基于三维重构的钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展预测

采用X射线断层扫描技术测量钢轨轨距角–轨肩的滚动接触疲劳裂纹,通过裂纹平面化、尖端拟合和空间定位,重构真实裂纹的三维形态和空间位置;考虑裂纹尖端塑性区和磨耗的影响,提出基于三维重构的裂纹扩展预测方法。预测结果表明,X射线断层扫描技术可以得到真实裂纹的高精度形状和特征,实现钢轨轨距角–轨肩处近似平面状裂纹的三维建模。根据重载铁路典型的车辆和曲线轨道条件,预测裂纹在一定通过总重累积下的扩展情况,接触斑作用在裂纹上时引起的应力最大值集中在轨面及轨面以下垂直深度2~4 mm处,裂纹尖端及裂纹开口附近未出现应力集中;一、三位外轮和二、四位外轮引起的裂纹尖端节点的Von-Mises应力分别相近;当前轮与外轨发生两点接触时,前轮接触斑下方的裂纹尖端节点应力小于后轮引起的应力;预测的裂纹长度、深度与显微观测的实际裂纹接近,预测的裂纹沿钢轨纵向扩展的角度范围包含了显微观测的实际扩展角度。

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。

轨道综合作业对高速铁路有砟轨道几何不平顺改善效果

根据高速铁路有砟轨道综合作业前后的轨道几何状态检测数据,分析了以大机作业、人工精调和钢轨打磨为主的综合作业对高速铁路有砟轨道几何不平顺的改善情况。分析结果表明:大机作业、人工精调和钢轨打磨的综合作业可联合改善轨道几何不平顺,其中,大机作业对高低、水平、三角坑不平顺的改善率分别为20.95%、12.90%和13.16%,人工精调对高低、水平、三角坑和轨距不平顺的改善率分别为11.97%、5.56%、7.43%和6.12%,钢轨打磨对高低和轨向不平顺的改善率分别为4.85%和3.88%,轨道质量指数在大机作业、人工精调、钢轨打磨后的改善率分别为11.54%、6.91%和1.10%,因此,大机作业和人工精调对各个单项不平顺改善效果明显,大机作业的贡献最大,而人工精调可在一定程度上改善轨距不平顺,钢轨打磨对高低不平顺和轨向不平顺进一步改善,但对水平不平顺、轨距不平顺和三角坑不平顺等改善效果不明显;经过综合作业,单项不平顺与轨道质量指数均呈下降趋势,其中轨道质量指数、高低不平顺、水平不平顺、右轨向不平顺近似呈幂函数趋势降低,左轨向不平顺近似呈线性函数趋势降低,三角坑不平顺近似呈对数函数趋势降低,反映了大机作业对轨道几何状态改善程度高,人工精调、钢轨打磨进一步改善部分单项不平顺的情况。