钢轨踏面斜裂纹模拟再现试验研究.doc

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1、钢轨踏面斜裂纹模拟再现试验研究摘要：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Abstract:Basedonthedamagecharactersofrailtreadobliquecrackandtherelationbetweenwheel-railcontactforc

2、eandobliquecrack,thereappearancetestofrailobliquecrackwascarriedonusingJD-1wheel/railsimulationfacility.PD3railmaterialwasusedinthesimulationtest.Theresultsshowthatthewheel-railcontactmodeisanimportantinfluencingfactoroftherailobliquecrack.Theincreaseinaxleloadaggravatethewearand

3、rollingcontactfatigueofwheel/railmaterial.Keywords:Rail,Obliquecrack,Contactfatigue1．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1460m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6690km的

4、线路上,399.6km的钢轨出现踏面斜裂纹，其中25km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1600m及1400m和非准高速区段半径1000m及800m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Fig1Thera

5、iltreadobliquecracksinGuangzhou-ShenzhenQuasiHigh-speedRailway4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。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

6、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Fx,轮对的摇头角较大和横向运动引起横向切向力F，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

7、后导致钢轨横向断裂[7]。图2轮轨作用力与钢轨斜裂纹关系Fig2Therelationbetweenwheel-railcontactforceandobliquecrack2.2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Φ1150mm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

8、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