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葫生隐伤的条件，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。

重载铁路钢轨隐伤病害处振动特性分析

钢轨隐伤病害在重载铁路中大量存在,病害发展后期会导致病害位置整个轨道-路基动态响应增大,严重影响轨道-路基正常服役状态。为研究重载铁路典型隐伤病害产生后对整个轨道-路基的时频域影响特征,开展了现场静态测试与病害原因分析,以及分别进行了病害断面和正常断面的动态行车测试对比试验,得出了病害断面的时频域及振动传递特征。结果表明:病害断面钢轨轨头存在局部低塌、剥离掉块及多裂纹病害,轨头表面会存在明显的裂纹扩展区,其呈Y型扩展并有贯通整个轨头的趋势。病害断面轨道-路基振动明显较正常断面大,其中钢轨、轨枕、道床及路基振动大小均值分别是正常断面的26倍、23倍、13倍及5倍;病害断面轨道-路基频谱峰值存在转向架和邻轴距为基频10 Hz左右的周期性调制频率;病害断面轨枕下道砟粉化严重导致振动能量在2000 Hz附近几乎无衰减,而正常断面在2000 Hz附近由上至下各层之间振动能量依次减小;车速增大对病害断面钢轨振动冲击影响最强烈,对其下部轨枕及路基影响在45~75 km/h内逐渐减弱。

我国高速铁路钢轨隐伤形成机理及维护策略

针对我国高速铁路出现的钢轨隐伤伤损,采用现场观测与实验室试验相结合的方法,研究这种钢轨隐伤形成的机理,分析高速铁路钢轨初期、中期及后期隐伤的外观特征、裂纹形貌及微观组织特征;通过分析擦伤白层诱发隐伤和延性耗竭诱发隐伤2种伤损诱发机理,探讨应对隐伤的维护策略。结果表明:初期隐伤以V型裂纹为主,中期隐伤呈现黑斑和低塌,而后期隐伤则发展为剥离掉块或内部核伤;高速铁路钢轨由擦伤白层诱发的隐伤伤损多集中在站区和长大坡道,隐伤裂纹附近存在较浅的白层组织,厚度小于0.2 mm;由延性耗竭诱发的隐伤伤损多集中在站内和道岔区,隐伤裂纹附近未发现白层组织,轨面较大的切应力(加速区与制动区)或轨面不平顺(如周期性硌伤)均可能诱发此类隐伤。为此,应加强隐伤频发线路(站内、道岔区及长大坡道)轨顶面硬度、平直度及白层马氏体检测。

轨道车辆通过钢轨凹坑时的响应分析

为研究钢轨凹坑对列车造成的动力学响应,采用实测的钢轨凹坑数据,建立轮轨滚动瞬态接触模型,通过Abaqus动力学显式算法求解车轮通过凹坑时的滚动状态。计算得到车轮通过凹坑后钢轨的Mises应力、轮轨接触力、轴箱处垂向加速度等数据。结果表明,钢轨凹坑会对列车产生短时较大冲击,此时轮轨接触位置Mises应力为681.7 MPa,改变轮轨接触状态,危害行车安全。且在车轮进入凹坑后的0.01 s内激发波长为42.67 mm的振动。从等效塑性应变计算结果可以看出钢轨凹坑会进一步扩大,且凹坑后扩大趋势大于凹坑前。

客运专线钢轨踏面掉块原因分析

某客运专线钢轨在上道使用近10年后,多处钢轨踏面部位出现局部裂纹及掉块伤损。对钢轨的伤损特征、伤损宏观微观形貌、金相组织进行了检测分析,并对钢轨进行了化学成分分析和力学性能评价。结果表明:钢轨的伤损类型属于轨头踏面斜线状剥离裂纹伤损(又称踏面隐伤),为钢轨滚动接触疲劳中的主要伤损形式之一。裂纹起源于轨头表面,初始时沿金属形变流线方向以一定角度向深处扩展,扩展到约5 mm深度时,裂纹转向水平扩展,后续形成掉块,严重时也可能继续斜向扩展形成横向疲劳断裂。科学合理地进行钢轨预防性打磨和矫正性打磨,可以防止或减缓此类伤损的形成和发展。

钢轨擦伤形成机理、检测与防治综述

针对铁路运营过程中存在的钢轨擦伤问题,从擦伤的深度、裂纹扩展角度、尺寸等方面总结了擦伤的具体形态特征,论述了钢轨擦伤的扩展过程;系统分析了钢轨擦伤的形成机理,从塑性变形和热致相变2个成因角度分析了轮轨接触压力、接触区应力应变、接触区温度变化在擦伤形成过程中的作用机制;从机车车辆性能、线路参数、轨道类型等方面明确了影响钢轨擦伤发展的主要因素;调研了基于轴箱加速度等不同方式的钢轨擦伤现场检测方法,对比分析了各种方法在擦伤检测方面的适用性;结合擦伤的形成机理与影响因素,从车辆牵引/制动控制、钢轨打磨等角度分析了擦伤防治的有效措施与策略。研究结果表明:目前对于钢轨擦伤形成机理及发展过程的研究主要采用现场调研、样本试验模拟和数值仿真等手段;由轮轨之间的大蠕滑、滑动状态所引起的钢轨母材极限变形、热致相变是钢轨擦伤形成的主要原因,列车运行状态、线路平纵断面参数和线下基础类型等因素会影响轮轨之间的接触状态,从而诱发擦伤的形成和发展;按照钢轨擦伤的检测方式划分,目前主要可采用轴箱加速度响应法、频响函数法与涡流探测法等,但各类检测方法的精度对于不同程度的擦伤有一定差别;针对钢轨擦伤的防治方面,在擦伤形成之前,控制列车牵引/制动过程中的轮轨黏着超限对于预防擦伤较为有效,在擦伤形成后,根据擦伤的不同程度可通过分级打磨或换轨等方式来降低安全隐患。