钢轨钢的接触疲劳伤损及实验研究

本文简要综述了钢轨钢的接触疲劳伤损特征和疲劳成因 ,探讨了提高钢轨钢使用寿命的途径 ,研究了三种中低碳贝氏体钢的接触疲劳行为。

接触疲劳伤损突出路段钢轨合理选用研究

在客货混运主干线的接触疲劳伤损突出路段,进行了1 100 MPa级热处理钢轨和U75V、U71Mn热轧钢轨的铺路试验。结果表明1 100 MPa级热处理钢轨的抗接触疲劳伤损性能明显优于U75V和U71Mn热轧钢轨。在客货混运主干线钢轨接触疲劳伤损突出的大半径曲线和直线路段选用1 100 MPa级热处理钢轨,将有效减少钢轨的接触疲劳伤损,获得良好的综合试验效果。

钢轨的抗接触疲劳伤损性能研究

研究了一种与常规的金属材料接触疲劳性能试验不同的,更接近线路钢轨轮轨接触状态的钢轨接触疲劳试验方法,对不同钢轨在车速160km/h、半径800m、轴重25t条件的抗接触疲劳伤损性能进行模拟试验研究。结果表明,在一定的试验(工况)条件下,裂纹萌生和扩展速率较低、磨损量大的钢轨接触疲劳伤损相对较轻。在试验的几种钢轨中1000 MPa级的U75V热轧钢轨接触疲劳伤损最重。根据各钢轨的接触疲劳伤损特点,1300 MPa级热处理钢轨适宜在小半径的重载线路上使用,强度和裂纹扩展速率低的钢轨适宜在高、快速线路上使用。

维也纳地铁路网由于滚动接触疲劳引起的钢轨损伤

钢轨折断是不容忽视的课题。在维也纳地铁路网中，近几年出现了钢轨裂纹和破损现象。将钢轨问题分为2个范围：整体应力问题（将钢轨看成是一个整体）和局部应力问题（在轨头周围由于滚动接触产生的法向应力和剪切应力，随着滚动数量的增加会导致钢轨踏面下材料破碎）。

治理滚动接触疲劳伤损钢轨的打磨廓形设计及效果评价

针对我国普速铁路普遍存在的钢轨滚动接触疲劳伤损情况,对滚动接触疲劳伤损的形成机理和分类进行了论述。以经典的轮轨接触几何学和轮轨接触力学为理论依据,对无侧磨且带有疲劳伤损的曲线地段钢轨进行了打磨廓形优化设计,并通过仿真计算分析评价了廓形优化设计的效果。结果表明:廓形优化设计后轮轨接触点分布趋于集中,且基本位于轨顶中心附近区域;轮轨接触应力有所减小,曲下股减小约9.11%、曲上股轨顶面减小约20.28%、曲上股工作边减小约39.33%;轮轨磨耗指数有所增大,曲下股增大约27.57%、曲上股轨顶面增大约3.14%、曲上股工作边增大约282.26%,有利于加速曲上股钢轨形成侧磨;车辆运行安全性指标有一定的改善,轮重减载率降低约11.43%,脱轨系数降低约7.50%。

高速铁路用钢轨接触疲劳伤损的成因及预防

文章介绍了高速铁路用钢轨接触疲劳伤损的主要类型,主要表现斜线状裂纹踏面裂纹及蜂富状裂纹,分析了接触疲劳伤损的形成原因,进而提出了轨头接触疲劳伤损的预防对策。

干-水态下圆形硌伤对钢轨材料滚动接触疲劳特性影响

采用布氏硬度仪在钢轨试样表面制得不同尺寸的圆形硌伤,利用MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机研究了未硌伤和硌伤钢轨的表面硬度、磨损量及滚动接触疲劳损伤特性.结果表明:与未硌伤钢轨相比,硌伤钢轨的表面硬度和磨损量都有所增加;随硌伤尺寸增加,钢轨磨损量与硬度随之增大.较小尺寸的硌伤坑(1.6 mm)有助于减轻硌伤处疲劳裂纹的产生,硌伤坑超过临界值(2.0 mm)则会加重硌伤区附近疲劳裂纹的萌生并导致支裂纹和垂向裂纹的出现.未硌伤钢轨疲劳裂纹以沿晶扩展为主,大尺寸硌伤钢轨试样的疲劳裂纹呈现穿晶扩展现象.

硌伤形貌对车轮材料滚动接触疲劳特性的影响

采用重力摆锤在车轮试样表面冲击出不同形貌的硌伤坑,基于改进后的MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验平台,研究了未硌伤车轮以及两种硌伤形貌车轮的滚动接触疲劳特性。结合ABAQUS仿真分析的车轮硌伤后残余应力分布情况,探讨了硌伤坑附近裂纹的萌生及扩展机制。结果表明:与未硌伤车轮相比,车轮硌伤处次表层材料沿踏面垂直方向上出现的残余拉应力有助于促进裂纹的萌生和扩展。相同冲击能下,球形硌伤坑附近裂纹长度和角度均大于道砟形硌伤坑附近裂纹长度和角度。球形硌伤坑边缘次表层裂纹的裂纹面较宽,并沿着45°的扩展角度向内部扩展。

轮轨硌伤诱发滚动接触疲劳机制的材料影响

利用GPM-30滚动接触疲劳磨损试验机,在油润滑条件下试验研究轮轨材料对丝锥硌伤诱发局部滚动接触疲劳(LRCF)的影响,涉及ER8高速车轮钢、U71MnG高速钢轨钢,以及1280 MPa和1380 MPa级的贝马复相、PG4、PG5等4种新开发的重载钢轨钢。发现硌伤诱发的剥离掉块仅发生在硬度低于300 HV的ER8和U71MnG高速轮轨材料,且只有在硌伤深度超过150~200μm的临界值时发生,对于硬度高于400 HV的重载钢轨材料,表面硌伤不太可能诱发局部滚动接触疲劳。试样表面和剖切观测显示,初始疲劳裂纹可萌生于硌伤内部和前、后沿,底部萌生的裂纹更容易导致包含深裂纹和大块剥离的局部滚动接触疲劳,后沿比前沿更容易萌生初始裂纹。与U71MnG高速钢轨相比,硬度更低的ER8高速车轮钢试样上硌伤引发剥离掉块的可能性更高,但U71MnG钢轨钢试样上萌生的初始裂纹可扩展得更宽、更深,更易引发大块剥离,局部滚动接触疲劳造成的后果更严重。

浅谈钢轨轨头表面接触疲劳伤损的成因及预防

阐述当前我局钢轨轨头表面疲劳伤损主要的类型，通过分析其形成原因，提出加强安全预防的措施及对策。

摩擦系数对高速列车车轮瞬时滚动接触疲劳的影响

运用非线性有限元软件ABAQUS建立列车时速为300km的轮轨三维瞬时滚动接触弹塑性有限元模型,采用先隐式后显示的方法计算得到摩擦系数分别为0.05,0.1,0.2,0.3,0.4和0.5时轮轨接触斑内的横向蠕滑力、纵向蠕滑力和蠕滑力合力的分布;将此结果作为安定图和损伤函数的输入,分析不同摩擦系数对车轮接触斑疲劳指数和车轮损伤分布的影响。结果表明:摩擦系数对轮轨接触斑内蠕滑力合力的分布影响不大,但对其幅值的影响较大,蠕滑力合力随着摩擦系数的增大而增大;随着摩擦系数的增大,车轮的接触状态越来越接近于棘轮效应区,并随着载荷的循环加载,车轮易发生接触疲劳现象;由损伤函数可知,摩擦系数小于0.2时的车轮损伤主要为裂纹损伤,摩擦系数大于0.2时的车轮损伤主要是磨耗损伤,损伤分布的范围主要在车轮名义滚动圆附近。

车轮踏面硌伤处的瞬态滚动接触应力分析

通过建立三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型，研究带有踏面硌伤的车轮在指定牵引或制动力条件下的瞬态滚动接触行为，分析不同速度、硌伤几何和材料塑性变形对踏面硌伤处滚动接触行为的影响。结果表明：在60-300 km／h速度范围内，车轮硌伤所激起的接触力随速度的增加而降低；初期硌伤可能存在的边缘“堆起”能大大增加接触应力的水平，或可导致滚动接触疲劳的萌生；对于具有尖锐边缘的硌伤，弹塑性等效应力水平仍可明显大于车轮材料的强度极限，即可发生持续的塑性变形，易于萌生疲劳；相对而言，对于具有钝边缘的硌伤，相应的接触应力水平要低得多，车轮偏于安全。

液体对钢轨滚动接触疲劳裂纹的作用

建立基于耦合欧拉−拉格朗日方法的液体-裂纹流固耦合数值模型,分析移动轮轨接触荷载下液体对钢轨滚动接触疲劳裂纹面之间的压力分布情况,研究了不同黏度液体对不同长度、不同角度裂纹的作用。结论发现:高黏度液体对裂纹全长均有压力,对裂纹面的压力是低黏度液体压力的4.8~5.9倍,且越靠近裂纹尖端的压力越大,算例工况下脂类对裂纹尖端的压力最大值达到约690~751MPa。随着接触荷载通过裂纹开口,高黏度液体仍然停留在裂纹内,对裂纹面压力作用持续时间较长,约占一次荷载周期的80%~90%,在一个荷载周期内对裂纹面的压力分布呈马鞍状。而低黏度液体会随着轮轨接触荷载的运行被挤出裂纹,主要对裂纹开口及中段形成较大压力,对裂纹面的压力作用持续时间仅占一次荷载周期的10%~30%,在一个荷载周期内对裂纹面的压力分布呈山峰状。裂纹角度越大、长度越长,液体对裂纹面的压力作用更大,裂纹扩展趋势更明显。裂纹角度为30°和40°时分别较20°时,高黏度液体对裂纹面压力最大值增大了38.5%~63.8%和1.1~1.2倍。裂纹长度为2mm时较1.5mm时,高黏度液体对裂纹面压力最大值增大了6.1%~8.3%。

基于涡流检测和神经网络的钢轨表面滚动接触疲劳裂纹特征评估

基于钢轨表面不同深度和角度的2组人工伤损及涡流检测系统,在100~2000 kHz激励频率范围内进行钢轨裂纹检测试验,确定最佳激励频率;在最佳激励频率769 kHz条件下对人工伤损进行检测,分析伤损尺寸参数与信号特征值的关系;基于最小二乘法曲线拟合原理,分别采用指数函数和三次多项式函数对伤损深度和角度进行定量评估;采用基于LM算法的BP神经网络方法,对伤损深度和角度进行定量评估;对2类定量评估结果进行对比。结果表明:基于曲线拟合原理的定量评估中指数函数更适用,其对深度和角度定量评估分类准确率分别为75%和66.67%;神经网络方法对深度和角度定量评估分类准确率分别为100%和83.33%,均高于指数函数定量评估。

CRH2型动车组车轮滚动接触疲劳问题分析

CRH2型动车组车轮采用ER8材质的车轮,近年来发生了多起车轮滚动接触疲劳故障,其中头尾车导向轮发生车轮滚动接触疲劳概率相对较高。CRH2型动车组车轮滚动接触疲劳主要为两类,第一类主要由横向力和纵向力引起,第二类主要由车轮硌伤引起,这两种车轮滚动接触疲劳裂纹不会形成贯穿性裂纹,不会导致辋裂故障,但在日常检修过程中,如发现车轮滚动接触疲劳,需及时进行镟修,对于需多次镟修车轮,建议适当较低镟床驱动轮转速及进刀量。

高速铁路钢轨RCF伤损特征及NDT研究进展

随着我国高速列车的大量开行,滚动接触疲劳(RCF)伤损成为了高速铁路钢轨的主要伤损,严重威胁行车安全。本文介绍了我国提速段高速铁路钢轨的滚动接触疲劳伤损的类型、特征和发展模式。相关机构的调研和分析结果表明,轨头裂纹和隐伤是我国提速段钢轨最主要的RCF伤损,且伤损类型与钢轨的强度级别有关。同时介绍了钢轨RCF伤损的无损检测方法研究情况,重点阐述了低频超声表面波检测方法的研究进展。

钢轨鱼鳞伤损及其量化评价方法

钢轨鱼鳞伤损一直以来困扰着世界各国的铁路部门,同时由于鱼鳞伤损产生的不均匀和不规则性,没有对其准确的定量评价方法。简要介绍了鱼鳞伤损的特征、萌生扩展机理以及相关影响因素,并结合实际线路中钢轨使用情况,提出了钢轨鱼鳞伤损发展程度的量化评价方法,提高了钢轨鱼鳞伤损统计效率和精度,有利于推动钢轨鱼鳞伤损研究的进一步发展。

高速铁路钢轨硌伤疲劳扩展模拟试验研究

采用GPM-30双盘试验机,利用U71MnG钢轨和ER8车轮材料开展钢轨试样表面预制硌伤的滚动疲劳试验,对试验后不同深度的圆锥形、方锥形、球形、长条形硌伤的表面形貌和内部伤损特征进行对比分析。结果表明:钢轨试样硌伤疲劳扩展形成的局部滚动接触疲劳伤损包括表面裂纹、浅层剥离和深层掉块;硌伤的滚动疲劳扩展与其初始深度和外形的尖锐程度密切相关;球形硌伤发生滚动接触疲劳的可能性最小,圆锥形和长条形硌伤的可能性最大;硌伤进一步扩展为局部滚动接触疲劳伤损的临界深度约为150μm。

基于机器视觉的钢轨接触疲劳裂纹检测方法

针对现有钢轨伤损视觉检测未对伤损进行分类处理、缺乏针对钢轨接触疲劳裂纹的检测的问题,根据钢轨接触疲劳裂纹的方向性特征,提出了一种基于机器视觉的钢轨接触疲劳裂纹检测方法。首先利用纵向灰度值积分的方法从轨道图像中提取轨面区域;再将钢轨的图像划分为若干个单元区域,统计每个单元区域的梯度方向直方图;然后根据梯度方向特性判断单元区域是否存在接触疲劳裂纹。试验结果表明:该方法能有效地检测钢轨接触疲劳裂纹区域,并能排除光照不均等因素的干扰,检测的准确率达到97.33%。

U75V热轧钢轨伤损原因分析

U75V热轧钢轨铺设在曲线半径R=400m地段使用2a(年)多,部分钢轨出现了严重的接触疲劳裂纹及剥离掉块伤损,采用化学成分分析、扫描电镜以及能谱仪分析、光学显微镜分析等方法对钢轨伤损原因进行了分析。结果表明:钢轨出现剥离掉块和接触疲劳裂纹伤损的主要原因是轮轨接触圆角处的接触应力过大超过其接触疲劳强度,在钢轨塑性变形层表面萌生疲劳裂纹并沿变形流线方向疲劳扩展,在轮轨接触圆角处形成疲劳核伤;可通过提高冶金质量、铺设高强度等级的钢轨、改善轮轨接触关系及受力状态、对出现接触疲劳裂纹的钢轨进行打磨等措施来延长钢轨的使用寿命。