er a i ld e f e c tc a n n o tb ee l i m i n a t e d b u tc a nb ea l l e v i a t e d 矾t ht h er a i s i n go f t r a i ns p e e da n dt h ee n h a n c i n go fr a i l w a yt r a 伍c t h er a i ld e f e c t sw i l lo c c u rm o r e f r e q u e n t l y a n dd e v e l o pm o r er a p i d l y t h i sp a p e r sa i mi st oa n a l y z et h ec a u s e st h a t i n d u c er a i ld e f e c t s a n dw h a tm e a s u r e sc a na l l e v i a t et h er a i ld e f e c td e v e l o p i n g s o 也e p h e n o m e n ao fr a i ls u r f a c ed e f e c t sw a r ed i s c u s s e da n ds o m em e a s u r e sf o ra l l e v i a t i n g t h ed e f e e t sw e r ep u tf o r w a r da tt h ep a p e re n d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea s f o l l o w i n g a tf i r s t a c c o r d i n gt ot h el a r g eq u a n t i t yo f6 0 k g mr a i ls u r f a c ed e f e c t sd a t ag o t t e n b yi n v e s t i g a t i n gt h et i a n j i n p u k o u s h a n g h a i n a n j i n ga n ds h a n g h a i h a n g z h o uh e a v y t r a f f i cm a i nr a i l w a y t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ev a r i o u sr a i ls u r f a c ed e f e c t so nt h e h e a v y h a u la n df a s ts p e e dr a i l w a y a n dc l a s s i f i e dt h e mi n t os e v e r a lt y p e s t h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i e sa n dd e v e l o p m e n tr u l eo fr a i lc o m e rf i n ec r a c k s s h e l l i n g u n e v e ns i d e w e a ro fr a i lo nc u r v e s a l t e r n a t i n gs i d ew e a ro fr a i lo ns t r a i g h tt r a c ka n dt h e c o r r u g a t i o nn e a rt h er a i li o i n t sa l es u m m a r i z e d b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n tt y p ed e f e c t s t h ea n a l y s i sm e t h o di sa l s od i f f e r e n c e t h i sp a p e ru s e st h et h e o r yo fw h e e l r a i lc o n t a c t g e o m e t r y w h e e l r a i l s l i d ec o n t a c t w h e e l r a i lt r i b o l o g ya n dw h e e l r a i l c o u p l e d y n a m i c s t h em e c h a n i s mo fr a i ls u r f a c ed e f e c to c c u r r i n ga n dd e v e l o p i n gt oa n a l y z e t h e m s e c o n d l y t h i sp a p e ru s e dt h ev e h i c l e t r a c kc o u p l ev e r t i c a lm o d e la n dl a t e r a l d y n a m i cm o d e lt oc a l c u l a t et h ew h e e l r a i lf o r c e s b e c a u s et h ef o r c e sa l et h em a i n c a u s e si n d u c e dt h er a i ld e f e c t s i nt h es i m u l a t i o nm o d e l t h ew h e e l s e tl a t e r a l d i s p l a c e m e n t y a wa n g l e r a i lv e r t i c a la n dl a t e r a ld i s p l a c e m e n t t h er a i lt o r s i o na n dt h e a s y m m e t r i c a ld i s p l a c e m e n t sb e t w e e nt w or a i l sa r ec o n s i d e r e d t h ej k a l k e rl i n e a r c r e e p 也e o r yi s u s e dt o c o m p u t et h ew h e e l r a i lc r e e pf o r c e a tf i r s t a n dt h e n j o h n s o n v e r m m l e nt h e o r yi su s e dt om o d i f yi t s ot h es i m u l a t i o nr e s u l t si sm o r e c r e d i b i l i t ya n dm a k e st h ea n a l y s i sf o rr a i ld e f e c tm o r ea d v a n c e d a tt h ee n d a c c o r d i n gt od i f f e r e n ts i t u a t i o n t l l ea u t h o rt h i n k st h e r ea l ea b o u t16 c a s e so ft r a c ka n dv e h i c l es t r u c t u r ed y n a m i ca n dn o n d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i e sw i l l a f f e c tt h er a i ls u r f a c ed e f e c t so c c u r r i n ga n dd e v e l o p i n g t h ep a p e rp o i n t so u tt h a tt h e d e f e n d i n ga n da l l e v i a t i n gt h er a i ls u r f a c ed e f e c ti sv e r yi m p o r t a n c ef o rt h es a f e t y s t a b i l i t ya n de c o n o m yo ft r a i no p e r a t i o n n em e t h o d sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e ra r e v e r yu s e f u la n dh a v eag u i d a n c ef u n c t i o ni nt h er a i l w a yt r a c km a i n t e n a n c ep r a c t i c e k e yw o r d sr a i l w a y t r a c k w h e e v r a i lf o r c e v e h i c l e t r a c kc o u p l ed y n a m i c s m o d e l r a i ls u r f a c ed e f e c t d e f e n d i n ga n da l l e v i a t i n gm e a s u r e s 2 声明 本人郑重声明 本人在导师的指导下 独立研究工作所取得 的成果 撰写成硕士学位论文 重载快速大运量区段p 6 0 钢轨表 面伤损成因研究 口除论文中已经注明引用的内容外 对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体 均己在文中以骧确的方式标 明拳本论文中不包含任德未加明确注明的其拖个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 学位论文作者签名 2 0 0 5 舻胃2 璺 同济大学硕士学位论文 重载快速大运量区段p 6 0 钢轨表面伤损成因研究 1 钢轨伤损成因研究综述 1 1 引言 十多年来 我国铁路发展致力于既有线重载快速战略的研究与实施 二十世 纪8 0 年代末 我国铁路通过引进大功率牵引机车 如美国n d 5 机车 或改变货 物列车的牵引方式 单机牵引改为双机牵引 同时 对主要干线轨道结构和站 场进行扩能改造 在京沪 京广 京秦等繁忙干线开行了5 0 0 0 吨重载列车 货 物列车轴重从1 5 t 2 1 t 逐步被2 3 t 2 5 t 的重载列车所取代 标志着我国重载 战略步入实施阶段 自1 9 9 7 年开始 以沪宁线 先行号 开行为标志 拉开了 列车大提速的序幕 迄今为止 铁路共进行了4 次大提速 旅客列车从8 0 k m h 逐步提高到1 4 0 1 6 0 k m h 货物列车从5 0 6 0 k m h 逐步提高到7 0 9 0 k m h 重载快速战略的实旖 对缓解我国铁路运输紧张状态 缩短客货列车运行时间 提高运输效率起到了积极的作用 然而 客运高速化 货运重载化 对传统的轮轨运输系统提出了更多 更高 的要求 也面临着许多新的问题 运载重量越大 轮轨间的相互作用越强 对机 车车辆和轨道结构的破坏作用也越严重 列车速度越大 加剧了轮轨间的动力振 动影响 对列车运行的安全性 平稳性要求越高 钢轨与机车车辆的车轮直接接触 是铁路轨道的主要部件 它直接引导机车 车辆前进 承受来自车轮的垂直力 横向水平力 纵向水平力和扭转力矩 将所 承受的列车荷载传布于轨枕 道床和路基上 同时钢轨也为车轮的运行提供最小 的阻力接触面 并受气温变化和其它因素的影响n 1 在轮轨系统的垂向纵平面内 广泛地存在着各种各样的振动激扰源 有轨面的局部几何不平顺 系统的周期不 平顺 钢轨接头处脉冲型不平顺以及因轨下基础缺陷所形成的弹性不均匀等 所 有这些都会造成轮轨系统的垂向和横向动力作用 并以轮轨接触面为界面 向上 传给机车车辆 向下施加给轨道结构 引起机车车辆和轨道部件的振动和冲击 直接影响到列车运行的平稳性和轨道结构的使用寿命 尤其是随着列车轴重 行 车速度和密度的不断提高 轮轨动力作用加大 轨道和车辆部件出现各种形式的 疲劳和伤损以及道床 路基的下沉 特别在曲线地段 轮轨受力条件复杂 侧面 磨耗更为严重 再加上基础的弹性不均匀 导致整个轨道的不均匀沉降和轨面随 机不平顺的加剧 这种不平顺随着列车的不断通过又反过来加剧了轮轨之间的动 同济大学硕士学位论文重载快速大运量区段p 6 0 钢轨表面伤损成因研究 力作用 形成恶性循环 久而久之便会造成轨道的局部永久变形 2 1 钢轨在这种 动力作用下 常常因发生疲劳裂纹 剥离掉块 折断和磨耗等伤损而不到使用期 限就需更换 表现为各种磨耗速率的大大加快 各种伤损大幅增加 表1 1 3 1 为 京浦下行k 8 4 3 2 k 9 6 0 6 无缝线路u 7 1 m n 钢轨伤损情况比较 表1 1重载实施前后钢轨疲劳伤损分析单位 根 k i n 累计通过直线地段曲线地段合计平均数 总量累计疲劳伤损率累计疲劳伤损率 运输条 里程d t k m k m其中其中曲线 件 伤损其中接 伤损率 接触疲接触疲 延长伤损率 率触疲劳 劳劳 8 4 3 2 重载前 7 4 8 10 2 7 30 0 2 60 1 9 80 0 2 53 4 50 2 4 80 0 2 6 9 6 0 6 重载后7 3 3 11 1 5 70 7 4 1 2 7 4 11 9 5 l1 7 0 41 1 5 8 k 9 8 4 6 重载前 4 8 8 11 1 6 70 1 4 00 7 9 2o o o1 0 6 9 0 1 0 3 2 6 1 k 1 0 1 3 6 重载后 5 5 8 91 1 6 7o 1 8 71 1 8 9o 2 1 1 7 2 0 2 0 6 由表卜1 可见 6 0 k g mu 7 1 m n 钢轨无缝线路实施重载快速后 直线和曲线地段 的疲劳伤损率均有增长 特别是通过总载重接近大修周期时 伤损率大幅提高 其中直线疲劳伤损率增长4 5 倍 接触疲劳伤损成1 0 倍地增长 曲线地段疲劳 伤损和接触疲劳伤损更为严重 伤损率几十倍地增长 因此 随着既有线重载快 速的实施 由于轮轨动力作用的加剧 钢轨伤损问题更加突出 1 2 钢轨伤损的主要类型 钢轨在机车车辆和外部激励的动力载荷作用下 钢轨伤损分为两类 一类是 疲劳伤损 另一类是磨耗伤损 疲劳伤损是指钢轨在列车载荷的重复作用下 由 于轮轨接触应力超过其材料本身的强度而产生疲劳源 并随着载荷的不断循环周 期作用 疲劳源逐步扩展 形成伤损 如轨头鱼鳞伤 核伤 接头螺孔裂纹等 磨耗伤损是指钢轨在列车载荷作用下因轮轨相互接触产生摩擦运动 在轮轨接触 区内产生法向力和切向蠕滑力 使其金属沿着切向力方向发生塑性变形 形成磨 2 同济大学硕士学位论文 重载快速大运量区段p 6 0 钢轨表面伤损成因研究 屑并从表面剥落 并随着通过运量的增长而不断发展 如钢轨侧面磨耗伤损 垂 直磨耗伤损 轨头表面波形磨耗伤损等 磨耗伤损往往伴随以下过程1 4 表面的塑性流变 表面的物质粘着和迁移 表面金属的接触疲劳和机械剥离 因而磨耗伤损和疲劳伤损是钢轨不可分割的伤 损形式 两者相互联系相互影响 在一定条件下可以相互转化 钢轨伤损主要类型如图1 1 图1 i 钢轨伤损类型 3 同济大学硕士学位论文重载快速大运量区段p 6 0 钢轨寝面伤损成因研究 i 鱼鳞伤及剥离摔块 在重载运输不断发展的情况下 鱼鳞伤及剥离掉块的现象也越来越突出 鱼 鳞伤及剥离掉块常发生在曲线外股钢轨轨头轮轨接触面全长部位 轨头与轮缘的 内圆角接触处的圆角上 呈现破裂掉块的现象 类似鱼鳞状形貌 在剥离的最初 阶段 轨面上出现一些黑点 其间距呈一定的规律性 之后轨头内部出现裂纹 当裂纹在表面之下发展成凡毫米之后 交成水平裂纹 当裂纹面积达到一定程度 后 裂纹顶层由予列车车轮的反复滚动弱产生塑性变形 并在轨顶弓l 起凹坑 裂 纹表面附近颜色加深 裂纹产生并向表面发展 到了一定程度就形成轨头表面钢 材质的剥离 2 轨头核伤 轨头核伤是最危险的钢轨伤损吐在列车荷载的重复作用下 钢轨走行 面下轨头内部出现极为复杂的应力组合 使细小的横向裂纹扩展形成核伤 直至 核伤四周的钢材强度不足以抵抗 使钢材在毫无预兆的情况下猝然断裂 3 接头螺栓孔裂纹 普通线路是由一定长度的标准钢轨连接丽成 因此 在接头钢轨端部的孰腰 部位进行钻孔 使得钢轨轨腰部位的强度被削弱 螺栓孔周围发生较高的局部应 力 在列车的冲击荷载作用下 螺孔裂纹开始形成和发展 4 钢轨磨耗伤损 钢轨磨耗伤损主要有垂直磨耗 侧面磨耗和波形磨耗等 1 垂袁磨耗 在壹线和越线地段上都存在这种形式的磨耗 列车反复作用在钢轨上 钢轨 轨头受动力作用的范围内沿垂直方向逐渐被磨耗 当超过允许的垂直磨耗量 钢 轨就必须进行更换 所以 在正常情况下垂直磨耗是确定钢轨使用寿命的重要依 据 2 侧面磨耗 侧面磨耗 简称侧磨 发生在曲线的外股钢轨或重载大运量区段的直线钢轨 上 随着内燃机车和电力梳车的使瘸量增大以及运鳖的大幅度提高 钢轨侧磨在 钢轨伤损中屠突出地位 从摩擦学的焦度看 侧磨属于塑性变形磨损 粘着磨损 和疲劳磨损的综合磨损 磨损的形状又如切削 所以也称为切削磨损 4 4 同济大学硕士学位论文重载快速大运量区段p 6 0 钢轨液面伤损成因研究 3 波形磨耗濑2 8 1 波形磨耗 简称波磨 是指钢轨顶面或侧面上是波浪形的不均匀密损或塑性 变形 波磨依据其波长可以分为两类 波长在3 0 8 0 r a m 波深在o 1 加 5 m m 的波 磨称为短波波磨和波纹波磨 该磨耗的特征是光亮的波峰和较暗的波谷规则地排 列在轨面上 波长在1 5 0 6 0 0 m m 及以上 波深0 5 5 m m 的波磨为长波波磨 其 特征是波浪界线分明但不规剐 不均匀 波峰和波谷有均匀的光泽 波磨一般出现在睦线地段 扶半径2 7 0 m 至4 5 0 0 m 的曲线上都有可能发生波 磨 趋线半径越小 波磨出现和发展的速度越快 石质路基 混凝土轨枕线路及 道床板结等轨道弹性比较小的地段和制动地段的波磨也比较严重 直线地段则很 少出现波磨 塑性变形和磨耗 剥离掉块 核伤 波浪磨耗等都属于钢轨接触疲劳伤损f 懿 5 钢轨接头磨耗 2 露 钢轨接头一直是轨道结构的薄弱环节 由于枧车车辆通过钢轨接头造成对钢 轨端部的冲击 引起鞍形磨耗 低接头 接头捧块 夹板弯曲或断裂等现象 加 快钢轨材料和联结零件的磨耗和伤损 影响行车平顺性和旅行舒适度 接缝的存 在也降低了钢轨和机车车辆的使用寿命并增加其养护维修费用 将具有相当长度 的焊接长钢轨代替普通标准钢轨的轨道就形成了无缝线路 无缝线路钢轨焊接接 头如果存在接头短波不平顺 产生接头波型磨耗 在列车动力作用下 这些不平 顺受到重复的疲劳荷载作用 弓l 起接头弯曲疲劳 影响无缝线路的使用寿命 严 重的会造成钢轨接头处断轨 破坏轨道结构 威胁行车安全 为正确进行伤损的统计分析和对各类型典型伤损进行失效分考爱 钢轨伤损类 型 般根据产品的伤损部位 形态和形貌特征及伤损原因进行伤损分类 8 1 我国 将钢轨伤损依据其伤损种类 在钢轨断面的位置 伤损的外貌以及伤损原因等进 行编号 共分9 类3 2 种伤损 用两位数编号f 2 1 十位数表示伤损的部位和状态 个位数表示造成伤损的原因 1 3 关于钢轨伤损研究的现状 随着机车辆轴重的增加和歹 j 车速度的提高 造成轮轨接触应力随之增大 同 同济大学硕士学位论文燕载快速大运鬣区段p 6 0 钢轨表面伤损成因研究 时 轮轨踏西的纵向和横向摩擦力也随之增大 钢轨的垂直磨损 侧面蘑损以及 塑性变形都随之增大 钢轨伤损问题越来越引起国内外铁路科研工作者的高度关 注 包括一些力学 材料 机械 摩擦 磨耗及润滑工作者 都对此进行了长期 的研究 在18 2 5 年世界上第一条铁路在英国正式投入运营以来 对钢轨伤损的研究 已有一百七十多年的历史 在2 0 世纪8 0 年代初 出现了钢轨伤损研究的高潮 9 e 年代以来这一高潮有增无减 世雾范匿内研究工作者们出现了强攻克难 攻 克钢轨伤损难题的势头 有关的研究文献浩如烟海 提出了谗多钢轨伤损戒因理 论 涉及到钢轨力学 9 1 系统动力学 材料微观组织和性能 材料的塑性变形过 程 残余应力 磨耗特性 金属冶炼以及钢轨内部的振动波和超声波传递等诸多 领域 我国自8 0 年代初 开始系统研究钢轨伤损问题 在2 0 多年的研究过程中 进行了大量的前期探索 积累了比较丰富的现场观测资料 吸收了国外的研究成 果并有 定的发展 在轮轨接触共振 嘲 轮轨耦合振动动力学网湖 轨头塑性变 形和磨耗特性等方面进行了大量的研究和试验工作 但因钢轨伤损的复杂性 关于其成因 迄今仍在不断探索和完善之中 特别 是我国实施重载快速战略后 繁忙干线钢轨表面伤损出现了新的发展趋势和新的 特征 在有效预防钢轨伤损措施方面还有许多工作要做 但这些大量的研究提供 了众多的成果 为深入研究钢轨成因及预防减缓措施提供了瞧好的基础 1 4 钢轨伤损成因理论的分类及局限性 1 4 1 钢轨伤损成因理论的分类 有关钢轨伤损的成溺季爨发展枫理 国杰终研究王作者曾经有不同的见解 为 钢轨伤损的成因分析提供了一定理论依据 钢轨伤损的成因理论一般分为动力类 和非动力类阴 动力类成因理论认为钢轨伤损取决于轮与轨的振动特性 与轮轨 系统中某一种和几种振动形式相关 轮轨作用力因振动而出现波动 在一定条件 下产生钢轨伤损 动力类理论又可分为自激振动 共振和反馈振动三类 顾名思义 自激振动 注重轮轨系统中的自激蠢素 振动形式和形成条件 将它与钢轨伤损联系起来 6 同济大学硕士学位论文重载快速大运量区段p 6 0 钢轨表面伤损成因研究 解释钢轨伤损的成因 反馈振动 是指在重复荷载条件下 振动逐步加强和激化 的过程 由 不平顺一振动一更大的不平顺一更加的振动 构成钢轨表面伤损的 形成及发展的恶性循环 对于一种振动形式 当满足自激振动条件时 表现为自 激振动 当存在周期性因素激扰时 可发生共振 非动力类成因理论认为 钢轨伤损是随机分布和随机发生的 即使钢轨作用 力为常值 也会因不均匀塑性变形及磨损等原因形成伤损 1 0 1 钢轨伤损与冶金 或材质性能及变形特性有关 如碱性转炉钢轨比平炉钢轨容易产生表面伤损 钢 轨的化学成分对钢轨有较大的影响 锰和硅可推迟钢轨伤损的出现 而氮 磷则 会促进钢轨伤损的形成 经辊式矫直的钢轨 因残余应力的影响 易出现钢轨表 面伤损 如加速鱼鳞伤的出现 依据上述思路可将现有的钢轨伤损成因理论归纳如下表1 2 表1 2钢轨伤损成因理论分类表 动力类成因理论非动力类成因理论 轮轨接触共振理论 共振 反馈 钢轨冶金性能理论 轮轨系统垂直振动理论 共振 反馈 残余应力理论 轮对横向振动理论 共振 不均匀磨耗及锈蚀理论 自激 轮对弯曲振动理论 自激 不均匀塑性变形理论 轮对振动 反馈 轮对扭转振动理论 自激 接触疲劳理论 反馈 磨耗功波动理论 反馈 共振 自激 轮轨廓形匹配理论 在钢轨伤损动力类理论中 接触共振理论研究表明 l l 接触共振使钢质表面 产生磨损 在低阻尼高负荷情况下 共振使钢质表面产生塑性变形 共振 并 在下一次接触滚动时激起更大幅度的振动 反馈 形成塑流型磨损 接触共振 理论具有共振和反馈共振两重特性 对于单个不平顺激振 属于反馈振动 对于 随机表明粗糙度激振 具有共振特性 接触共振理论的实验依据来源于圆盘机的 实验 1 9 5 7 年 英国学者j o h n s o n 1 1 等通过圆盘实验机和计算机模拟对钢质表 7 同济大学硕士学位论文重载快速大运量区段p 6 0 钢轨表面伤损成因研究 面磨损进行研究 因两圆盘接触滚动过程中 圆盘周边上各点的承力条件具有良 好的重复性 线路上的钢轨受力在每一次列车通过时都不一定有基本等同的重复 性 因此这类实验因存在这种局限性而使说服力大为削弱 轮轨垂向振动理论 主要有y s u d a 轮轨系统垂向 自激 振动理论 1 2 轮 轨系统垂向共振理论 1 3 1 4 1 5 1 6 1 钢轨表面原始不平顺理论鸭轮轨系统高频振 动理论 1 7 等等 这类理论认为 轮轨系统的垂向振动与钢轨表面存在随机分 布的不平顺有关 这些随机不平顺引起的随机振动导致钢轨表面的塑性变形 从 而引起更剧烈的振动 共振与垂向振动的固有频率有关 钢轨伤损特别是磨损的 发展与轮轨系统垂向系统固有频率有关 前苏联 英 美等国都提出 钢轨上道 时轨面存在几何不平顺 车轮经过时产生附加冲击力作用 使轨面产生塑性变形 积累 形成钢轨表面各种伤损 轮对振动理论 主要有r a c l a r k 轮对横向振动理论 1 9 轮对弯曲振动理论 2 们 轮对扭转振动理论 2 l 轮对扭转张驰振动理论 2 2 1 轮对横向振动理论认为 刚性或伴有一次轴弯曲振动的轮对 在曲线轨道上 行驶时 由于轨道横向和垂向弹性不均匀 在一定车速下轮对发生横向共振或次 共振 共振或次共振时 可产生钢轨侧面和垂直磨耗 在直线轨道上 因同一轮 对上两轮不平行或轮径不同 引起车轮横向蠕滑 形成机车车辆的蛇行运动 同 样可导致轮对的横向张驰振动 引起侧面和垂直磨耗 轮轨弯曲振动理论认为 轮轨间的横向蠕滑力波动比纵向蠕滑力大 且更易 引起轨头塑性变形 因此 轮对弯曲振动是钢轨磨耗成因中最主要的因素之一 轮对弯曲振动可表现为自激振动 也可表现为反馈振动 两种振动形式都能产生 钢轨表面磨耗 轮对扭转振动理论认为 钢轨表面磨损同系统的垂向和水平频率无密切联 系 而与轮对扭转振动的频率相关 2 3 中还分析了轮对扭转与钢轨纵向耦合振 动情况 认为不平顺和轮径差等引起的轮对扭转与轨道纵向振动是钢轨各种形式 磨耗的成因 轮对扭转张驰振动理论认为 钢轨表面磨损的形成机理是轮对的扭转自激振 动 轮轨接触面上蠕滑力与蠕滑率的关系是非线性的 有正梯度段和负梯度段 分别对应于系统吸收和释放能量 二者形成平衡时可形成稳定的摩擦自激振动 8 同济大学硕士学位论文 重载快速大运量区段p 6 0 钢轨表面伤损成因研究 包括近似正弦振动和张驰振动 就轮对而言 车轴作为扭转弹性体 时而吸收能 量 时而释放能量 与此相对应 轮轨接触面时而粘着 时而滑动 钢轨踏面出 现不均匀滑动 形成不均匀磨耗 磨耗功波动理论 7 2 3 认为 钢轨表面磨耗不是单一原因 而是多个原因引起 的 轮轨间的磨耗功的波动反映了轮轨系统中多种振动形式的综合影响 钢轨磨 损速率同磨耗功成正比 磨耗功的波动是形成钢轨不均匀磨耗的原因 由于磨耗 功包括自激振动 反馈振动等多种振动形式 因此 以磨耗功分析钢轨磨耗成因 的模型是一种包括多种形式和振动性质的综合振动模型 但磨耗功理论难以解释 塑流型磨耗的成因 在非动力类成因理论中 e b i r m a n n 钢轨冶金性能理论 2 2 认为 如果钢轨表 面伤损是由于轮轨振动引起的 那么在相同条件下 钢轨出现伤损的时间和概率 应基本相同 但从现场调查情况来看 转炉钢比平炉钢更容易出现伤损 由此 b i r m a n n 认为 材质具有明显的作用 振动只对钢轨的形成起促进作用 廖乾初 蓝芬兰也持类似观点 4 j e i s e n m a n n 的残余应力理论认为 2 4 钢轨在生产过程中形成残余应力 在 列车荷载下残余应力发生变化 轨头表层逐渐形成三向残余应力场 残余应力量 值对轮载作用次数具有累加效应 据测试 轨头表面下2 m m 处的残余应力可达 到6 0 0 8 0 0 m p a 轨头边缘附近区域产生局部塑性流动 因塑流区两侧的纵向 压力 塑流区下方的有效残余应力以及材料的粘弹性效应 使钢轨产生微细裂纹 由于残余应力对轮载作用次数的累加效应而促使裂纹发展形成伤损 对新钢轨进 行打磨 可消除残余应力集中区 不均匀磨损和锈蚀理论 以h c t f e l l e r 的磨损及锈蚀理论 2 5 1 l e d a n i e l s 的 液体动力磨损理论为代表 2 2 2 6 1 h g f e l l e r 进行了磨耗轨表层分析后认为 振动 导致不同区域轮载不同 高轮载区域易硬化 产生较高的强度和抗磨能力 低轮 载区域硬化较小 出现较低的强度和抗磨能力 形成钢轨项面和侧面的磨耗 波 峰 和 波谷 导致不均匀磨耗 磨耗出现初期主要由磨损引起 而后期锈蚀 起主要作用 l e d a n i e l s 认为 水和油等液体浸入轨面的毛细裂纹 在车轮高压 下形成剥离 从而发展成钢轨表面伤损 不均匀塑性变形理论 4 2 8 认为 由于轮轨间切向力作用降低了钢轨的安定极 9 同济大学硕士学位论文 重载快速大运量区段p 6 0 钢轨表面伤损成因研究 限 列车荷载的最大接触应力瞬时超过安定极限而产生塑性变形 随着变形的累 积而形成钢轨的不均匀磨损 r t m a i r t 2 9 1 认为 减轻轮轨荷载或加大钢轨强度有 助于抑制钢轨不均匀磨损的发展 因此钢轨的强度在钢轨表面磨损的形成中起着 重要作用 提高钢轨强度 降低切向力和法向力是减缓钢轨磨损的根本措施 接触疲劳理论认为t 3 0 钢轨表面伤损是由随机的轮轨踏面摩擦力及钢轨表面 疲劳裂纹引起的不均匀磨损造成的 因此可采用降低接触应力等措施减缓钢轨伤 损 在众多的研究文献中 钢轨伤损的成因主要有上述几种理论 由于钢轨伤损 的成因理论种类很多 不胜枚举 但提出的观点基本包括在上述各种理论中 1 4 2 现有钢轨成因理论的局限性 近年来研究者们对于钢轨伤损的研究 已逐渐将注意力侧重在对动力类成因 的理论研究上 认识已逐渐一致 钢轨伤损主要成因是轮轨系统中的振动 振动 加剧了轮轨力的相互作用和相互影响 加剧了钢轨表面的不平顺 从而引起更剧 烈的振动 进一步加速钢轨伤损的形成和发展 而轮轨系统中的非动力因素的作 用在于加速或延缓钢轨伤损发生发展的过程 现有动力类成因理论还有一些局限性 主要表现在以下几个方面t 1 现有理论在分析钢轨伤损时 只注重单一的振动形式 忽略了相关振动的影 响 如接触振动理论只考虑轮轨接触弹性和局部参振质量 轮对扭转振动和弯曲 振动仅分析轮对的振动 对轮轨系统垂向 横向 纵向振动对轮对振动的影响考 虑不够 轮对横向振动理论中 只分析了刚性轮对在定值垂向荷载下的横向振动 2 现有理论在分析钢轨伤损时 振动模型过于简化 在振动自由度考虑上过于 简单 忽略了许多重要因素 特别时没有考虑轮对系统中多种振动形式发生耦合 且相互激化的影响 如只考虑车轮和轨道垂向振动的两自由度模型 3 考虑刚 性轮对横向振动的单自由度模型 考虑单个轮对扭转振动的两自由度模型3 2 考虑单个轮对振动 且将轨道简化为集中质量 考虑轨道垂向和横向振动的1 0 自由度模型 3 3 等 3 多数理论未系统地 全面地考虑轮轨系统中结构参数的变化和轮轨接触几何 关系对钢轨伤损的影响 由于轮轨参数离散性很大 如道床弹性 从刚清筛过的 道床到严重板结的道床 其弹性系数可相差一个数量级 又如轨下弹性 高弹性 1 0 同济大学硕士学位论文重载快速大运量区段p 6 0 钢轨表面伤损成因研究 胶垫和普通胶垫 弹性系数和阻尼系数相差很多 这样分析模型的计算结果势必 与实际情况相差很大 不能真正反映实际情况 轮轨接触几何关系直接影响轮轨 的动力作用状态 对钢轨的伤损影响不可忽视 虽然现有的一些理论在这方面作 了一些研究 但不够系统 不够全面 还有许多值得改进和完善的地方 4 现有理论对繁忙干线重载快速战略实施后钢轨伤损出现的新问题很少从轮轨 耦合作用的角度对钢轨伤损进行系统的 全面的研究 如直线交替型不均匀磨耗 问题 大半径曲线不均匀磨耗问题 钢轨焊接接头短波磨耗和叠波磨耗问题等 现有非动力类理论中 其局限性表现为 有些理论只对钢轨磨耗形成的具体 过程进行描述 如不均匀磨损和不均匀塑性理论 有些理论时强调钢轨伤损的影 响因素 如冶金性能理论强调钢轨材料的冶金性能对伤损的影响 接触疲劳理论 和液体动力磨损理论强调疲劳和裂纹在伤损形成中的作用等等 这些非动力类理 论 未涉及到轮轨系统的动力作用 无法解释钢轨伤损出现的地段 位置及表面 特征的差异 对伤损发展过程的描述也大多不够明确 事实上 钢轨伤损的形成 和发展与动力作用不无关系 钢轨伤损一旦形成 就会激化轮轨系统中的各种振 动 产生更严重的伤损 3 4 1 可见 依靠非动力类成因理论不可能完整地解释钢 轨伤损 也难以寻找切实可行的预防减缓措施 1 5 本文进一步研究钢轨表面伤损成因的思路 钢轨伤损的形式是多种多样的 发生规律和表面特征也不尽相同 在现有钢 轨伤损成因理论中 有些理论有一定的试验依据 根据有关研究结果所提出的减 缓伤损措施 在实践中也收到了一定的效果 但也有一些成因理论 只是依据某 种伤损现象和简单模型的计算结果所进行的推论和假说 尚未形成较完善的理论 体系 一百多年来 钢轨伤损的研究已涉及到钢轨关系的所有领域 现有的理论覆 盖面已相当宽广 虽然还有新的理论不断推出 但多数是对现有理论的补充 完 善和发展 因此 关于现有钢轨伤损成因理论的进一步研究工作 必须建立在现有理论 的基础上 结合我国当今铁路重载 快速 高密度发展的实际 着眼于完善和发 展现有理论 解决现有成因理论的各种不足 构成更完善 更系统的理论 同济大学硕士学位论文重载快速大运量区段p 6 0 钢轨表面伤损成因研究 本文针对我国重载快速大运量区段钢轨伤损出现的新的特点 即在重载快速 区段轨面波形磨耗现象一定程度存在但不十分突出 垂直磨耗速率虽有加快的趋 势 但磨耗基本均匀 不是控制钢轨寿命的关键因素 曲线钢轨不均匀侧磨有从 小半径向1 0 0 0 米以上的曲线半径发展的趋势 直线交替型侧磨在重载快速大运 量区段大量出现 在超长无缝线路区段 国产铝热焊及其它焊接接头波形磨耗十 分严重 甚至产生断裂等等 针对这些新的特点 本文以现有的理论和研究成果 为基础 主要研究钢轨表面伤损 见图1 2 形成的机理和防治对策 图1 2 钢轨表面伤损 本文以轮轨接触几何学 轮轨滑动接触理论 轮轨摩擦学理论和轮轨耦合动 力学理论为基础 在对重载快速大运量区段钢轨表面伤损进行大量详细现场调查 的基础上 总结了各种钢轨表面伤损的发生发展规律和表面特征 分析了钢轨表 面伤损形成和发展的机理 提出了防止钢轨表面伤损的预防和减缓措施 使钢轨 伤损理论分析更具针对性 全面性和系统性 对优化轨道结构和轮轨接触关系 改善钢轨受力状态 延长钢轨使用寿命 指导工务日常养护维修工作 保障列车 安全运行具有十分重要的意义 同济大学硕士学位论文重载快速大运量区段p 6 0 钢轨表面伤损成因研究 2 钢轨表面伤损的发生发展规律及基本特征 2 1 研究对象 2 1 1 线路结构 钢轨 6 0 k g m 无缝线路 轨枕 钢筋混凝土轨枕 6 9 型 s 一2 型 每公里铺设1 7 6 0 根 s 一3 型 每公里铺设1 6 0 0 根 道床 碎石道床 石炭岩 花岗岩 路基 砂粘土或粘土路基 2 1 2 运量 年通过运量大于5 0 0 0 m t k m k m 的干线 2 1 3 速度 货物列车最高速度8 0 一9 0 k m h 旅客列车最高速度1 4 0 1 6 0k m h 2 1 4 牵引类型 内燃机车 d f l l d f 8 8 d f 4 b n d 5 2 1 5 车辆 货车车型以c 6 2 a 为主 客车车型以快速列车车辆为主 2 2 钢轨表面伤损的发生发展规律及基本特征 重载快速大运量区段钢轨表面伤损类型如图1 2 下面具体研究鱼鳞伤及 剥离掉块 侧面磨耗 包括曲线不均匀磨耗和直线交替型磨耗 接头波形磨耗 包括焊接接头和有缝接头 的发生发展规律及基本特征 2 2 1 鱼鳞伤及剥离掉块的发生发展规律及基本特征 随着列车牵引动力的改变 轴重的增加 速度的提高 轨头表面鱼鳞伤及轨 头剥离掉块已成为一种常见的伤损形式 通过对津浦 沪宁 沪杭干线钢轨表面 伤损的调查发现 重载快速区段1 5 0 0 m 以下的曲线都存在不同程度的钢轨鱼鳞 伤和剥离掉块 其中u 7 1 m n 钢轨区段比p d 3 钢轨严重 2 2 1 1 鱼鳞伤的发生发展规律 3 回 1 3 同济大学硕 论立 重载快速丈运蕾e 段p 6 0 钢轨表 伤损成目研究 照片1曲线轨道外轨内侧4 5 斜裂纹 照片2 轨头斜裂纹引起的剥离 以0 7 i m n 为例 半径为1 0 0 0 m 的曲线 年通过运量为5 2 m t l c m f x m 单 向行车通过运量达到1 5 2 0 m t 时 在曲线轨道外轨轨距侧的圆角处便出现微细 裂纹 龟裂 运量达到3 0 5 0 m t 后 裂纹发展至作用边2 5 m m 范围内产生4 5 接触疲劳裂纹 深度一般为o 4 2 o m m 有明显的方向性 照理丘 b 当通过 运量达到1 5 0 2 0 0 m t 便在轨头内侧圆角处出现分散性剥离现象 形状各异 大小不等 深度一般为5 7 m m 由于各曲线所处位置 坡道及轨道几何状态的 不同 有的地方剥离延续 有的地方剥离稀疏 堡鼹垃2 1 剥离发展到一定程 度 一般在通过运量2 5 0 m r 以上时 其裂纹深度增加 横向互相贯通 在轮轨 力的作用下 出现块状剥离掉块 随着通过总量的增加 部分裂纹向深度发展 形成重伤或核伤 通过对鱼鳞重伤轨进行剖析 有的裂纹深度达到l o r n m 以上 鱼鳞伤还常以裂纹尖端为源 形成核伤 见墨兰上 有的甚至形成多核面盼横 向疲劳核断 见盟丘韭 对行车安全构成严重威胁 同济太学硬 学位论文基载快速太运量e 段p 6 0 自孰表面伤损成因研究 照片4 多核面的核伤断裂 鱼鳞伤的发生与伤损程度与曲线半径 年通过总量 钢轨材质有关 半径越 小 鱼鳞伤出现几率越早 艺工作者年通过总重越大 鱼鳞伤出现越早 钢轨表 面硬度越大 鱼鳞伤出现越晚 p d 3 钢轨出现鱼鳞伤比u 7 1 m n 在同样运量下要 延迟2 2 5 倍左右 特别是年通过总重在1 0 0 m t k m l u n 吨以上 半径在1 0 0 0 m 以下的重载区段曲线 由于控制钢轨寿命的是钢轨侧磨 p d 3 钢轨表面刚刚形成 l o 2 5 m m 斜向疲劳裂纹时 就园侧磨到磨耗极限而 f 道 所以 在年通过总重 大于1 0 0 m r k m k m 以上半径1 0 0 0 m 以下的曲线上 p d 3 钢轨几乎看不到剥离 掉块现象 而u 7 1 1 v l n 钢轨出现鱼鳞伤及剥离掉块现象较普遍 2 2 1 2 鱼鳞衡及捌离掉块的基本特征 鱼鳞伤通常发生在曲线外般轨头作用边以上的圆角处 裂纹长一般为1 0 2 5 m m 深度为5 7 m m 严重时可达1 0 m r a 以上 鱼鳞伤有明显的方向性 一般与行车方向成4 5 同济大学项士学位论立重载快速大运蕾区段p 6 0 轨表面伤损成因研究 鱼鳞伤一旦产生井得咀向表面发展到一定程度后形成剥离掉块 严重时以裂 纹尖端为源向下发展形成核伤 无缝线路在焊接接头前后 道床翻浆板结处 曲线鱼鳞伤与剥离较其它部位 严重 且发展较快 2 2 2 钢轨侧面磨耗发生发展规律及基本特征 钢轨侧面磨耗是钢轨最主要的伤损形式 根据线路维修规则 p 6 0 钢轨当侧 面磨耗量大于1 9 r a m 时 将构成钢轨重伤 3 随着重载快速的实施 钢轨侧磨 出现了新的特点 一是侧磨速率明显加快 伤损增多 周期缩短 如津浦下行线 浦蚌段k 8 3 2 k 9 8 4 因曲线钢轨侧磨伤损造成的换轨数量从重载快速实施前的 每年2 4 6 k m 增加到目前的3 28 k m 增加 3 沪宁下行线半径为1 2 0 0 n l 的曲 线磨耗速率从重载实施前的00 2 7 n u o m t 增加到重载快速后的0 0 3 1 m m m t 磨 耗速率增加1 48 二是钢轨侧磨伤损类型出现新的变化 重载直线区段出现 大量的直线交替型侧磨伤损 如上海局蚌埠一南京问下行线 当钢轨累计通过总 重达