1 钢 轨 踏 面 斜 裂 纹 模 拟 再 现 试 验 研 究 彭 亮, 陈 明 韬, 王 文 健, 刘 启 跃 西 南 交 通 大 学 摩 擦 学 研 究 所, 成 都 (610031) E-mail:ronpeng2007@tom.com 摘 要 : 根 据 钢 轨 踏 面 斜 裂 纹 的 损 伤 特 点 和 轮 轨 力 与 斜 裂 纹 关 系 分 析 设 计 试 验 方 案, 在 西 南 交 通 大 学 JD-1 轮 轨 模 拟 试 验 机 上, 对 广 深 高 速 铁 路 铺 设 的 PD3 热 轧 钢 轨 材 料 进 行 了 斜 裂 纹 损 伤 再 现 试 验 试 验 结 果 表 明, 轮 轨 接 触 方 式 是 钢 轨 斜 裂 纹 产 生 和 扩 展 的 重 要 影 响 因 素 ; 轴 重 增 加 会 增 大 轮 轨 接 触 应 力, 增 加 磨 损 量, 加 速 接 触 疲 劳 现 象 的 产 生 关 键 词 : 钢 轨 斜 裂 纹 接 触 疲 劳 中 图 分 类 号 :U213 1. 引 言 钢 轨 踏 面 斜 裂 纹 是 国 内 外 高 速 线 路 曲 线 钢 轨 的 典 型 破 坏 现 象, 属 于 滚 动 接 触 疲 劳 裂 纹 伤 损 类 型 [1,2] 随 着 铁 路 运 输 速 度 的 不 断 提 高, 钢 轨 斜 裂 纹 已 成 为 危 及 铁 路 运 输 安 全 的 重 要 因 素 之 一 2000 年 10 月 17 日, 英 国 一 高 速 列 车 以 185km h -1 速 度 通 过 半 径 为 1 460 m 曲 线 时, 由 踏 面 斜 裂 纹 引 起 钢 轨 横 向 断 裂 造 成 出 轨, 导 致 4 人 死 亡,70 人 受 伤 [3] 2003 年 4 月 的 数 据 表 明, 荷 兰 6 690 km 的 线 路 上, 399.6 km 的 钢 轨 出 现 踏 面 斜 裂 纹, 其 中 25 km 伤 损 非 常 严 重 [4] 我 国 广 深 准 高 速 铁 路 自 2002 年 4 月 以 来, 在 准 高 速 区 段 部 分 半 径 1 600 m 及 1 400 m 和 非 准 高 速 区 段 半 径 1 000 m 及 800 m 的 曲 线 上 股 钢 轨 踏 面 处 陆 续 出 现 斜 裂 纹 伤 损, 并 已 有 两 处 钢 轨 发 生 横 向 断 裂 [5], 如 图 1 所 示 我 国 广 深 准 高 速 铁 路 钢 轨 斜 裂 纹 不 同 于 以 往 的 鱼 鳞 状 剥 离 裂 纹, 一 般 不 发 展 成 剥 离 掉 块, 裂 纹 萌 生 后 沿 钢 轨 作 用 边, 呈 45 角, 迎 行 车 方 向 朝 钢 轨 踏 面 中 心 扩 展 裂 纹 发 展 到 一 定 程 度 后, 便 快 速 扩 展 成 大 尺 寸 横 向 疲 劳 裂 纹, 直 至 钢 轨 发 生 横 向 折 断, 严 重 危 及 行 车 安 全 [6] 图 1 广 深 线 斜 裂 纹 Fig1 The rail tread oblique cracks in Guangzhou-Shenzhen Quasi High-speed Railway 随 着 我 国 四 纵 四 横 铁 路 客 运 专 线 网 的 建 设 和 现 有 铁 路 提 速 规 划 的 实 施, 对 钢 轨 踏 面 斜 裂 纹 的 研 究 已 越 来 越 重 要 本 文 根 据 钢 轨 斜 裂 纹 的 损 伤 特 点 和 轮 轨 力 作 用 方 式 试 验 研 究 了 钢 轨 斜 裂 纹 的 形 成 机 制, 对 缓 解 钢 轨 斜 裂 纹 危 害, 确 保 铁 路 运 输 安 全 具 有 重 要 作 用 1 本 课 题 得 到 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (50675183) 和 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 ( 项 目 编 号 : 20060613017) 的 资 助 - 1 -
2. 试 验 简 介 2.1 轮 轨 力 与 斜 裂 纹 关 系 钢 轨 踏 面 斜 裂 纹 多 数 发 生 在 曲 线 外 股 钢 轨 的 内 轨 角 处 曲 线 内 轨 顶 面 外 侧 车 轮 轮 缘 根 部 和 车 轮 踏 面 尾 部 图 2 给 出 了 轮 轨 作 用 力 与 外 股 钢 轨 斜 裂 纹 关 系 示 意 图 以 曲 线 外 股 钢 轨 的 内 轨 角 处 斜 裂 纹 为 例 : 当 轮 对 通 过 曲 线 时, 外 轨 处 的 车 轮 轮 缘 贴 靠 外 轨 内 角 处 向 前 滚 动, 而 另 一 侧 车 轮 踏 面 尾 部 和 内 轨 顶 部 外 侧 发 生 接 触 由 于 左 右 车 轮 滚 动 半 径 不 同 和 轮 对 的 摇 头 角 产 生, 滚 动 轮 径 差 引 起 外 轮 轨 之 间 有 较 大 的 纵 向 切 向 力 F, 轮 对 的 摇 头 角 较 大 和 横 向 运 动 引 起 横 向 切 向 力 F τ, 导 致 外 轮 与 曲 线 外 轨 内 侧 接 触 切 应 力 F 极 大 当 轮 轨 接 触 压 应 力 超 过 钢 轨 接 触 疲 劳 强 度 或 抗 塑 性 变 形 许 用 值 时, 踏 面 表 层 金 属 产 生 塑 性 变 形, 在 此 反 复 接 触 切 应 力 F 作 用 下 疲 劳 裂 纹 在 塑 性 变 形 层 表 萌 生, 并 以 一 定 的 倾 斜 角 度 向 下 扩 展, 裂 纹 扩 展 到 一 定 深 度 后, 扩 展 方 向 开 始 受 动 弯 应 力 和 长 钢 轨 温 度 应 力 的 控 制 而 开 始 向 横 向 疲 劳 扩 展, 最 后 导 致 钢 轨 横 向 断 裂 [7] x 图 2 轮 轨 作 用 力 与 钢 轨 斜 裂 纹 关 系 Fig2 The relation between wheel-rail contact force and oblique crack 2.2 试 验 方 法 试 验 在 西 南 交 通 大 学 JD-1 轮 轨 模 拟 试 验 机 上 进 行 [8] 试 验 中 钢 轨 试 样 为 上 轮, 下 轮 为 Φ1150 mm 的 对 磨 轮, 对 磨 轮 为 主 动 轮, 带 动 试 样 相 对 滚 动 进 行 试 验 对 试 样 轴 施 加 不 同 的 垂 直 压 下 力 以 实 现 不 同 试 验 载 荷 的 需 要 对 试 样 轴 实 施 夹 紧 制 动 力 以 实 现 摩 擦 力 要 求 的 试 验 对 磨 轮 轴 在 水 平 方 向 转 动 α 角 度, 使 之 在 水 平 方 向 与 钢 轨 试 样 轴 形 成 一 定 夹 角 α( 即 冲 角 ), 以 实 现 不 同 曲 线 半 径 的 模 拟 试 验 模 拟 试 验 冲 角 α 大 小 是 根 据 韶 山 4 型 电 力 机 车 转 向 架 参 数 和 曲 线 半 径 计 算 所 得 JD-1 轮 轨 试 验 机 采 用 转 速 模 拟, 即 试 样 转 速 与 车 速 所 对 应 的 机 车 车 轮 转 动 速 度 相 同, 车 轮 直 径 按 1250 mm 计, 则 : 试 样 转 速 ω = 车 速 / 车 轮 圆 周 长 按 此 式 分 别 求 得 不 同 车 速 下 的 试 样 转 速 试 验 载 荷 ( 接 触 应 力 ) 是 依 据 轴 重 按 赫 兹 理 论 有 关 公 式 进 行 计 算, 需 满 足 试 样 和 线 路 钢 轨 的 最 大 接 触 应 力 相 等 对 磨 轮 接 触 面 为 平 面 试 样 接 触 方 式 有 两 种, 第 Ⅰ 种 为 半 径 R61 的 弧 面 接 触, 如 图 3 所 示 半 径 R 的 大 小 是 依 据 线 路 轮 轨 的 接 触 方 式 计 算 确 定, 需 试 样 和 对 磨 轮 接 触 面 椭 圆 的 长 短 半 轴 之 比 与 线 路 钢 轨 轮 轨 接 触 椭 圆 的 长 短 半 轴 之 比 相 等 此 接 触 弧 R61 是 根 据 60 kg/m 钢 - 2 -
轨 与 车 轮 的 接 触 方 式 所 确 定 第 Ⅱ 种 接 触 方 式 是 为 了 模 拟 轮 对 通 过 曲 线 时 受 横 向 摩 擦 力 F τ 的 斜 面 接 触 方 式 在 试 样 滚 动 弧 面 一 端 加 工 1:20 锥 面, 并 以 试 样 轴 在 垂 直 平 面 内 沿 斜 面 方 向 转 动 β 角 度 ( 约 为 3 度 ) 安 装, 同 时 让 试 样 能 沿 试 样 轴 在 D(2-3mm) 范 围 内 移 动 如 图 4 所 示 R61 试 样 φ62 锥 面 1:20 D 对 磨 轮 φ1150 β α 图 3 接 触 方 式 Ⅰ 示 意 图 Fig3 Sketch map of contact Ⅰ 图 4 接 触 方 式 Ⅱ 示 意 图 Fig4 Sketch map of contactⅡ 试 验 选 用 PD3 热 轧 钢 轨 材 料, 其 化 学 成 分 见 表 1; 试 验 参 数 见 表 2 表 1 钢 轨 钢 化 学 成 分 与 机 械 性 能 Tab.1 Constituents of the PD3 rail material 钢 轨 C Si Mn P S V PD3 0.72~0.82 0.65~0.90 0.75~1.05 0.04 0.04 0.05~0.12 表 2 试 验 参 数 Tab.2 Parameters of test 编 号 曲 线 半 径 /m 模 拟 轴 重 /t 模 拟 车 速 /km/h 试 验 周 期 / 转 接 触 方 式 1 800 8 160 5 10 5 Ⅰ 2 800 8 160 5 10 5 Ⅱ 3 800 10.5 160 5 10 5 Ⅱ 4 800 12.5 160 5 10 5 Ⅱ 3. 试 验 结 果 与 讨 论 按 表 2 试 验 参 数 进 行 滚 动 模 拟 试 验, 各 试 样 的 磨 损 量 如 图 5 所 示 弧 面 接 触 的 试 样 1 磨 损 量 小 于 斜 面 接 触 的 试 样 2 3 4 试 样 1 与 2 相 比, 各 试 验 参 数 相 同, 但 由 于 接 触 方 式 不 同 造 成 试 验 结 果 相 差 很 大, 试 样 1 的 磨 损 量 仅 为 试 样 2 的 58% 斜 面 接 触 试 样 由 于 横 向 力 的 作 用, 接 触 应 力 较 大, 因 此 磨 损 量 也 较 大 轮 轨 接 触 应 力 随 轴 重 增 加 而 增 大, 因 此 试 样 2 3 4 磨 损 量 逐 渐 亦 随 轴 重 增 加 而 增 大, 且 呈 线 性 增 长 - 3 -
1.0 0.8 磨 损 量 /g 0.6 0.4 0.2 0.0 1# 2# 3# 4# 试 样 图 5 试 样 磨 损 量 Fig5 Abrasion value of samples 图 6 为 试 样 1 和 4 的 对 磨 轮 磨 面 形 貌 对 比 试 样 1 对 磨 轮 磨 面 磨 痕 平 坦, 磨 损 程 度 较 轻, 且 磨 面 主 要 表 现 为 塑 性 变 形 和 磨 粒 磨 损 ; 试 样 4 对 磨 轮 磨 痕 深 度 较 深, 磨 损 程 度 较 重, 磨 面 有 明 显 较 深 的 沟 槽, 并 出 现 大 量 横 向 和 斜 向 裂 纹 运 动 方 向 运 动 方 向 (a) 试 样 1 (b) 试 样 4 (a) Sample 1 (b) Sample 4 图 6 对 磨 轮 磨 面 形 貌 对 比 Fig6 contrast of big wheel s surface 对 各 试 样 横 纵 断 面 裂 纹 的 电 镜 观 察 结 果 表 明, 试 样 磨 面 的 裂 纹 均 起 源 与 试 样 表 面, 且 与 表 面 以 一 定 夹 角 向 试 样 里 层 扩 展 延 伸 某 些 裂 纹 与 试 样 表 面 的 夹 角 较 小, 并 在 表 层 扩 展, 最 后 形 成 剥 离, 如 图 7(a) 所 示 ; 某 些 裂 纹 在 扩 展 前 期 与 试 样 表 面 的 夹 角 较 小, 但 扩 展 一 定 长 度 后 以 较 大 角 度 向 试 样 内 部 扩 展 如 图 7(b) 所 示, 此 裂 纹 符 合 文 献 [3] 和 [6] 中 所 介 绍 的 斜 裂 纹 特 - 4 -
征 (a) 位 置 1 (b) 位 置 2 (a) position 1 (b) position 2 图 7 试 样 4 裂 纹 扩 展 形 貌 Fig7 Appearance of rail cracks sample 4 4. 总 结 1) 轮 轨 接 触 方 式 是 钢 轨 斜 裂 纹 产 生 和 扩 展 的 重 要 影 响 因 素, 通 过 改 善 轮 轨 接 触 形 面 能 有 效 降 低 接 触 应 力, 减 缓 钢 轨 斜 裂 纹 的 形 成 2) 轮 轨 接 触 应 力 随 轴 重 增 加 而 增 大, 加 剧 磨 损 和 接 触 疲 劳 现 象 产 生 参 考 文 献 [1] Rene Heyder.UIC 新 版 钢 轨 伤 损 分 类 [J]. 铁 路 工 程 师, 2002(1) 21-27. [2] D.F.Cannon.A International Cross Reference of Rail Defects A Report Commissioned by the UIC/WEC Rail Defect Management Project Steering Group [R].Paris: UIC, 2001. [3] 史 密 斯 ( 英 国 ). 钢 轨 滚 动 接 触 疲 劳 的 进 一 步 研 究 [J]. 中 国 铁 道 科 学, 2002, 23(3): 6-10. [4] Jerone Smalders. 应 对 滚 动 接 触 疲 劳 [J]. 国 际 铁 道 工 程, 2003, 9: 43-46. [5] 广 州 铁 路 ( 集 团 ) 公 司 工 务 处. 广 深 线 钢 轨 伤 损 问 题 研 讨 会 交 流 资 料 [R]. 广 州 : 广 州 铁 路 ( 集 团 ) 公 司, 2003. [6] 刘 学 文, 邹 定 强, 邢 丽 贤, 等. 钢 轨 踏 面 斜 裂 纹 伤 损 原 因 及 对 策 的 研 究 [J]. 中 国 铁 道 科 学, 2004(4): 82-87. [7] 郭 俊. 轮 轨 滚 动 接 触 疲 劳 损 伤 机 理 研 究 [D]. 成 都 : 西 南 交 通 大 学, 2006. [8] 王 夏 鍫, 刘 钟 华.JD-1 轮 轨 摩 擦 学 模 拟 试 验 机 [R]. 成 都 : 西 南 交 通 大 学, 1987. Investigation on Reappearance Test of Rail Tread Oblique Crack PENG Liang,CHEN Mingtao,WANG Wenjian,LIU Qiyue Tribology Research Institute, Southwest Jiaotong University, Chengdu (610031) Abstract Based on the damage characters of rail tread oblique crack and the relation between wheel-rail contact force and oblique crack, the reappearance test of rail oblique crack was carried on using JD-1 wheel/rail simulation facility. PD3 rail material was used in the simulation test. The results show that the wheel-rail contact mode is an important influencing factor of the rail oblique crack. The increase in axle load aggravate the wear and rolling contact fatigue of wheel/rail material. Keywords: Rail, Oblique crack, Contact fatigue 作 者 简 介 : 彭 亮, 男,1981 年 生, 硕 士 研 究 生, 主 要 研 究 方 向 轮 轨 摩 擦 学 - 5 -