钢轨滚动接触疲劳研究

1、2005年11月第6期(总第172期)润滑与密封LUBRICATIONENGINEERING3Nov12005No16(serialNo1172)钢轨滚动接触疲劳研究张伟郭俊刘启跃(西南交通大学摩擦学研究所四川成都610031)摘要:介绍了滚动接触疲劳裂纹的萌生及扩展的形成机理、钢轨滚动接触疲劳的破坏分类、影响因素,从钢轨新材料的开发、轮轨接触几何型面的优化和铁路工况的改善等几个方面提出了减缓钢轨滚动接触疲劳的措施。关键词:钢轨;轮轨接触;滚动接触疲劳;疲劳裂纹萌生中图分类号:U213文献标识码:A文章编号:0254-(20056-AnItigueLiuQiyue(ISouthwestJiao

2、tongUniversity,Chengdu610031,China)Abstract:Theformechanismoffatiguecrackinitiationandfatiguecrackpropagationunderrollingcontactwasanalyzed.Theclassificationofrailrollingcontactfatigueandtheinfluencefactorofcontactfatiguewereintroduced.Somemeasureswereputforwardtoreducerailrollingcontactfatiguefromt

3、hedevelopmentofnewrailmaterial,theoptimizationofrailcontactgeometrysurfaceandtheimprovementofrailworkingcondition.Keywords:railwayrail;wheel/railcontact;rollingcontactfatigue;fatiguecrackinitiation高速铁路和重载铁路运输向科学研究提出一系列挑战,其中轮轨接触疲劳损伤就是主要问题之一。在我国,高速、重载铁路运输因接触疲劳导致车轮、钢轨的服役寿命严重降低。随着铁路客货运量的增大和列车速度的提高,轮轨滚动接

4、触疲劳所造成的破坏变得越来越严重,它不仅大大增加铁路的运营成本,而且直接危害行车安全。1994年我国以广深线为起点,开行160km/h的准高速列车和200km/h的X2000摆式列车。广深线开行运营以来,线路钢轨出现大量的钢轨斜裂纹。不同于一般的钢轨接触疲劳现象,广深线钢轨斜裂纹是沿着作用边,迎行车方向向钢轨中心扩展,然后在轨头内部发展最终导致钢轨断裂,它直接威胁着列车的行车安全,因此危害巨大。目前钢轨斜裂纹已成为广深线钢轨更换的主要因素之一。2000年10月17日,一列高速列车以185km/h的速度从伦敦驶往Leeds的途中,在通过曲线时发生出轨事故。整个列车11节车厢的后面8节脱轨,车上共

5、有182人,4人死亡,70人受伤,其中有4人伤势严重。不久就查明脱轨事故是由于曲线外侧钢轨的3基金项目:国家自然科学基金项目(50323003)和西南交通大学校基金项目1收稿日期:2004-10-26作者简介:张伟(1976-),男,硕士研究生,主要从事摩擦学及表面工程研究1E2mail:pippzwsina1com1断裂引起的。很明显最初和随后的裂纹基本上是由于1钢轨已经存在的疲劳裂纹引起的。世界各国对轮轨滚动接触疲劳进行了大量的分析24研究,得出了关于接触疲劳基本一致的结论,即材料在循环应力作用下,经过一定的循环次数,产生局部永久性累积损伤,导致接触表面产生麻点、剥落甚至断裂的过程。长久以

6、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。滚动接触疲劳(RollingContactFatigue)是在一对滚动接触的接触副相接触过程中,由于接触区的循环力作用,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。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5重的问题。1滚动接触疲劳的形成机理111裂纹源及萌生机理到目前为止,滚动接触疲劳的损伤机理还没有形成一个统一的结论,甚至有的损伤机理还没有被完全认识,因为一般试验研究轮轨的滚动接触疲劳几乎不能完全模拟真实环境条件下的运行工况、轮轨几何型面、边界条件以及材料的弹塑性变形,只能单一地简单地模拟某些因素

7、对轮轨接触的影响,不过也得到了一些比较有用的结论,为以后更进一步研究轮轨滚动接触疲劳提供了理论上以及试验环节的依据。长期以来人们对疲劳现象进行了大量的试验研究,一般将现已熟知的疲劳现象分为机械疲劳、腐蚀196润滑与密封11总第172期疲劳和热疲劳3大类。经验表明滚动接触疲劳的机械部件失效型式通常被分为次表面起源和表面起源。11111疲劳裂纹起源于表面关于滚动接触疲劳的形成许多研究者进行了大量的工作,并得出一些结论。Bold等人认为滚动接触疲劳发生在无润滑条件的纯剪切载荷作用下,因棘轮效应产生塑性累积变形,最后因累积变形达到材料的韧性极限,导致裂纹6产生。78KLJohnson以及AKapoor

8、,程。,极限,则形成表面材料开裂,由如此循环作用的不断累积,在材料表面形成棘齿状形貌,这一过程则称为棘齿效应。而摩擦力成为产生棘齿效应的主要原因,它使表面材料产生极强的剪切应力,剪切应力一次又一次加强,最终形成裂纹。裂纹最初形成为很浅的小锐角裂纹,然后因循环作用逐渐以弧形状裂纹向表面下扩展,弧形裂纹向下延伸,但不是一直向下延伸,它最终会以圆周状重新又延伸到钢轨材料表面,造成材料的脱落,也可以叫做剥落或者剥离。发生剥离现象的伤损钢轨主要由这一过程造成的。圆周向下扩展的深度由垂向载荷以及钢轨材料的抗塑性变形能力决定,一般为1152mm,最高的也达到45mm。由于表面材料的剥落,会在钢轨裂纹周围形成

9、应力集中,严重的甚至会引起另一种疲劳形式的产生,即在钢轨表面下的次表面形成新的裂纹形核,由此两种裂纹起源的疲劳交错发生,进一步危害钢轨的正常使用寿命。DIFletcher在实验室内用双盘试验机模拟钢轨与机车驱动车轮之间的接触压力和接触滑动特性,进行了非润滑滚动-滑动条件的试验,以检查剥离薄片或裂纹的早期发展。在不到125次非润滑接触循环后发现了小的损伤,在接近10000次循环后发现裂纹增长率和表面磨耗率之间建立了平衡,导致浅的稳态裂纹深度。由棘齿状形成的最初裂纹增长,再加上由断裂机理描述的剪切应力造成的裂纹,发现是两者呈机械顺序出现,性质上与观察到的裂纹增长和稳态裂9纹深度相等。还有很多学者通

10、过实验证明了滚动接触疲劳起源于材料表面,文献10通过滚动接触疲劳裂纹发生的寿命预测,用了双盘试验和轮轨试验说明了滚动接触疲劳裂纹起源于钢轨材料表面。Bower也倾向于裂纹发生在材料表面,在有摩擦力及润滑条件存在的状态下,当裂纹形成之后,在第三介质的影响下,会受到介质对裂纹的进一步挤压,使得裂纹加剧扩展。就起源于表面的单一裂纹的形成,几乎所有专家学者都支持棘齿效应导致材料塑性变形最终形成裂纹的说法,而HDGrohmann等人在最近还发现了一12种新型滚动接触疲劳类型。他们在一些时速超过200km/h,发现了在轨头踏面,疲劳裂纹在这。为了研究疲,他们采用了一种叫SFEAKUSRAIL的仿真工具来预

11、测裂纹形成以及扩展,接触应力以及分布,并因此建立了一种新型的滚动接触疲劳理论模型。13,14Dubourg等人用二维平面的方法研究了大量表面裂纹以及次表面的裂纹,试图找出形成这些裂纹的原因,以及表面裂纹和次表面裂纹出现的位置,他们分别对直轨和弯轨上的表面裂纹以及次表面裂纹进行了研究,最后得到简单的结果,认为过载或者重载是造成这些部位裂纹形成的原因,而进一步的分析结果认为是剪切应力在裂纹的形成上起到了很大作用。15KLJohnson在接触理论中预言:当在干态摩擦状态下,摩擦因数等于或高于013时,最大剪切应力就会发生在接触表面。11112疲劳裂纹起源于次表面滚动接触疲劳裂纹萌生还有相当一部分学者

12、认为起源于次表面,根据赫兹接触理论,认为裂纹起源于最大剪应力处,与材料表面相距0178b(b是接触椭圆面短轴的一半),最大剪应力的方向与z轴夹角成45°,裂纹在此次表面萌生并扩展。在裂纹起源于次表面方面的文献中,EkbergA发表了很多较成熟的理16论。他认为次表面产生的裂纹比表面产生的裂纹具有更大的危害,而形成次表面裂纹最大的原因是材料内部缺陷。次表面裂纹一般起源于材料表面下35mm深处,最大也会到达表面下25mm左右。它形成的主要原因也是因为材料表面受到切向作用力而在材料表面及内部形成剪切应变的一个应力场,当材料内部的形变达到韧性极限则出现裂纹状的空洞,最早发现的滚动接触疲劳这一

13、内部裂纹空洞即为核状的内17部裂纹。氢在轮轨材料中也起到一个很重要的角色。氢原子最初是单个分布于轮轨材料中,当材料受到循环作用后,内部压力增高,材料温度上升,会导致氢原子相互间结合成氢气。当这种情况发生时,形成的气孔周围会产生巨大的应力集中导致材料失效。最后会形2005年第6期张伟等:钢轨滚动接触疲劳研究197成一种形似硬币状的裂纹,是形成大范围的疲劳裂纹18扩展的主要原因。轮轨材料钢在生产时就应该严格控制氢在钢中的含量,以减少钢内部硬币状裂纹的形成。到目前为止,滚动接触疲劳裂纹到底是起源于表面还是次表面的问题依然没有一个十分确切的结论,但是根据两种不同的起源方式,相关研究人员和学者都得到了很

14、多有用的结论,并因这些结论,分析了影响RCF的因素,以及研究了大量的预防措施来减缓疲劳或者减少疲劳,在实际运用中,果。112一般讲,沿,则在主裂纹的前面将发生反复的裂纹成核,即出现裂纹的不连续扩展;如果裂纹尖端处出现累积形变,则主裂纹的前沿线将进行连续延伸,而在其前面并无独立的裂纹成核,这就是裂纹的连续扩展。关于疲劳裂纹的扩展机理有很多论述,到目前为止,以下两种模型是比较常用的。第一种是比较公认的Laird2Smith在1962年提出的裂纹尖端反复钝化和反复锐化模型,其实质是表明裂纹尖端范性形变直接导致裂纹扩展,如图1所示。裂纹形成后,裂纹尖端由尖锐在一次循环拉伸过程变钝,再由挤压过程把裂纹两

15、侧表面压合,从而使裂纹尖端锐化,完成一次拉伸挤压过程,如此循环,造成裂纹扩展。另一种是裂纹不连续扩展模型,如图2所示。在疲劳过程中的循环性形变,引起裂纹尖端塑性区部分累积损伤,并形成显微空穴,这时裂纹两侧在拉伸应力作用下变钝,未向前裂的裂纹与空穴间的部分受拉力作用而变窄,最后导致这两部分连接,造成裂纹的向前扩展。113钢轨滚动接触疲劳的裂纹破坏形态分类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处,因为以下两个原因使得曲线外侧钢轨比曲线内侧钢轨更容易产生疲劳裂纹19为轮轨接触几何关系,使得外侧高轨相对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

16、形态,可将钢轨裂纹破坏形态基本分为以下几大类。11311麻点剥落裂纹由于拉压、循环载荷作用在材料表面形成,并因为裂纹形成处接触点应力集中而导致裂纹处的材料呈小颗粒麻点状脱落,钢轨截面可V,但深度都相对较02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。11312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

17、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20离。浅层短裂纹是造成剥离的主要形式,见图3。TB1778286钢轨伤损分类标准中,伤损编号11表示由于钢轨金属接触疲劳原因导致的踏面金属裂纹21或剥离的伤损。图3浅层短裂纹11313断裂。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,因裂纹形成以后,走向与轨面成很大锐角甚至直角20扩展,见图4,钢轨斜裂纹不断深入到钢轨

18、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21题,关系到铁路行车的安全。198润滑与密封23总第172期图4大角度长裂纹的走向11314其它方式目前钢轨因疲劳直接导致的破坏形态主要有以上介绍的3种,除此之外,钢轨压溃、塌陷等形态也是,而形成破坏。,钢轨压。2影响滚动接触疲劳的因素影响轮轨滚动接触疲劳的因素很多,比如接触面的光洁度、润滑状况、表面缺陷、环境因素等等情况,但从本质上决定材料接触疲劳性能的还是材料本身的成分和微观结构。下面对钢轨滚动接触疲劳

19、的影响因素进行探讨。211材料自身材料自身的条件是影响滚动接触疲劳的主要因素。很多文献阐述并证实了这一观点。钢轨钢的组织结构中各相的成分以及含量多少对滚动接触疲劳会产生不同的影响,由于不同相(比如铁素体、马氏体、贝氏体、奥氏体、珠光体等)影响接触疲劳的方式不一,而且当很多相共同存在时,这种影响就造成材料组织对滚动接触疲劳的影响更不容易下定论。实践证明,合金组织稳定性和均匀性越好,材料的疲劳强度越高。轮轨中存在非金属夹杂物,轮轨加工过程中产生的空洞、裂纹和残余应力,钢轨接头焊接时留下的残余应力,接触表面粗糙度和不平顺等,这些缺陷难以完全消除,对轮轨滚动接触疲劳影响很大。大小不一的非金属夹杂物随机

20、分布在材料内部及表面,它们脆性相对较大,在较大载荷下容易碎裂,若在材料内部,裂纹会从夹杂物内部或边缘形成;若在轮轨接触表面上,则形成凹凸不平的麻点,是造成应力集中的地方。表面裂纹以及内部形成的空洞或裂纹周围在反复作用下产生高度的应力集中,当超过材料的屈服极限时,发生明显的塑性流动最终导致断22裂,是钢轨产生损伤的主要原因之一。除了从钢轨材料本身可以改善滚动接触疲劳,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磨损,比如选择固态互溶性低的两种材料作为匹配材料,可调节因车轮与钢轨之间倾向于粘着而发生的加剧磨损,从而降低或减缓滚动接触疲劳的发生。212外部条件材料加工完成后不同的表

21、面光洁度,对滚动接触疲劳也有比较大的影响。比如刚投入使用的钢轨,表面未经过车轮碾磨,在使用过程中,首先会发生较大的表面塑性变形,形成表面裂纹;表面粗糙度不同,粗,滚动接触疲劳,使钢轨的疲劳寿命更符合预期的理论计算,降低因材料表面加工过程造成的损失。水或油被当作是引起表面裂纹扩展的主要原因。文献24讨论了润滑剂下的RCF试验,试验结果表明:(1)在滚动疲劳寿命中,润滑剂起到一个很重要的作用;(2)正常情况下,在同一种油系列里,润滑油的粘度越高,滚动疲劳寿命也越长。事实上,在有润滑状况下,表面起源的裂纹对于钢轨来说更普遍也更有危害性。在车轮反复作用于钢轨的情况下,润滑剂倾向于渗透进表面裂纹,由于润

22、滑剂的挤压效应,将产生一种类似于炸裂开的效果,25加速裂纹的扩展。3减缓滚动接触疲劳的措施311提高轮轨强度提高轮轨强度是主要的减缓滚动接触疲劳的措施之一,主要包括有表面机械处理以及化学改性等方法,国内外大量文献研究表明可从提高轮轨强度入手来减缓滚动接触疲劳。综合起来主要有以下几个方面:(1)适当改变钢轨硬度的方法。FJFranklin等人在基准材料为珠光体的钢轨(HV270)的表面,26利用涂层技术,提高了钢轨的抗疲劳效果。(2)钢轨中马氏体组织属于高碳马氏体组织,其基本特性是硬而脆且具有较大的裂纹敏感性,是造成钢轨突发性脆断的主要原因之一。减少轮轨材料中马氏体组织的产生有助于提高轮轨强度。

23、(3)铬、钒铬合金抗热疲劳能力非常强,因此有研究人员考虑将铬、钒铬合金加入轮轨材料中,以降低轮轨接触过程中因为产生大量热量而导致轮轨热疲劳发生,这一方法已证实对轮轨抗热疲劳有较好效果。(4)稀土的作用。稀土可延缓钢轨钢表面疲劳裂纹的萌生和扩展、推迟表面剥离、减小裂纹贯穿角和裂纹稳定贯穿深度、缩小塑性变形范围和改善表面2005年第6期27张伟等:钢轨滚动接触疲劳研究2191199加工硬化效果。312改善工作状况车辆在运行中的轮轨接触环境十分复杂,例如温度、润滑等因素影响而造成的轮轨运行工况的多变,而研究温度、润滑等影响因素的文献数量比例占整个防止轮轨滚动接触疲劳的文献数第一位,足以说明这些因素在

24、轮轨滚动接触过程中的重要性。而除了这些显著影响轮轨接触环境的因素外,还有很多其它因素也扮演着不同的角色,比如在雨天行车,轨面有树叶、沙砾等等。中所产生的作用与影响,313优化轮轨型面JJKalker问题。他提出车轮踏面设计从锥形踏面到磨耗形踏28面,从而减低了轮轨接触应力,提高了车辆动力学运行品质,有效地改善了轮轨系统抗滚动接触疲劳的性能。4结束语随着高速、重载铁路的发展,钢轨滚动接触疲劳已成为影响铁路运输效率以及经济效率提高的一大难题。钢轨滚动接触疲劳的破坏形式多种多样,加强对钢轨滚动接触疲劳形成机理的研究,有效预防或减缓钢轨滚动接触疲劳损伤,具有十分重要的社会意义和经济意义。从影响钢轨滚动

25、接触疲劳产生的因素来看,钢轨新材料的开发、轮轨接触几何型面的优化、铁路工况的改善等措施能减少或者减缓钢轨滚动接触疲劳的出现。参考文献【1】史密斯1钢轨滚动接触疲劳的进一步研究J1中国铁道科学,2002,23(3)1【2】OfficeforResearchandExperimentsoftheInternationalUnionofWays1Question:Rollingcontactfatigue,ReportNo1,Reviewofrollingcontactfatigueinrails119991751【9】FletcherDI1Equilibriumofcrackgrowthandwe

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34、研究技术的进展203为使环境行为与润滑剂技术性能相互结合起来,许多国家都推广采用了“生态标记”或“生态记号”,用此标记对环境兼容产品进行识别,以给用户以安全可靠的感觉。(1)全球生态标记网络(GEN)。其目的是创立一个交流信息和促进生态标记的论坛。到目前为止,西班牙、美国、加拿大、瑞典、芬兰、挪威、日本、英国和中国的台湾都已经是成员单位,印度和希腊也在申请中。(2)德国的“蓝色守护神”。德国于1999立的世界上第一个生态标记计划,(UBA)织、消费者协会、代表组成,虑。关于润滑剂方面已经颁布的法规有:RALUZ48,用于链锯油(1998年);RALUZ64,用于可快速生物降解润滑剂和开关油(1

35、991年);RALUZ79,用于可快速生物降解液压油(1996年)。(3)北欧国家(挪威、瑞典、芬兰、冰岛)环境标记“白天鹅”。北欧“白天鹅”标记声称自己是中立的、独立的、世界上第一个多国家(跨国)生态标记系统。(4)加拿大的“环境选择”标记。1994年,加9拿大润滑剂产品销售总量大致为1×10L,其中20×510L为植物基润滑剂。(5)中国的生态标记计划通称为“中国产品环境标记鉴定委员会(CCEL)”,在约有13亿人口的国内市场,这无疑具有非常重要的意义,该系统由国家环境保护局管理。4结束语综上所述,绿色环保润滑剂与普通的润滑剂一样,也是由基础油和添加剂两部分组成。目前现

36、有的基础油有矿物油、合成油和植物油3种,矿物油性能虽好,但生物降解性差,达不到环境的要求;合成油的性能和生物降解性都好,但价格较贵,用户难以接受;植物油的生物降解性好,但抗氧化性能和低温性能较差。理想的高性能环境兼容的基础油应该具有:高生物降解性和低毒性;优良的氧化稳定性;良好的低温性能;成本比合成酯低;使用性能可与矿物油和合成酯匹敌。目前的几种基础油都达不到以上要求,但可通过生物技术改进植物油达到。而目前的添加剂在生物降,这就要,通过大量的实参考文献1】黄文轩1润滑剂添加剂应用指南1北京:中国石化出版社,20031【2】T曼格,W德雷泽尔(德国)编著,赵旭涛等译1润滑剂与润滑1北京:化学工业出版社,20031【3】EranSZ1USDAisdesigningvegetablebasestocks1LubEng,1998,54(7):2123