鋼軌踏面斜裂紋模擬再現(xiàn)試驗(yàn)研究論文

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1、鋼軌踏面斜裂紋模擬再現(xiàn)試驗(yàn)研究論文摘要：根據(jù)鋼軌踏面斜裂紋的損傷特點(diǎn)和輪軌力與斜裂紋關(guān)系分析設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，在西南交通大學(xué)JD-1輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)廣深高速鐵路鋪設(shè)的PD3熱軋鋼軌材料進(jìn)行了斜裂紋損傷再現(xiàn)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，輪軌接觸方式是鋼軌斜裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的重要影響因素；軸重增加會(huì)增大輪軌接觸應(yīng)力，增加磨損量，加速接觸疲勞現(xiàn)象的產(chǎn)生。關(guān)鍵詞：鋼軌斜裂紋接觸疲勞Abstract:Basedonthedamagecharactersofrailtreadobliquecrackandtherelationbe

2、tulationfacility.PD3railmaterialulationtest.Theresultsshoodeisanimportantinfluencingfactoroftherailobliquecrack.Theincreaseinaxleloadaggravatetheaterial.Keyh-1速度通過(guò)半徑為1460m曲線時(shí)，由踏面斜裂紋引起鋼軌橫向斷裂造成出軌，導(dǎo)致4人死亡，70人受傷3。2003年4月的數(shù)據(jù)表明，荷蘭6690km的線路上,399.6km的鋼軌出現(xiàn)踏面斜裂紋，其中25

3、km傷損非常嚴(yán)重4。我國(guó)廣深準(zhǔn)高速鐵路自2002年4月以來(lái)，在準(zhǔn)高速區(qū)段部分半徑1600m及1400m和非準(zhǔn)高速區(qū)段半徑1000m及800m的曲線上股鋼軌踏面處陸續(xù)出現(xiàn)斜裂紋傷損，并已有兩處鋼軌發(fā)生橫向斷裂5，如圖1所示。我國(guó)廣深準(zhǔn)高速鐵路鋼軌斜裂紋不同于以往的魚(yú)鱗狀剝離裂紋，一般不發(fā)展成剝離掉塊，裂紋萌生后沿鋼軌作用邊，呈45°角，迎行車方向朝鋼軌踏面中心擴(kuò)展。裂紋發(fā)展到一定程度后，便快速擴(kuò)展成大尺寸橫向疲勞裂紋，直至鋼軌發(fā)生橫向折斷，嚴(yán)重危及行車安全6。圖1廣深線斜裂紋Fig1Therailtreado

4、bliquecracksinGuangzhou-ShenzhenQuasiHigh-speedRailm的對(duì)磨輪，對(duì)磨輪為主動(dòng)輪，帶動(dòng)試樣相對(duì)滾動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)試樣軸施加不同的垂直壓下力以實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)載荷的需要。對(duì)試樣軸實(shí)施夾緊制動(dòng)力以實(shí)現(xiàn)摩擦力要求的試驗(yàn)。對(duì)磨輪軸在水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)α角度，使之在水平方向與鋼軌試樣軸形成一定夾角α(即沖角)，以實(shí)現(xiàn)不同曲線半徑的模擬試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)沖角α大小是根據(jù)韶山4型電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架參數(shù)和曲線半徑計(jì)算所得。JD-1輪軌試驗(yàn)機(jī)采用轉(zhuǎn)速模擬，即試樣轉(zhuǎn)速與車速所對(duì)應(yīng)的機(jī)車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度相

5、同，車輪直徑按1250mm計(jì)，則：試樣轉(zhuǎn)速車速/車輪圓周長(zhǎng)。按此式分別求得不同車速下的試樣轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)載荷(接觸應(yīng)力)是依據(jù)軸重按赫茲理論有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，需滿足試樣和線路鋼軌的最大接觸應(yīng)力相等。對(duì)磨輪接觸面為平面。試樣接觸方式有兩種,第Ⅰ種為半徑R61的弧面接觸，如圖3所示。半徑R的大小是依據(jù)線路輪軌的接觸方式計(jì)算確定，需試樣和對(duì)磨輪接觸面橢圓的長(zhǎng)短半軸之比與線路鋼軌輪軌接觸橢圓的長(zhǎng)短半軸之比相等。此接觸弧R61是根據(jù)60kg/m鋼軌與車輪的接觸方式所確定。第Ⅱ種接觸方式是為了模擬輪對(duì)通過(guò)曲線時(shí)受橫向摩擦力

6、F的斜面接觸方式。在試樣滾動(dòng)弧面一端加工1:20錐面，并以試樣軸在垂直平面內(nèi)沿斜面方向轉(zhuǎn)動(dòng)β角度(約為3度)安裝，同時(shí)讓試樣能沿試樣軸在D(2-3mm)范圍內(nèi)移動(dòng)。如圖4所示。圖3接觸方式Ⅰ示意圖Fig3SketchmapofcontactⅠ圖4接觸方式Ⅱ示意圖Fig4SketchmapofcontactⅡ試驗(yàn)選用PD3熱軋鋼軌材料，其化學(xué)成分見(jiàn)表1；試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。表1鋼軌鋼化學(xué)成分與機(jī)械性能Tab.1ConstituentsofthePD3railmaterial3．試驗(yàn)結(jié)果與討論按表2試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行滾動(dòng)

7、模擬試驗(yàn)，各試樣的磨損量如圖5所示。弧面接觸的試樣1磨損量小于斜面接觸的試樣2、3、4。試樣1與2相比，各試驗(yàn)參數(shù)相同，但由于接觸方式不同造成試驗(yàn)結(jié)果相差很大，試樣1的磨損量?jī)H為試樣2的58%。斜面接觸試樣由于橫向力的作用，接觸應(yīng)力較大，因此磨損量也較大。輪軌接觸應(yīng)力隨軸重增加而增大，因此試樣2、3、4磨損量逐漸亦隨軸重增加而增大，且呈線性增長(zhǎng)。圖5試樣磨損量Fig5Abrasionvalueofsamples圖6為試樣1和4的對(duì)磨輪磨面形貌對(duì)比。試樣1對(duì)磨輪磨面磨痕平坦，磨損程度較輕，且磨面主要表現(xiàn)為塑性

8、變形和磨粒磨損；試樣4對(duì)磨輪磨痕深度較深，磨損程度較重，磨面有明顯較深的溝槽，并出現(xiàn)大量橫向和斜向裂紋。(a)試樣1(a)Sample1(b)試樣4(b)Sample4對(duì)各試樣橫縱斷面裂紋的電鏡觀察結(jié)果表明，試樣磨面的裂紋均起源與試樣表面，且與表面以一定夾角向試樣里層擴(kuò)展延伸。某些裂紋與試樣表面的夾角較小，并在表層擴(kuò)展,最后形成剝離，如圖7(a)所示；某些裂紋在擴(kuò)展前期與試樣表面的夾角較小，但擴(kuò)展一定長(zhǎng)度后以較大