钢轨踏面斜裂纹与轨头核伤的B型图对比分析

1核伤与斜裂纹的特点钢轨轨头横向疲劳裂纹俗称轨头核伤(简称核伤),呈椭圆形,长、短轴之比约3:2。核伤疲劳源一般位于距踏面8～12mm、距内侧5～10mm处。核伤方向与轨头侧面近乎垂直,与踏面多呈10°～25°夹角(单行线上)或近乎垂直(复行线上)。核伤在未发展到外表面时肉眼不可见,称"白核";已扩展到外表面时,因氧化变为黑色,称"黑核"。核伤可导致钢轨横向折断,严重影响铁     

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。     

钢轨核伤超声波检测研究

简要介绍钢轨核伤及其检测方法，详细研究超声波在钢轨中的传播规律和核伤检测条件的选择方法及依据等。     

对客车车轮踏面内部铁皮锈状夹层的调查分析

1 现场调查 最近,青岛车辆段在镟修车轮踏面时,多次发现车轮踏面内部沿圆周方向分布着铁皮锈状夹层,经调查发现:若车轮踏面上出现沿圆周分布的横向竹节状裂纹,镟削时在竹节纹下方必然有铁皮锈状夹层.以2000年10月30日库检RW25B52168号软卧车为例,该车1位、2位车轮踏面上布满了横向竹节纹,两相邻横向纹(即竹节上)的踏面表层出现局部凹入,横向竹节纹位于局部凹入两侧与踏面正常弧面的交界处.裂纹为冲击引起的塑性断裂,镟修中发现每一处局部凹入部位下方均有一个铁皮锈状夹层,夹层中心部位距车轮踏面距离h一般都在5 mm～10 mm(见图1),夹层面积大小与两道相邻横向竹节纹间的距离有关.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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]     

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。     

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。     

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。     

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。     

WJ-7型扣件横向阻力试验研究

为确定轨条碎弯时WJ-7型扣件的横向刚度取值,在实验室条件下,对一段安装了一组扣件的短钢轨加载横向力,测量扣件铁垫板和钢轨截面轨头、轨腰、轨底的横向位移,考虑到试验误差,只取均匀性较好5组数据分析横向力与位移之间的关系。试验结果表明:铁垫板位移随横向力的加载呈线性增加;以铁垫板产生单位位移所需施加的横向力表征横向刚度,常阻力扣件横向刚度在143.7～162.1 kN/mm,小阻力扣件横向刚度在130.2～138.9 kN/mm;钢轨截面各位置横向位移曲线由二次抛物线和直线两部分组成。     

我国典型高速铁路轮轨型面变化规律及匹配特性

为系统掌握我国高速铁路轮轨型面变化及匹配特性,在京沪、武广、哈大、兰新、贵广、丹大等6条典型高速铁路上,选择172个钢轨型面测点和6列动车组的384个车轮,进行为期2 a的现场测试。基于实测数据,应用数理统计方法分析钢轨和车轮的磨耗特性,并使用实测钢轨型面进行1个镟轮周期内的轮轨匹配等效锥度分析。结果表明:高速铁路曲线半径大于2 495 m时,直线和曲线钢轨磨耗速率基本相当;对于年通过总重小于11 Mt的线路,钢轨垂直磨耗不足0.01 mm;曲线半径小于800 m的钢轨磨耗速率明显增大;哈大线、兰新线和丹大线的动车组车轮踏面磨耗较大,踏面平均磨耗速率约为0.05～0.06 mm·(万km)~(-1),而京沪线、武广线和贵广线约为0.03～0.035 mm·(万km)~(-1);车轮磨耗范围较小时,等效锥度随车轮踏面磨耗的增大而增大,车轮磨耗范围较宽时,轮轨接触点分布均匀,等效锥度随车轮踏面磨耗的增大没有明显的增大趋势。     

普速铁路繁忙干线钢轨服役现状的调查分析

针对普速铁路繁忙干线,测试了累计通过总质量800～1100 Mt线路钢轨的硬度、廓形、磨耗和锈蚀深度、焊接接头平直度,调研了钢轨使用和伤损情况.结果表明:钢轨踏面中心硬化率不大于7％;打磨后钢轨实测廓形与60N标准廓形在轮轨接触区域竖向偏差不大于0.2 mm;钢轨垂直磨耗在3.0～5.7 mm,轨底角边缘厚度在8.35...     

基于载荷因子和牵引系数的钢轨踏面隐伤形成机理及预测研究

基于安定曲线,确定载荷因子和牵引系数是钢轨踏面隐伤形成的重要影响因素.采用有限元分析软件ABAQUS建立钢轨的有限元模型,并以广深线车辆—轨道耦合动力学计算得到的轮轨接触力及接触斑为该模型的输入,对钢轨踏面特别是轮轨接触部位及其附近区域的应力场进行仿真.结果表明:V型裂纹在轨头内部的扩展使得裂纹所在区域在轮轨力的作用下产生凹陷,形成钢轨踏面隐伤;载荷因子为2～3、牵引系数≥0.36是钢轨踏面形成隐伤的线路工况条件.应用该条件对我国典型线路是否可能产生钢轨踏面隐伤进行预测,广深线、浙赣线满足钢轨踏面萌生隐伤的条件,而大秦线则不可能产生隐伤,这与实测结果一致,表明基于载荷因子和牵引系数的钢轨踏面隐伤预测方法是可行的.     

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。     

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。     

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.