发布时间 : 星期日 文章钢轨表面长裂纹的扩展路径研究更新完毕开始阅读
西南交通大学本科毕业设计(论文)
1.2.1 轮轨滚动接触疲劳的基本理论[5]
轮轨的滚动接触的基本理论研究有：轮轨三维弹塑性滚动接触和轮轨蠕滑率/力理论这两大类。经典的基于Hertz假设轮轨蠕滑率/力理论的模型有：Carter的二维滚动接触蠕滑率/力模型[6]、Kalker线性滚动接触蠕滑率/力模型[7]、Vermeulen-Johnson无自旋三维滚动接触蠕滑率/力模型[8]、Kalker的简化理论[9]和沈志云-Hedrick-Elkins具有小自旋三维滚动接触蠕滑率/力模型[10]。Kalker基于变分原理，将三维弹性摩擦滚动接触问题归纳整理为一个变分不等式，用以求解接触斑上作用力与位移的乘积形式的余能最小值问题，且将其发展为CONTACT数值程序。它基于“完全理论”是目前研究三维弹性体非Hertz滚动接触问题的最佳理论。钟万勰利用参变量变分原理和有限元二次规划法解决了三维弹塑性接触问题[11]，Oden和Lin发表了相对运动关系式来分析平面滚动接触问题，并由Bass将其推广到三维情况[12]。Nachenhorst Udo利用变形梯度分解法和任意拉格朗日-欧拉法结合精细的自适应网格技术，将滚动接触副由弹性体对刚体推广到弹性体对弹性体，两维滚动接触推广到三维滚动接触[13]。
但是上述理论和方法只能用来分析某一种相对应的滚动接触问题，是基于一系列理想条件下和各种假设情况下的理论和方法。对于其他各种不同条件和现实环境下的滚动接触问题，还有待发展新的滚动接触理论来考虑这些因素。
1.2.2轮轨滚动接触疲劳破坏的现象及其原因
在列车运行时，轮轨间的相互作用行为较为复杂，不仅有相对的滚动行为，还要伴随着横向和纵向的滑动。因为在轮轨接触面与轮对轴线间的角度会发生变化，这使得车轮在滚动过程中相对钢轨做自旋运动，导致轮轨间的作用力变得更加复杂。轮轨的接触以点接触为主，由于相互挤压而形成的接触斑面积大约为100平方毫米左右[14]，其中所承受的载荷大约在50到200kN，故而接触应力变得十分大。轮轨经过滚动接触作用后，在其表面和体内均留下残余应变和残余应力或是微观裂纹，加之交变荷载的反复作用，这一现象将会进一步发展恶化，并在轮轨接触面形成压溃、剥离、龟裂、咬蚀、肥边、侧磨和波浪形磨损等等。这些都是致使轮轨失效维修的主要破坏类型，如若处理不当就会危及列车的安全行
第 3 页
西南交通大学本科毕业设计(论文)
驶。以下我们来介绍一下这些破坏类型的具体内容：
一、龟裂：在轮轨间复杂且较大的动荷载作用下，轮轨接触面及其内部的应力将会超出材料所能承受的弹性极限，导致发生塑性变形[15,16]，并将在交变荷载的反复作用下逐渐积累塑性变形不断恶化，直到突破材料的韧性极限。此时，材料丧失承载力发生开裂，这些裂纹在最初阶段是极其细微的，主要集中在轮轨接触面及其次表面中。轮轨接触面上的微裂纹在剪切应力与法向压力的不断作用下会进一步扩展，并在轮轨接触面上出现鱼鳞状裂纹—“龟裂”。这种裂纹在车轮轮缘根部和钢轨的内侧顶面最为集中，并与滚动方向约成45度角。此种裂纹在单轨的曲线高轨内侧的顶部表现得尤为严重，这是由于轮对在经过曲线的时候运动方向会发生改变，需要借助轮径差效应和外轨的约束制导来实现变向。此时，轮缘贴靠在外轨顶部内侧的接触斑上的横向摩擦力之和Fy以及纵向摩擦力之和会达到饱和状态[17]，并且其合力F与钢轨纵向成大约45度角。在合成力F的作用下，轮轨接触面材料的弹塑性变形与该合成力的方向一致。变形会逐渐积累，直到裂纹沿着与合力F的方向相垂直的方向扩展。如若通过改变车轮尺寸的方法来增加轮对通过弯路时的轮径差，就能够削减轮轨间的冲角，达成削减轮轨间横向刚性滑动和纵向刚性滑动的目的。而如果合力F被削减，就可能防止接触面裂纹的萌生和塑性变形的积累。
二、压溃：轨道的结构会致使轮轨出现严重的滚动接触疲劳破坏行为。在道岔处的有害空间和轨道间的缝隙中，由于轮轨间的横向与纵向的剧烈相互作用，导致这些在这些缝隙处轮轨间的相互作用力是普通的4到5倍[18]。在这种情况下，会导致轮轨接触面塑流型波浪磨损十分严重，并严重损害车轨结构中的零部件。下面举例说明车轮通过接头轨缝时的情况，车轮会首先撞击钢轨头部，并致使头部压溃，然后，可以根据轨道结构弹性能的释放效应，判断出车轮会再次弹起发生二次撞击，导致离钢轨端部约0.3米处的顶面材料压溃剥离。这种破坏类型是最常见且无法解决的破坏，此外，车轮经过轨缝时，在连接结构与受力变形的影响下螺栓处的应力激增，极易开裂，导致钢轨断裂。因为冲击载荷大，所以这种断裂往往出现于突发的重大脱轨事故[19]。
三、波磨：波磨主要在曲轨和接缝直轨上发生，由于轮对在通过曲线和轨缝时的波磨形式与动力学行为，使得波磨又可分为磨耗性与塑性流动型两类。曲轨
第 4 页
西南交通大学本科毕业设计(论文)
波磨以磨耗性波磨为主，这是由于轮对在通过曲线时内外轨长度不等，轮对贴在外侧钢轨上的时候轮径差不够，导致了轮对在曲线行驶时伴随较大的滑动量，左右轮反向相对钢轨刚性滑动[20]。根据摩擦学的理论得，接触面间滑动量越大，接触面磨耗量也随之增大。过车次数不断增加的过程中，不均匀的磨耗将导致曲轨接触面的磨耗型波磨逐渐形成。塑性流动波磨集中在轨缝顶面，当轮对在通过非平顺轨道或轨缝时车辆与轨道会产生强烈的振动，在确定的运行环境下，接触面的材料会由于不均匀的挤压而产生不均匀的变形和塑性流动[21]。当波磨积累到一定程度时会导致车辆与轨道间的噪声和振动激增，从而加速破坏车辆与轨道的结构及其内部零件，不仅危害生态环境还会影响乘车体验。对于较轻的波磨可以通过打磨来处理，如果情况较重只能通过更换钢轨来改善。
四、咬蚀：咬蚀是由于轮轨间的摩擦导致温度升高[22,23]，从而对轮轨接触疲劳产生巨大的影响，并且往往发生于列车紧急制动和刚刚启动的时候。在由轮轨相对滑动而导致的高温下，排除接触面粗糙度和塑性变形的影响，因轮轨相对滑动而产生的高温进入接触面时的摩擦系数、热流量、接触面上接触点以及接触斑上的压力密度均与相对滑动速度成正比例关系[24]。当轮轨大滑动时，紧急制动或高速牵引会导致“飞车”现象发生，致使接触面温度超过1000摄氏度[25]，此时，将引起轮轨接触面的材料力学性能发生较大的变化。因为接触面是移动的，所以进入摩擦接触的材料，其温度会急剧升高并在300摄氏度时，分解碳化体，开始向奥氏体转化，如果摩擦接触材料脱离接触斑，材料的高温迅速减退转化成韧性较低的马氏体，其深度大约在0.3到0.5毫米之间。车轮循环挤压后接触面上的马氏体将会发生脆性剥离现象，产生咬蚀。这类破坏不会导致车辆脱轨，但由于强烈冲击振动会损坏车轨内部结构的相关部件。
五、剥离：如果在运行时轮轨的接触面及其下部有微裂纹形成，那么这些裂纹将沿不同方向不断扩展，一旦在次表面上裂纹尖端沿着接触面平行扩展，在接触面上裂纹就会贯通，在轮轨的挤压下接触面上的材料就会因为破碎而剥离，如果次表面上的裂纹向接触面表面延伸，则会导致类似的破坏类型。若裂纹沿着纵向或横向延伸，易使轮轨在横向或纵向上发生灾难性的断裂行为，直接引发列车的脱轨事故。尤为危险的是在轮轨内部萌生的裂纹发生扩展行为，不仅难以发现，而且一旦扩展到一定程度就会致使轮轨突然发生断裂，从而导致列车脱轨。轮轨
第 5 页
西南交通大学本科毕业设计(论文)
间的相互作用力的大小和方向都会直接影响到裂纹的扩展路径和扩展速率，对于处于接触面上的垂向裂纹，轮轨间的切向摩擦力会让它依据I型和III型的裂纹形式进行扩展延伸，而法向压力则会让它依据II型裂纹的形式进行延伸扩展。但是对于那些位于接触面以下并平行于接触面的裂纹，法向压力和切向摩擦力会让这些裂纹依据II型和III型的裂纹形式进行延伸扩展。另外，那些与接触面形成某一角度的裂纹会在载荷的作用下依据混合裂纹的形式进行延伸扩展[26]。综上所述，减少轮轨之间的相互作用力可以抑制轮轨接触面裂纹的扩展速率。除此之外，轮轨间的第三介质也是影响轮轨接触面上的裂纹扩展速率的原因之一。当排除表面微观粗糙度的影响时，第三介质入侵到裂纹中以后，在车轮的挤压之下第三介质在裂纹中无法脱出，考虑到这些介质大多不可压缩，将会引起I型裂纹的强度因子K1较没有侵入第三介质的裂纹的强度因子K1的值高出了大约7到8倍左右。根据这一计算结果我们可以发现，在曲线高轨上涂抹润滑油降低轮轨的侧向摩擦力的同时也促进了高轨顶端内侧裂纹的萌生与扩展，直接导致其龟裂现象相比于直轨要严重许多，而这样的结果就是因为润滑油充当了第三介质造成的。
以上论述的破坏类型和方式，并未考虑到轮轨材料因制造工艺等因素带来的先天性缺陷。然而在生产生活实践中，因制造工艺不足导致的非金属残留物、空洞、残余应力以及接触面粗糙度和不平顺等不良因素，都是无法祛除的顽疾。由于这些因素的存在，轮轨滚动接触的疲劳破坏速率被加快，非金属夹杂物改变了材料力学性质，并在其他不良因素的共同作用下在轮轨内外形成裂纹和空洞，导致应力集中现象，当突破材料屈服极限就会出现压溃和断裂行为。因此，在如此众多的因素交织作用下，对轮轨的破坏类型和原因进行研究和分析是一项艰巨而有重大意义的科研事业。
1.3国外研究现状
近些年以来，伴随着我国高速铁路事业的不断蓬勃发展，铁路系统迎来了一个又一个挑战。从并线运行到高速重载，我国铁路经历了大约总共六次大提速，节约了大量时间成本和运转周期。但是随之而来的还有铁路系统的维护问题，其中以轮轨滚动接触疲劳问题，尤为突出已成为阻碍我国铁路发展的一大绊脚石。
第 6 页