钢轨踏面斜裂纹模拟再现试验研究论文

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1、钢轨踏面斜裂纹模拟再现试验研究论文摘要：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:Basedonthedamagecharactersofrailtreadobliquecrackandtherelationbe

2、tulationfacility.PD3railmaterialulationtest.Theresultsshoodeisanimportantinfluencingfactoroftherailobliquecrack.Theincreaseinaxleloadaggravatetheaterial.Keyh-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的线路上,399.6km的钢轨出现踏面斜裂纹，其中25

3、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Fig1Therailtreado

4、bliquecracksinGuangzhou-ShenzhenQuasiHigh-speedRailm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

5、同，车轮直径按1250mm计，则：试样转速车速/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60kg/m钢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

6、F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。图3接触方式Ⅰ示意图Fig3SketchmapofcontactⅠ图4接触方式Ⅱ示意图Fig4SketchmapofcontactⅡ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.1ConstituentsofthePD3railmaterial3．试验结果与讨论按表2试验参数进行滚动

7、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。图5试样磨损量Fig5Abrasionvalueofsamples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

8、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。(a)试样1(a)Sample1(b)试样4(b)Sample4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