防治钢轨螺栓孔裂的有效技术

介绍了一种经济、可靠的防裂技术－钢轨螺栓孔冷扩张技术，它通过在螺栓孔周边引入有益的残余压应力而起到提高螺栓孔疲劳寿命的作用。还简要介绍了冷扩张机制、残余压应力的产生和分布、防裂止裂的实际效果以及冷扩张技术的应用前景等。     

钢轨螺栓孔冷扩张过程弹塑性分析及其模拟计算

对钢轨螺栓孔冷扩张过程进行了弹塑性力学分析。通过简化的无限大平板的单孔模型的弹塑性理论计算，得出了冷扩张后的残余应力分布情况，证实冷扩张确实可产生预加压应力。为确定合适的扩孔率，分析多孔同时扩孔时塑性区的相互影响，建立了基于实际钢轨扩孔条件的轨端弹塑性有限元分析模型，对冷扩张过程的钢轨螺栓孔周边应力及变形情况进行了模拟计算。并结合对钢轨螺栓孔冷扩张及其加工过程的分析，考虑实测的钢轨螺栓孔没扩孔前的     

钢轨螺栓孔冷扩张后的残余应力分析

针对钢轨螺栓孔冷扩张过程，总结了相关的残余应力预测理论模型和研究结果，给出了一种基于冷扩张过程中应变场测量的半理论半实验应力分析方法，结合磁弹法和应力释放法，从实验的角度，测量并分析了钢轨螺栓孔冷扩张后残余应力场的大小、分布规律，建立了钢轨螺栓孔冷扩张后残余应力场的大小、分布与扩孔率的关系，为制定钢轨螺栓孔冷扩张工艺提供了依据。     

焊接残余应力对对接接头疲劳裂纹扩展的影响

为提供一种考虑焊接残余应力重分布效应的疲劳裂纹扩展数值模拟方法,并以此研究焊接残余应力对对接接头疲劳裂纹扩展的影响,采用热弹塑性有限元法计算焊接残余应力,再基于计算机图形学与等参元逆变换提出应力映射技术,并借助该技术将计算的应力映射到疲劳裂纹扩展分析模型.采用NASGRO方程,考虑焊接残余应力的重分布效应,研究焊接残余应力对疲劳寿命的影响.研究结果表明:1)即使是很小的焊接残余拉应力也可能对材料疲劳寿命造成显著的降低.相反,很小的焊接残余压应力也可能显著地提高材料的疲劳寿命,本算例不到10％材料屈服强度的焊接残余拉/压应力,将疲劳寿命降低了/提高了25％/75％以上;2)焊接残余拉应力对疲劳寿命的影响随着应力的增大而增大,但增大的比例随着应力值的增大而显著减小;3)残余压应力对疲劳寿命的影响程度要比同值的拉应力影响大.此外,根据研究结果还给出了一些降低焊接残余应力不利影响及提高材料疲劳性能的工程建议.     

提高螺栓连接轨道的安全性和延长其疲劳寿命

目前运营中的网轨大部分有螺栓接头，由于在钢轨端部的螺孔周围产生应力集中，螺栓接头处出现疲劳现象，采用开缝式衬套对栓孔进行冷胀，可使疲劳得到缓解，改善轨道的安全性和延长疲劳寿命，获得经济效益。     

轴重等工况对轮轨接触疲劳的影响

采用有限元分析软件对钢轨表面存在微裂纹的轮轨接触问题进行研究,依次考虑轴重、裂纹长度和车轮踏面形状对轮轨接触的影响,得到不同裂纹位置的应力强度因子。结果表明,磨耗型车轮踏面的应力强度因子比锥形车轮踏面小得多;轴重或裂纹长度的改变对钢轨的应力强度因子和微裂纹的扩展也有着显著影响;且在同一类型载荷作用下,随着轴重的增加,钢轨的疲劳寿命大幅下降。     

采用冷挤压预应力技术 攻克钢轨端部螺栓孔断裂问题

钢轨端部螺栓孔断裂是导致列车脱轨的一个最主要安全隐患,也是钢轨没到期就更换钢轨和被迫限速的一个原因,同样是钢轨检查和维护成本的一个重要因素。对螺栓孔施加预应力,在这些孔周围引入残余压力可以解决这个问题。由美国疲劳技术股份有限公司(FTI)研发的螺栓孔处理过程-开缝衬套冷挤压工艺,已经广泛应用于航空领域,从本质上解决了螺栓孔的疲劳断裂问题。美国运输部和英国铁路研究院通过大量的测试和现场评估肯定了这一技术对减少或防止疲劳断裂的有效性。由于延长了轨     

钢轨螺孔受力分析及孔裂防治措施

在分析钢轨螺孔周边应力的基础上，采用螺孔周边棱角凹弧型冷扩冲击技术，使孔边棱角处产生不可完全回复的塑性变形，并在一定范围内产生残余压应力，在与工作拉应力相叠加后，可使工作应力降低，从而减少或消灭螺孔裂纹。     

轮轨高频瞬态冲击下钢轨螺栓孔棱边受力分析

为研究螺栓孔在轮轨接触应力场作用下的棱边应力分布规律及受力特性，建立带有螺栓孔的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型，研究列车牵引、制动及钢轨擦伤所致高频激励下车轮动载对螺栓孔棱边应力峰值及分布规律的影响。结果表明：擦伤位置是影响螺栓孔棱边受力特性及应力分布规律的关键因素；轨面擦伤可激发高频附加动力冲击作用，螺栓孔斜向棱边Mises应力峰值随运营速度的提升而显著增加，轨面擦伤使斜向棱边方向螺栓孔应力集中效应显著加剧；列车牵引状态加剧了螺栓孔45°、225°方向棱边应力集中效应，而制动状态加剧了螺栓孔135°和315°方向棱边应力集中效应。     

钢桥面板横隔板弧形开孔处疲劳裂纹成因分析及构造措施

钢桥面板横隔板弧形开孔处是疲劳裂纹的高发位置。为了分析该位置疲劳裂纹的成因,首先根据关注细节的应力影响线,分析了车轮面内和面外荷载对不同细节应力幅产生的效应。结合火焰切割边缘残余应力的分布,对弧形开孔边缘主压应力主导的状态仍产生疲劳裂纹的现象进行了解释。然后根据线性累计损伤准则,说明了超载对弧形开孔边缘疲劳细节的损伤度的影响。最后讨论了弧形开孔位置焊缝的构造形式和加工制造工艺。优良的焊缝质量和合理的构造形式将会降低应力集中效应,限制超载是控制疲劳裂纹发生的关键。     

淬火钢轨的伤损与失效分析

本文在普碳钢轨伤损分析的基础上，根据淬火钢轨伤损实例的检验结果，综述了淬 轨的伤损特点。为分析和预测淬火钢轨的伤损特点及其原因，简要分析了电感应加热欠速淬火、整体加热油淬火、轧制余热控制冷却等三种钢轨淬火工艺及其性能和质量方面的差异，提出了改进淬火钢轨质量的分析意见。分析讨论了减少轮轨接触疲劳伤损、螺栓孔裂纹、轨底疲劳裂纹的改进措施，并论述了进行淬火钢轨伤损统计分析的目的和意义。     

车轮滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测

利用有限元软件ABAQUS建立带缺陷孔的车轮二维有限元模型,循环塑性本构关系采用LemaitreChaboche非线性各向同性/随动硬化循环塑性模型,通过在滚动接触表面上施加移动法向分布压力和切向分布力模拟反复滚动过程。采用Jiang-Sehitoglu损伤参量和基于临界平面法的疲劳裂纹萌生寿命模型,分析循环载荷大小、缺陷孔深度和摩擦因数等因素对车轮缺陷孔处损伤参量及滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的影响规律。结果表明:经过反复施加10次循环载荷,车轮材料缺陷孔处应力应变响应逐渐趋于稳定。循环载荷大小、缺陷孔深度和摩擦因数等因素对车轮缺陷孔处损伤参量和滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的影响比较明显。疲劳裂纹萌生寿命随着循环载荷与摩擦因数的增加而增大,随着缺陷孔深度的增加而逐渐减小。     

弯矩作用下钢轨疲劳裂纹扩展行为研究

研究目的：车辆在运行过程中受到多种载荷的相互作用。在多种因素作用下，如车轮本身有不圆度；车辆在通过曲线段、轨缝、岔道时对钢轨产生冲击，不可避免车轮会对钢轨产生法向载荷，从而使得弯矩对疲劳裂纹的萌生和扩展产生影响。为研究弯矩对不同材料钢轨疲劳性能的影响，本文在NENE-2型微动实验机上，对U71Mn、PD32种材料钢轨在弯矩作用下的疲劳裂纹扩展性能进行试验研究，据此提出减缓钢轨疲劳损伤的措施。研究结果：分析研究和试验表明，疲劳裂纹从应力集中点首先开始萌生，其中主剪切应力占有重要影响；静载作用时裂纹扩展方向会发生大角度改向，而动态加载过程中疲劳裂纹扩展方向稳定；相同加载速率条件下，PD3钢轨疲劳裂纹较U71Mn钢轨更易萌生与扩展。为了防止和减缓钢轨的疲劳损伤，应根据线路的类型和钢轨的实际工作环境选择适合材料的钢轨，货运重载线路，选择较高机械强度的PD3钢轨；高速线路，选择U71Mn钢轨．     

轨底坡对曲线线路钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响

考虑轮轨蠕滑接触关系,以及普通货车两轴转向架的导向轮对和非导向轮对分别作用在曲线两股钢轨轨头上的应力、应变,建立基于临界平面法的钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测模型,研究不同轨底坡对曲线线路钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明:在各种轨底坡下外轨疲劳裂纹均主要由导向轮引起,而内轨疲劳裂纹在轨底坡为1∶40~1∶25时主要由导向轮引起,在轨底坡为1∶20~1∶10时主要由非导向轮引起;线路曲线半径越小,导向轮作用下的内外轨疲劳裂纹萌生越早,反之则非导向轮作用下的内轨疲劳裂纹萌生越早;磨耗型新轮与75kg·m-1新轨接触时,在曲线半径≤1 000m条件下采用1∶20的轨底坡,在曲线半径1 000m条件下采用1∶40的轨底坡,可以延长钢轨疲劳裂纹萌生寿命;选取不同的轨底坡,可以改变轮轨接触斑的位置、面积和黏着—滑动区的分布及蠕滑力,进而影响到钢轨疲劳裂纹萌生寿命,但改变轮轨接触斑位置的范围有限,不同轨底坡时接触斑移动距离在外轨上小于10.2mm,在内轨上小于3.0mm。     

轨道型门式起重机钢轨断裂现象分析

针对某轨道型龙门起重机钢轨多段发生断裂现象,对钢轨及起重机工作状况进行现场调查,发现腹板螺栓连接孔制作工艺、承轨面基础、轨缝处理等不规范。其中,钢轨腹板上的超大气割孔不仅降低钢轨连接处强度,而且气割孔凸凹不平的内孔壁也很容易因应力集中而产生裂纹,裂纹扩展致使钢轨断裂,这是钢轨断裂的主要原因。此外,承轨面凹凸不平、底部垫板缺失和垫板材料不统一,也会导致钢轨承载能力减弱。螺栓连接孔采用钻孔加工、按标准改造起重机轨道及基础,起重机钢轨再未发生断轨现象。     

钢轨轨底残余应力限定值的研究

热轧钢轨中轨底残余拉应力的存在对钢轨性能有很大的影响，因而对轨底最大残余应力加以限定是非常必要的。通过对国产不同轨型、不同钢种和不同钢厂生产的钢轨残余应力分布状况的测定和分析，以及参考国外钢轨相关标准，建议目前国产钢轨轨底残余拉应力限定值最好小于200MPa。     

贝氏体钢轨闪光焊接技术的研究

贝氏体钢轨闪光焊的焊接性与材质中Mn和Si含量成反比,降低Mn和Si含量有利于改善钢轨的焊接性,提高焊缝韧性和接头落锤强度。贝氏体钢轨焊缝及热影响区出现的主要缺陷为过热区带状成分偏析、过热区奥氏体晶界成分偏析和焊缝夹杂物(灰斑)缺陷,并与Mn含量密切相关,这些缺陷对接头韧性会产生较大的负面影响。但贝氏体钢轨总体力学性能与珠光体钢轨相当,其中接头拉伸强度、硬度和疲劳强度高于珠光体钢轨。贝氏体钢轨焊接热影响区空冷处理后出现马氏体组织是造成焊缝和过热区存在较高残余应力的主要原因,该残余应力降低了接头的滚动接触疲劳强度,使得部分接头容易出现焊缝水平裂纹。对接头进行500℃,3～5 min的回火热处理可以降低残余应力。现场应用表明,完善回火工艺可大幅度降低焊缝水平裂纹的出现。     

压缩循环加载下缺口裂纹的萌生与小裂纹扩展规律研究

对A3钢和ZG25铸钢进行了压-压疲劳裂纹萌生与小裂纹扩展规律试验，并用弹塑性有限元程序计算了试样缺口根部的应力应变场．得出残余应力的分布规律和随裂纹扩展的变化情况。通过对试验和计算结果进行理论分析，建立了小裂纹扩展的静态模型及数学表达式。缺口残余拉应力是裂纹萌生与扩展的驱动力．而卸载比是最主要的影响因素．     

60N U71MnG钢轨轨头裂纹成因分析

对线路探伤检查发现的60N U71MnG重伤钢轨进行磁粉检测复核，在钢轨轨头工作边侧表面发现了裂纹。为查明裂纹产生的原因，人工压断裂纹钢轨并取样，对裂纹处断口进行宏观形貌观察、扫描电镜观察及能谱分析，以获得裂纹断口的形貌特征和伤损特点；对试样进行显微组织观察和维氏硬度检验，以分析裂纹的成因和机理，并在考虑温度拉应力和列车动弯应力作用下，对钢轨受力及裂纹萌生机理进行仿真分析。结果表明：钢轨轨头工作边侧表面裂纹为冷态下形成的外伤，裂纹及其附近部位曾受到过剧烈摩擦产生高温并发生相变产生了马氏体组织；当轨温为-33℃时，在温度拉应力和列车产生的动弯应力的共同作用下，白层马氏体表面中心偏下位置的拉应力为417.6 MPa，裂纹易从钢轨表面中心萌生，其尖端应力强度因子KI为28.9 MPa·mm1/2，高于钢轨断裂韧性KIC的最小单值，因此钢轨在经历很短的循环载荷周次后便从白层马氏体处发生裂纹失稳扩展。     

钢轨内残余应力的危害及评价方法

钢轨内的残余应力的大小和分布将直接影响钢轨的使用性能。本文从钢轨的生产工艺入手，分析了钢轨内残余应力的产生原因和危害，并介绍了钢轨内残余应力的评价方法。