城市轨道交通钢轨磨耗和裂纹萌生分析与选型建议

分析了基于能量密度法和临界平面法的滚动接触疲劳裂纹萌生预测理论与Archard法的磨耗预测理论, 提出了城市轨道交通钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗共存发展预测模型; 针对城市轨道交通常用的U71Mn热轧、U75V热轧和U75V热处理等3种不同硬度的钢轨, 预测其表面滚动接触疲劳裂纹的萌生寿命、相应的钢轨型面变化和磨耗发展率; 分析了3种硬度钢轨的疲劳裂纹萌生和磨耗发展特征; 基于安定极限理论, 结合城市轨道交通常见坡度和常用ER9型车轮, 从轮轨硬度匹配的角度提出了城市轨道交通的钢轨选型建议。研究结果表明: 随着硬度的增大, 钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命延长, 磨耗发展率降低, U75V热轧和U75V热处理钢轨的磨耗发展率分别比U71Mn热轧钢轨低3.2%和12.1%, 裂纹萌生寿命分别比U71Mn延长14.8%和31.1%;在城市轨道交通常用坡度情况下, 3种不同硬度的钢轨材料都处于弹性安定极限范围, 但随着坡度增大, 钢轨材料趋向于塑性安定极限; 考虑与ER9车轮的硬度匹配情况, 建议钢轨踏面较车轮踏面的硬度高些, ER9车轮与U75V热轧钢轨和U75V热处理钢轨的轮轨硬度比分别为0.87~1.04和0.71~0.84, 这2种钢轨均适合于中国的城市轨道交通系统。      

非线性疲劳损伤累积下钢轨裂纹萌生预测

将考虑荷载作用次序的损伤曲线法与考虑荷载相互作用的疲劳损伤法相结合,修正了非线性疲劳损伤累积模型,提出基于非线性疲劳损伤累积的钢轨疲劳裂纹萌生-磨耗共存发展预测方法,并与其他线性和非线性疲劳损伤累积模型的预测结果进行对比.结果发现:非线性疲劳损伤累积模型计算的累积损伤高于线性疲劳损伤累积模型的结果,其中非线性疲劳损伤累积修正模型得到的损伤累积最大,相应的裂纹萌生寿命最小;对U75V热处理钢轨来说,非线性疲劳损伤累积修正模型预测的裂纹萌生寿命为车轮通过次数约2.58×105次,裂纹萌生于钢轨次表面,距离钢轨表面深度约2.12mm,平均磨耗发展率为2.90μm/万次;Miner线性疲劳累积模型预测的裂纹萌生寿命接近现场观测值的上限,非线性疲劳损伤累积修正模型预测的裂纹萌生寿命接近观测结果中值.     

重载铁路车辆轴重对钢轨疲劳裂纹萌生和磨耗发展的影响

采用钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗共存发展预测方法,分析重载铁路车辆轴重对钢轨疲劳裂纹萌生和磨耗发展的影响。研究发现,在800 m小半径、钢轨材质为U75V热处理的曲线外轨上,随着车辆轴重从23 t逐步增加到30 t,钢轨平均磨耗发展速率从3.813 2μm/万次增加到4.208 3μm/万次,平均疲劳累积损伤从0.019 5万次增加到0.028 8万次,裂纹萌生寿命从31.8万次减少到23.1万次。轴重平均每增加1 t,钢轨平均磨耗发展率增加1.48%,平均疲劳累积损伤率增加6.81%,而裂纹萌生寿命减小3.93%。     

铁路钢轨裂纹萌生的键型近场动力学预测模型

为克服经典连续介质力学在解决不连续问题时的困难,采用近场动力学方法预测铁路钢轨的裂纹萌生,以避免数学构架在不连续处的失效问题;建立了考虑轨枕支承作用的钢轨形变分析模型,分析了模型参数合理取值及收敛性,计算了车轮滚动接触荷载下的钢轨位移;根据近场动力学损伤理论,以键伸长率为指标,分别研究了车轮全滑动、粘着-滑动及无摩擦状态对铁路钢轨裂纹萌生的影响规律。计算结果表明:近场动力学模型和经典连续介质力学模型的钢轨形变计算结果十分吻合,最大计算误差均在8%以内,验证了所建近场动力学模型的正确性;当裂纹萌生于钢轨轨头时,其启裂位置不在钢轨表面,而在钢轨表面以下约2 mm的位置,与现场观察结果一致,验证了近场动力学方法在模拟铁路钢轨疲劳裂纹萌生时的适用性;当车轮荷载位于钢轨跨中时,在车轮状态由全滑动向无摩擦转变的过程中,钢轨疲劳裂纹的萌生起点位置由轨头转移到轨底、由接触斑前端转移到接触斑中心,裂纹类型由局部滚动接触疲劳裂纹转变为整体结构疲劳裂纹,键最大伸长率由1.1×10-3降低到8.1×10-4,因此,增大切向接触应力会降低钢轨裂纹萌生寿命;当车轮荷载位于轨枕上方时,随车轮滚动状态的改变,钢轨裂纹的萌生位置始终位于轨头。      

高速铁路钢轨预打磨策略及伤损发展特征

针对高速铁路预打磨钢轨进行磨耗和疲劳裂纹萌生仿真预测和现场跟踪试验,对预打磨钢轨的实施效果、伤损类型和发展特征进行了分析。分析结果表明,实施特殊型面的新轨预打磨能有效地控制轮轨接触点的位置和接触宽度,获得较好的轮轨关系。预打磨后的钢轨在运营中主要受磨耗影响,磨耗呈线性增加的趋势,外轨磨耗分布在轨头-10°～60°范围,内轨磨耗分布在轨头中心±10°范围。运营大约1年,部分地段的外轨预打磨型面被磨耗所改变,轮轨接触状态恶化,高速铁路预防性打磨周期可以在1～1.5年内实施。     

基于临界平面法的钢轨裂纹萌生寿命预测模型研究

临界平面法是常用的钢轨裂纹萌生寿命预测方法,诸多文献分别基于此研究了相关的预测模型,但计算出的钢轨裂纹萌生寿命时间比现场观测到的裂纹萌生寿命稍短。通过对预测模型进行理论分析,结果认为,蠕滑力在裂纹萌生预测模型中起十分重要的作用,尤其是纵向蠕滑力与自旋蠕滑力。采用全蠕滑状态是致使预测结果比实际观测结果要短的重要原因之一。此外,摩擦热应力产生的残余应力为拉应力,不平顺导致接触应力的改变,钢轨材质与夹杂物的影响,以及裂纹萌生阶段的选取准则,磨耗的影响等,都应在钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测中有合理考虑。     

钢轨断面全轮廓磨耗的激光视觉动态测量

钢轨磨耗直接影响铁路运行安全，为了替代目前手工测量方式，提高测量精度和效率，研究并设计了线激光钢轨断面全轮廓视觉测量系统来实现钢轨磨耗动态测量. 首先通过计算激光视觉测量模型完成激光测量单元的结构设计，然后采用平面标定法对测量头进行精确标定，获取激光平面与传感器成像平面之间的映射关系，将拍摄的钢轨轮廓光条图像还原为实际钢轨断面轮廓；利用钢轨同一截面两侧轮廓中轨头踏面轮廓相同的特征获取钢轨断面全轮廓数据，采用ICP精确配准将钢轨两侧测量轮廓合并，其中轨头踏面轮廓采用欧式聚类和距离分割方法提取；最后以双侧未磨损轨腰轮廓及其特征点为基准，将测量钢轨全轮廓与标准钢轨轮廓进行配准对比，获取钢轨磨耗值；将线激光钢轨磨耗测量单元装载于自行研制的轨道测量小车上进行现场测量试验. 研究结果表明:该测量系统标定精度可达4.922 × 10?3 mm，测量速度可达21.6 km/h，与钢轨磨耗尺测量值对比垂直磨耗、侧边磨耗平均偏差约为0.023 mm和0.093 mm，对同一对象多次重复测量最大偏差小于0.05 mm，该测量精度满足公务要求，提高了测量效率，便于铁路测量数字化管理.      

42号高速道岔转辙器区钢轨磨耗规律的预测分析

为了弥补42号高速道岔钢轨磨耗规律理论研究的不足，建立了高速道岔钢轨磨耗发展的理论预测模型. 基于Archard材料磨损理论和车辆-道岔耦合动力学仿真分析进行钢轨磨耗深度分布计算；采用了一种自适应步长算法对岔区各特征位置钢轨型面进行更新，可有效减少误差累积、改善数值模型稳定性；基于理论预测模型研究了42号高速道岔尖轨和基本轨的磨耗分布和发展规律. 研究的主要结论如下:1） 直向过岔时，轮载过渡发生于35.0～50.0 mm断面之间；在轮载过渡前磨耗发展缓慢加快，轮载过渡区段磨耗发展迅速加剧，轮载过渡完成后磨耗发展有所减缓. 2） 侧向过岔时，列车进岔后很快就开始贴靠曲尖轨运行，9.1 mm断面即出现侧磨；随着曲尖轨逐渐加宽，尖轨轨肩始终存在较严重磨耗，直基本轨虽主要承担轮载，但磨耗相对曲尖轨要小得多；轮载过渡开始后曲尖轨磨耗分布变宽，轨肩磨耗显著减小，至全断面后曲尖轨磨耗再次显著减小；曲基本轨磨耗均主要分布于轨头中部，轮载过渡前磨耗发展逐渐加快，过渡开始后磨耗发展减缓.      

钢轨材质参数对疲劳裂纹萌生寿命影响的敏感性分析

以临界平面法疲劳裂纹萌生寿命预测方法为系统数学模型,采用单参数敏感性分析方法,分析了钢轨材质参数(弹性模量、泊松比、屈服强度和抗拉强度)对疲劳裂纹萌生寿命的影响,计算了各参数的敏感度因子.计算结果表明:疲劳裂纹萌生寿命对弹性模量和屈服强度最敏感,而对泊松比不敏感.这一计算结果与试验统计结果相吻合.通过敏感性分析,认为在确定钢轨材质参数取值时要对弹性模量、屈服强度和抗拉强度的准确性高度重视;提高材料的抗疲劳性能应从提高材料的屈服强度入手,建议规范中增加对钢轨材质屈服强度的要求.     

过度磨耗钢轨的打磨廓形设计方法

针对过度磨耗钢轨的打磨，提出一种以圆弧切点为关键参数的钢轨廓形设计方法；以轮轨接触位置为优化区域，以钢轨磨耗和打磨材料去除量作为优化目标函数，以廓形边界范围、凹凸性、脱轨系数和轮轨横向力为约束条件，建立磨耗钢轨打磨设计廓形多目标函数；集成多元模拟退火寻优算法进行求解；为了得到能代表重载线路曲线区段的钢轨廓形，作为优化的输入数据，采用最小二乘距离算法、算术平均算法、加权平均算法和散点重构算法得出4种钢轨代表廓形；使用Pearson相关系数、Kendall秩相关系数和Spearman秩相关系数计算出4种算法的钢轨代表廓形与实测廓形接触点概率分布曲线的相关性，取相关性最高的代表廓形为等效重载线路曲线区段的实际廓形；对某重载线路过度磨耗钢轨的经济性打磨廓形以及采用圆弧型廓形设计方法的优化廓形进行分析。分析结果表明:优化廓形与现场打磨廓形相较，截面廓形磨削量减少69.56 mm2，下降64.98%，脱轨系数小幅增大，轮轨横向力基本不变，轮对横移变化较小，曲线通过性能相近，80万次通过量下的磨耗面积增加2.19 mm2，钢轨的磨耗速率略微增大，整体仍延长了钢轨寿命。      

地铁弹性短轨枕轨道的钢轨波磨萌生原因

为探明我国某地铁线路弹性短轨枕轨道曲线钢轨短波长波磨萌生原因，采用现场试验和数值仿真方法对其开展了研究. 首先，通过现场试验确定钢轨波磨波长与轨道动态特性对应关系；其次，利用车辆-轨道耦合动力学模型计算轮轨接触参量，通过力锤敲击法获得现场轨道导纳特性；最后，基于轮轨接触参量和轨道导纳结果，建立钢轨波磨频域线性分析的数值模型，模拟弹性短轨枕轨道频域下曲线钢轨磨损率特征，分析了弹性短轨枕轨道萌生特定波长波磨原因. 研究结果表明:地铁弹性短轨枕轨道钢轨波磨主要出现在半径小于等于800 m曲线段，低轨波磨程度更为显著，波长为50～160 mm，通过频率为140～280 Hz；轨道在160～210 Hz频率范围的模态振型表现为钢轨和轨枕一起相对轨道板垂向弯曲振动，在250～300 Hz频率范围的表现为钢轨和轨枕垂向反向振动，波磨通过频率与该轨道的160～300 Hz共振频率相近. 弹性短轨枕轨道特定波长波磨萌生主要与其轨道垂向固有特性相关，其波磨特征为频率固定型，波磨波长随车辆运行速度变化而变化.      

4种车轮材料与U71Mn热轧钢轨匹配特性

为研究车轮材料对轮轨匹配行为的影响,在MMS-2A型轮轨磨损试验机上模拟研究了U71Mn热轧钢轨和4种不同车轮材料的摩擦磨损行为.采用电子分析天平测量试样磨损量,采用SEM对试样进行微观分析.结果表明:随着车轮含碳量升高,车轮硬度升高,车轮的磨损量逐渐降低,而与之匹配的钢轨磨损量逐渐升高;轮轨试样的磨痕粗糙程度与磨损程度相关,磨损越严重,磨痕越粗糙;轮轨试样的硬度比决定轮轨试样的磨损机制,轮轨硬度比较低时,主要以磨粒磨损为主,磨损最严重,当轮轨硬度比继续升高,主要以疲劳磨损为主,磨损降低,当轮轨硬度比接近1.1时,轮轨氧化达到最严重,主要以氧化磨损为主.      

车轮材料对轮轨滚动摩擦磨损行为的影响

为了使轮轨材料更好地匹配,降低轮轨磨损与损伤,利用MMS-2A滚动磨损试验机,研究了3种不同含碳量车轮材料与U71Mn热轧钢轨干态对磨时滚动摩擦磨损与损伤性能.结果表明:车轮材料变化基本不影响轮轨滚动摩擦因数,其摩擦因数保持在0.4左右;随车轮材料碳含量增加,车轮磨损量呈线性下降趋势,钢轨磨损量呈线性增加趋势,总轮轨磨损量呈降低趋势;不同车轮材料与U71Mn热轧钢轨对磨时的磨痕表面形貌具有较大差异,当碳含量为0.57时,车轮损伤以剥落损伤为主,试样塑性变形相对轻微,随车轮硬度降低(碳含量为0.51),表面剥落损伤轻微,但塑性变形严重;对磨钢轨试样以粘着和剥落磨损为主.      

钢轨波磨预测模型验证工况的研究

钢轨波磨会降低乘坐舒适性，增大轨道结构伤损，甚至影响列车的安全运行. 为判断钢轨波磨预测模型的准确性，首先，基于钢轨波磨现场调研数据，统计地铁线路和干线铁路的钢轨波磨发生率；其次，针对现有钢轨波磨预测模型验证方法的局限性，同时结合钢轨波磨发生的规律性，提出预测模型验证的3种基本工况:线路曲线半径≤350 m时的内轨波磨和外轨波磨、曲线半径 ≥ 650 m时的非科隆蛋扣件曲线线路或者直线线路钢轨的波磨，并进行实例验证；最后，根据基于轮轨蠕滑力饱和情况，提出了一种快速预测钢轨波磨发生的新方法. 研究结果表明:现有的波磨预测模型验证工况缺乏一般性，大部分没有考虑线路曲线半径的影响，忽视了从新轨到波磨出现阶段的钢轨振动演变规律，造成通过验证的波磨预测模型预测准确率偏低；所提出的波磨快速预测方法准确率可达到85.00%.      

钢轨磨耗型波磨计算模型与数值方法

分析了国内外铁路钢轨波浪形磨损理论模型,提出了车辆轨道垂、横向耦合动力学、轮轨滚动接触力学和钢轨材料摩擦磨损模型为一体的钢轨磨耗型波浪形磨损计算模型,发展了相应的数值方法。模型中车辆结构和轨道下部结构被简化成等效的质量、弹簧和阻尼系统,钢轨用Euler梁代替,并考虑它的垂向、横向弯曲变形和扭转变形,利用修改的Kalker三维弹性体非Hertz滚动接触理论和相应的数值方法计算轮轨蠕滑力和摩擦功,假设材料单位面积磨损量正比于轮轨接触面摩擦功密度。利用该模型和相应的数值方法分析了几个磨耗型波磨情况,结果表明该模型可以模拟轨道多种缺陷(轨缝、扁疤、凹坑、轨枕间距、随机不平顺等因素)引发的钢轨磨耗型初始波磨和发展规律,可以模拟由于钢轨在机械加工或打磨过程中形成的初始波磨的演化过程,可以通过改善轨道特性来消除或减少波磨的发生和发展。     

两种焊接工艺下过共析钢轨接头的冲击磨损性能

为研究闪光焊、铝热焊两种焊接工艺下过共析钢轨焊接接头的冲击损伤演变行为以及性能差异,在自制的冲击磨损试验机上对过共析钢轨焊缝、热影响区软化部位及母材进行了不同冲击次数下的模拟实验. 研究结果表明:随着冲击次数的增加,钢轨焊接接头的冲击磨损均经历着塑性变形、点蚀破坏和疲劳剥落的过程,冲击损伤是疲劳磨损和氧化磨损共同作用的结果;由于焊接工艺导致的接头组织结构和力学性能的差异,热影响区软化部位冲击时塑性变形最严重,磨损体积和磨损率最大,抗冲击性能最差;由于对闪光焊焊接接头进行了焊后正火热处理,其组织结构及抗冲击性能明显优于铝热焊;硬度对焊接接头的抗冲击性能有显著影响,硬度越高,抗冲击性能越好,疲劳剥落出现的时间越晚.      

表面微喷丸对CuNi2Si合金疲劳短裂纹行为影响

在拉压载荷作用下，分别开展了CuNi₂Si合金微喷丸前后漏斗型圆棒试样的疲劳短裂纹复型试验；试验在预先确定的一系列载荷循环周次中断，以使用醋酸纤维膜对试样表面进行复型，进而采用逆序观察法获取了短裂纹萌生与扩展相关数据。分析结果表明:2种试样疲劳裂纹均萌生于试样表面，裂纹扩展受微观组织影响呈现曲折性增长, 整体表现出初期增长缓慢，后期裂纹长度迅速增长至试样断裂的趋势, 失稳扩展临界尺度约为750.0 μm; 微喷丸处理可以使裂纹增长模式由以晶间为主转为以穿晶为主，微喷丸前后断口形貌表现出巨大差异，相对未喷丸试样，微喷丸试样裂纹萌生位置呈现较大的晶体平面，无明显晶粒特征，裂纹源区面积较小，在疲劳过程中产生的纤维条纹数量较多，瞬断区韧窝形貌更为明显; 经微喷丸处理后，试样平均疲劳寿命提高约31.5倍，裂纹萌生和缓慢扩展阶段占比从整体疲劳寿命的60%增加至80%，可知微喷丸处理对于疲劳寿命的大幅提高主要体现在短裂纹的萌生和稳定扩展阶段，而这种强化效果主要受表面有效应力、硬度、晶界数目的共同影响，但该强化效果对疲劳裂纹扩展后期影响不大。