钢轨探伤车特殊核伤B型图分析

钢轨轨头横向疲劳裂纹俗称核伤,严重影响行车安全。钢轨核伤多出现在距钢轨踏面8～12mm和距内侧5～10mm处,方向与钢轨纵剖面接近垂直,与踏面有10°～25°倾角(单行线上)或接近垂直(复行线上)。核伤可导致钢轨横向断裂,危害性极大,是最危险的钢轨疲劳缺陷之一。因此,对钢轨核伤检测尤为重要,根据B型图正确判断核伤关系到大型钢轨探伤车能否承担保障线路安全责任问题。1核伤产生原因     

贝氏体钢轨母材轨头核伤原因分析

通过断口宏观与微观形貌观察、扫描电镜及能谱分析、金相显微组织分析等方式对3根贝氏体钢轨母材轨头核伤的原因予以分析,发现伤损均为氢致裂纹引起的轨头内部横裂型核伤。断口中心区域存在粗大的非金属夹杂物是导致钢轨中的氢在此处富集并形成裂纹的主要原因。贝氏体钢轨氢致裂纹型核伤的主要特征有:伤损位于轨头内部踏面下方4~10 mm处,断口中部存在粗大夹杂物;断口附近的低倍样中观察不到微细裂纹。通过采取改进生产工艺、降低钢中的氢含量(将钢水氢含量控制在1.7×10^-6以下)、减少钢中的粗大夹杂物等措施,再上线的贝氏体钢轨未出现该类伤损。     

轮轨接触位置对钢轨斜裂纹扩展行为影响的仿真

采用ANSYS软件，仿真研究不同线路条件下轮轨接触位置变化对钢轨踏面斜裂纹扩展行为的影响。分析表明：轮轨接触位置沿纵向仅在距离钢轨踏面斜裂纹左右各1／4跨距范围内对斜裂纹扩展有突出影响，其余位置影响很小，可以忽略。在直线线路，当轮轨接触位置位于轨顶面中央时，钢轨踏面斜裂纹以Ⅰ-Ⅲ型的复合型方式扩展为主，扩展缓慢；偏离轨顶面中央5mm，钢轨踏面斜裂纹则以Ⅰ-Ⅱ型的复合型方式扩展为主，在踏面以下4mm内可能发生水平转向，5．8～12mm内容易发生横向转向。在800m曲线线路外股，当轮轨接触位置偏离轨顶面中央16．5mm时，钢轨踏面斜裂纹以Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型的复合型方式扩展为主，而且比直线线路扩展迅速；在踏面以下2．1～4．8mm内，斜裂纹可能发生水平转向，而一旦扩展至更深位置时很可能会保持初始角度扩展下去。     

重载铁路U78CrVH钢轨闪光焊接头轨头核伤缺陷分析北大核心

针对一重载铁路出现多个闪光焊接头因轨头探伤反射回波超标下道的问题,对其中一个接头采用落锤试验、宏观观察、金相显微观察、扫描电镜观察、能谱成分测试等方法进行了研究。结果表明:经过轨头受拉落锤试验折断的接头断口上存在核伤疲劳裂纹(白核),裂纹源位于踏面下13 mm处且存在横向扩展裂纹;裂纹源完全处于闪光焊接头的焊缝中心,并存在硅、锰、氧等灰斑夹杂元素。焊缝中的灰斑夹杂物破坏了焊缝组织的连续性,降低了接头的综合力学性能,当接头在服役过程中受车轮循环载荷作用时,灰斑夹杂物首先萌生出裂纹并横向扩展,最终形成轨头核伤。核伤附近的钢轨母材中A类夹杂物较多,应引起注意。建议改进焊接工艺参数,避免焊接过程中氧气进入;提高探伤检测技术,加强重载铁路钢轨焊接接头轨头部位的探伤检查。     

基于同步提取变换的钢轨踏面裂纹电磁超声表面SH波B扫成像检测研究

钢轨踏面在车轮的重复载荷作用下,极易产生滚动接触疲劳裂纹,并从轨头向下扩展,甚至导致断轨等重大安全事故,因此开展钢轨踏面裂纹高效准确的无损检测方法研究具有重要意义。对于钢轨轨头有限截面非规则几何体,无法采用解析法求解其频散曲线,采用Floquet-Bloch边界的有限元特征频率法,求解钢轨轨头类水平剪切导波频散曲线,在频散曲线的基础上,分析并确定电磁超声表面水平剪切波换能器的最佳检测频率。建立表面水平剪切波在含踏面裂纹钢轨轨头的传播有限元模型,研究表面水平剪切波在不同角度、深度的踏面裂纹上的反射及透射规律。为实现快速的钢轨踏面裂纹B扫成像检测且得到高信噪比的检测结果,实验对比同步提取变换和同步压缩变换对钢轨踏面检测回波的噪声滤除能力。结果表明：对单次检测回波应用同步提取变换消噪处理后,信噪比提高13.73 dB,比单次采集信号经同步压缩变换处理后的信噪比高4 dB。将同步提取变换用于钢轨踏面导波B扫成像检测,可以减小同步平均次数以满足快速检测的要求。     

朔黄铁路曲线下股热处理钢轨剥离伤损成因分析

对朔黄铁路的5段75 kg·m^-1的U75V钢轨性能进行检验,分析伤损钢轨裂纹附近的性能。分析表明：U75V热轧钢轨母材的组织和硬度均合格,但U75V热处理钢轨的淬火层深度及横断面硬度均未满足TB/T 2635—2004的要求;显微硬度数据显示,在钢轨横断面存在较薄的硬化层;曲线下股钢轨踏面中心裂纹的深度在1.3 mm左右,并呈现不同程度的剥离掉块,与钢轨硬度分布特征有关;裂纹萌生于钢轨轨头表面塑性流变层内,裂纹起始的发展与列车运行方向成一定的锐角,出流变层后基本以垂直方向朝轨头内部扩展,到一定程度后,裂纹呈鱼钩状,以大致与列车运行的相反方向朝轨顶面扩展,最终导致剥离掉块。建议使用符合标准的热处理钢轨;对曲线钢轨及时进行大机打磨;采取措施,降低纵横向蠕滑力。     

U71Mn钢轨焊缝处核伤扩展寿命的估算

根据包兰线银川段U71Mn 50kg/m钢轨运营情况,在应力比R为0.1、0.5条件下对钢轨轨头焊缝处材料进行三点弯曲疲劳裂纹扩展速率测试。采用七点递增多项式法进行回归分析,得出其裂纹扩展速率材料常数C和m。按照50kg/m钢轨实际尺寸建立模型,利用ANSYS有限元分析软件计算其轨顶动弯应力,并根据Paris公式对焊缝处钢轨进行使用寿命估算。相同运营情况下,若核伤由可探测范围(核伤直径不小于10mm)扩展至核伤面积占轨头面积的30%,则应力比为0.1时,容许通过总质量不超过8.65Mt,运营时间不超过87d;应力比为0.5时,容许通过总质量不超过6.28Mt,运营时间不超过63d。研究成果可为确定线路探伤周期和正确评价钢轨运营现状提供依据。     

全长淬火钢轨踏面伤损及横向疲劳断裂分析

对实际伤损钢轨的宏微观形貌、金相、硬度以及探伤等检验分析,确定轨头踏面下4mm～6mm区域存在纵向水平疲劳裂纹是产生全长淬火钢轨伤损的原因。检验分析表明,在轮轨接触剪应力作用下,由于淬硬层区域存在金相组织、硬度过渡不均匀等淬火缺陷,导致轨头内部纵向水平疲劳裂纹萌生和扩展,引起钢轨伤损;在分析基础上,提出预防和改进措施。     

钢轨闪光焊接轨头焊缝缺陷分析

通过对钢轨闪光焊接头样品的超声波探伤检查和钢轨接头轨头受拉静弯试验,分析断口微观形貌和疲劳源区能谱、剖面显微组织和剖面形貌及能谱,提出钢轨接头焊缝未焊合缺陷构成疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展产生钢轨接头大面积核伤和钢轨闪光焊接头轨顶面下10～15mm附近容易出现焊缝未焊合缺陷等结论;提出铺设前对新焊接钢轨接头焊缝进行全断面超声波探伤检查、研究开发现场焊接接头热处理中频感应加热方式、优化焊接工艺参数和调整检验规则等建议。     

基于蠕滑理论的钢轨临界平面疲劳参量仿真

为考虑轮轨蠕滑对钢轨疲劳裂纹萌生的影响,通过车辆-轨道多体动力学模型和钢轨有限元模型,分析不同线路条件下的轮轨接触压力和切向力对钢轨轨头(包括轨距角)的应力-应变响应,定量研究钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生疲劳参量FP中的正应力-应变部分与剪应力-应变部分对裂纹萌生的影响,并比较导向轮和非导向轮对FP的影响。仿真结果表明,考虑轮轨蠕滑的情况下,钢轨轨头绝大部分节点处于三向受压状态,疲劳参量FP主要是由剪应力-应变部分作用产生,对裂纹萌生预测应采用剪切型裂纹公式;FPmax所在的临界平面在钢轨横断面的投影线与横向水平轴呈105°~140°夹角,在水平面的投影线与纵向水平轴呈20°~50°夹角;导向轮作用下的FPmax要远远大于非导向轮作用下的FPmax。     

普速铁路钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生研究和检验

以普速铁路京九线不同曲线半径为研究对象,建立车辆-轨道动力学模型、磨耗和裂纹萌生预测模型;计算60N廓形在不同曲线半径条件下的轮轨接触状态,预测了不同曲线条件下磨耗发展率、裂纹萌生位置与寿命,并与京九线现场观测结果进行对比验证.研究结果表明:随着疲劳损伤的累积,不同曲线半径下钢轨的阶段磨耗发展率呈下降的趋势,其中曲线半径小(600 m)的磨耗发展率降低最快,随着曲线半径的增大,平均磨耗发展率降低趋势减缓;不同曲线半径下钢轨裂纹萌生位置均在钢轨表面以下1~3 mm处,横向位置在距离轨顶中心15~20 mm范围内,曲线半径600 m外轨裂纹萌生寿命大约为2.64×10^5次,内轨裂纹萌生寿命约为4.86×10^5次,与现场观测较为符合.     

道岔轨面涡流检测技术研究

由于轮轨滚动接触,钢轨轨头工作边容易形成鱼鳞纹,若不及时维修处理,将进一步发展形成重伤或剥离掉块,影响行车安全。根据钢轨及道岔的型面,设计一种轨面涡流检测系统,研究辅助机械扫查装置及适形阵列涡流探头等,并在实验室和现场进行了试验。由检测人员在钢轨上推行完成轨头踏面工作边处表面裂纹检测,获得轨头踏面有无缺陷及缺陷深度的定量评估数据。试验及现场应用研究表明,采用该系统检测钢轨试块,对0.5 mm,1 mm,2 mm,3 mm深的人工斜裂纹均能有效检出并显示深度;采用该系统检测在线钢轨鱼鳞纹,能够显示鱼鳞纹的深度评估数据,为钢轨打磨维修提供参考。     

重载铁路钢轨疲劳裂纹萌生影响因素

基于临界平面理论的钢轨疲劳裂纹萌生预测模型,建立轮轨三维瞬态滚动接触有限元模型;模拟重载铁路的轮轨接触状态;分析不同轨底坡(分别为1∶40,1∶30,1∶20,1∶10)和不同摩擦系数(分别为0.25,0.30,0.35,0.40,0.50)对轮轨接触状态和钢轨疲劳裂纹萌生的影响。结果表明:轨底坡为1∶40时,采用以上钢轨预测模型得到的钢轨疲劳裂纹萌生位置与现场观测结果基本吻合;轨底坡对轮轨接触斑的位置及应力状态影响较大,LM型踏面车轮与75 kg·m-1钢轨在轨底坡为1∶20时更为匹配;随着轨底坡增大,钢轨疲劳裂纹萌生时的通过总重先增大后减小,轨底坡为1∶20时达到最大;随着摩擦系数增大,钢轨疲劳裂纹越容易萌生。     

钢轨打磨对轨面疲劳裂纹扩展的影响

根据我国铁路运营现状,基于经典赫兹接触理论和Paris疲劳裂纹扩展理论,建立车轮荷载作用下钢轨疲劳裂纹扩展预测有限元数值分析模型,分别研究打磨深度、初始裂纹扩展角度、裂纹界面间摩擦系数等因素对钢轨打磨后轨面疲劳裂纹扩展的影响.结果表明,裂纹尖端复合强度因子和裂纹扩展速率随打磨深度的增加而减小,钢轨打磨对轨面疲劳裂纹扩展...     

进口淬火钢轨的性能及应用研究

针对20世纪90年代中期我国进口并铺设使用的日本、法国、奥地利及俄罗斯淬火钢轨,进行性能和应用状况分析,研究钢轨出现滚动接触疲劳缺陷的原因,提出解决措施。研究结果表明,日本、法国、奥地利的钢轨淬火工艺为离线欠速淬火工艺,仅对轨头进行加热和冷却处理,从而得到较高的强度和硬度。这种钢轨虽然在小半经曲线上表现出较高的抗磨耗性能,但在直线段上当通过总重达到4～5亿t.km时,钢轨踏面会出现隐伤、斜裂纹、剥离掉块等较严重的滚动接触疲劳缺陷;俄罗斯的钢轨淬火工艺为淬火+回火工艺,钢轨全断面经过加热和冷却处理,虽硬度和强度略低,但因其不同的廓面形状和较好的轮轨匹配关系,使得滚动接触疲劳伤损较轻;进口淬火钢轨出现的斜裂纹一般形成在轨距角处,与行车方向大致成40°～50°角并向行车方向发展。疲劳裂纹是由材料的棘齿形滞回效应引起的,并在高的接触应力下扩展。因此定期打磨钢轨和使用新廓面钢轨是解决滚动接触疲劳问题的有效方法。     

预防性钢轨打磨的主要效果

尽管轨道机构及其部件和轨道养护设备都得到了显著的改进．还是出现了一些新情况，尤其是钢轨。例如，现有钢轨磨耗减少但并不能完全避免轮／轨踏面裂纹的形成。用超声波探测新近形成的”压溃（squat）”损伤的效果还有限。压溃，也叫”黑斑”．是在同时运行快速列车（160～200km／h）和重载低速列车的轨道区段．钢轨走行表面显现的进行性裂纹。在其最后阶段．发展成为将最终导致钢轨断裂的横向裂纹。[第一段]     

钢轨闪光焊焊接接头轨面横向裂纹成因分析

针对秦沈线17处钢轨闪光焊焊接接头轨面产生的横向裂纹,通过在伤损部位取样,分别进行洛氏硬度、金相组织和显微硬度等试验,结合焊轨生产的实际,分析裂纹形成原因。认为所检闪光焊焊接接头的裂纹起源于钢轨表面的白亮层马氏体组织,并在外力作用下扩展进入正常的珠光体组织区域,裂纹深度达到5mm。研究钢轨精磨方式与焊缝凸起之间的关系,得出:对矫直后具有明显焊缝凸起的焊接接头进行精磨时有可能因打磨中进刀量过大,引起钢轨局部机械热损伤,造成局部金属的急速高温和急速冷却,形成高硬度的脆性白亮层马氏体组织,是导致焊接接头轨面产生裂纹的根本原因。建议进一步研究钢轨焊接生产打磨工艺规范以及客运专线铁路钢轨的预打磨规范,避免钢轨及焊接接头出现马氏体组织。     

钢轨踏面斜裂纹伤损原因及对策的研究

广深准高速铁路全长139km。对准高速区段和非准高速区段曲线上钢轨进行探伤检查,发现在44个曲线,37km长的范围内存在踏面斜裂纹,斜裂纹主要发生在上下行上股钢轨,斜裂纹呈成段、非连续、跳跃式分布。踏面斜裂纹及断口的宏观形貌和理化检验与分析表明,踏面斜裂纹伤损属于滚动接触疲劳裂纹伤损类型。研究认为:钢轨性能、线路状况、车辆性能及运行速度、车轮踏面形状等是产生斜裂纹的主要原因。提高钢轨的接触疲劳强度,在曲线上使用微合金淬火钢轨,研究和改善轮轨接触方式,加强轨道的养护维修,合理地进行预防性打磨和校正性打磨是解决钢轨踏面斜裂纹伤损的主要措施。     

地铁车轮磨耗及其对轮轨匹配状态的影响

对国内某地铁线路的车轮磨耗规律进行了现场调查和分析。车轮磨耗集中于轮缘根部和踏面-25~30 mm范围。LM32模板动车车轮踏面磨耗突出区为-8~-4 mm,25万~40万km里程车轮最大磨耗量为2.5~4.0 mm。采用薄轮缘LM30模板镟轮的拖车车轮踏面磨耗集中在-10~10mm范围,19万km以内里程踏面磨耗量为0.2~0.5 mm。利用轮轨接触几何理论和轮轨滚动接触理论,研究不同车轮磨耗状态下的轮轨静态匹配性能,包括接触点对分布和轮轨接触应力,分析车轮表面裂纹的机理。车轮轮缘根部与钢轨轨距角集中接触容易导致接触光带偏向轨距角。轮缘根部及踏面上小曲率半径区与钢轨集中接触是产生车轮踏面接触疲劳的主要原因。     

基于损伤累积和权重参数的重载铁路曲线内轨裂纹萌生特征及剥离掉块分析

基于单轮对荷载作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的预测方法,结合疲劳损伤累积理论,提出基于疲劳损伤累积的钢轨裂纹萌生寿命预测方法,确定转向架前、后轮对累积荷载作用下重载铁路曲线内轨裂纹的萌生寿命及其特征;构造权重参数,用以表征前、后轮对在内轨裂纹萌生过程中各自的作用权重。采用SIMPACK仿真软件建立C70型货车、LM型车轮踏面、U75V钢轨构成的车辆—轨道模型,预测不同曲线半径、超高、轨底坡和摩擦系数工况下内轨裂纹的萌生寿命、萌生位置和开裂方向、权重参数,并与现场试验进行对比。结果表明:内轨裂纹的萌生要早于外轨,并发生在距离轨顶约2~3mm的轨头次表面,车轮对内轨的磨耗作用不大;在内轨裂纹的萌生过程中,随着轨道条件的变化,轮对的权重取值范围可以划分为3个区域,分别对应前轮对作用权重绝对大和相对大以及后轮对作用权重相对大3类情况;大多数内轨裂纹的开裂方向分布在一定的范围之内,但有少部分裂纹的开裂方向异常且在扩展过程中容易产生剥离掉块。