鋼軌魚鱗傷損及其量化評價方法

費(fèi)俊杰　周桂峰　徐　進(jìn)　齊江華　周劍華　朱　敏

(1.武鋼研究院　湖北　武漢：430080；2.武漢鐵路局工務(wù)處　湖北　武漢：430071)

?

鋼軌魚鱗傷損及其量化評價方法

費(fèi)俊杰1周桂峰1徐進(jìn)2齊江華1周劍華1朱敏1

(1.武鋼研究院湖北武漢：430080；2.武漢鐵路局工務(wù)處湖北武漢：430071)

摘要鋼軌魚鱗傷損一直以來困擾著世界各國的鐵路部門，同時由于魚鱗傷損產(chǎn)生的不均勻和不規(guī)則性，沒有對其準(zhǔn)確的定量評價方法。簡要介紹了魚鱗傷損的特征、萌生擴(kuò)展機(jī)理以及相關(guān)影響因素，并結(jié)合實(shí)際線路中鋼軌使用情況，提出了鋼軌魚鱗傷損發(fā)展程度的量化評價方法，提高了鋼軌魚鱗傷損統(tǒng)計效率和精度，有利于推動鋼軌魚鱗傷損研究的進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞鋼軌；滾動接觸疲勞；魚鱗傷損；量化評價方法;鋼軌傷損

隨著鐵路運(yùn)營朝著高速重載方向發(fā)展，鋼軌與車輪之間以魚鱗傷損為主的滾動接觸疲勞變得越來越嚴(yán)重[1]。鋼軌魚鱗傷損會進(jìn)一步發(fā)展為剝離脫落、掉塊，甚至發(fā)展為核傷導(dǎo)致鋼軌斷裂，嚴(yán)重影響鋼軌的使用壽命和行車安全，魚鱗傷損是困擾鐵路部門和各鋼廠的一大難題[2-3]。

國內(nèi)外對鋼軌魚鱗傷損進(jìn)行了大量的研究，但是目前國內(nèi)外對鋼軌魚鱗傷損沒有統(tǒng)一具體的量化評判指標(biāo)，還停留在定性分析的階段，只是憑借肉眼觀察來主觀評判魚鱗傷損的嚴(yán)重程度，難以對魚鱗傷損初期萌生和后期發(fā)展的程度進(jìn)行準(zhǔn)確判斷和評價，影響了鋼軌魚鱗傷損研究水平的發(fā)展。本文簡要介紹了魚鱗傷損的特征和萌生擴(kuò)展機(jī)理，并結(jié)合實(shí)際線路中鋼軌使用情況，提出了魚鱗傷損發(fā)展程度的量化評價方法，有效提高了鋼軌魚鱗傷損統(tǒng)計效率和精度。

1鋼軌魚鱗傷損

1.1形貌特征

鋼軌魚鱗傷損是指鋼軌鋪設(shè)運(yùn)行一段時間，在曲線上股和直線段間斷性交替出現(xiàn)接觸疲勞裂紋，見圖1。在輪軌交變應(yīng)力的作用下裂紋會快速擴(kuò)展，發(fā)展為鋼軌剝離脫落和掉塊[4]。

鋼軌魚鱗傷損裂紋分布密集，裂紋細(xì)短，通常伴隨著一定的塑性變形和掉塊現(xiàn)象，在發(fā)展初期宏觀形貌主要為軌角處45°斜裂紋，這是輪軌切向力和法向力作用的結(jié)果。在車輪的反復(fù)擠壓下，裂紋順著塑性流動方向擴(kuò)展，最終相互貫穿造成軌角材料剝離，出現(xiàn)斜裂紋加剝離掉塊的“混合型”傷損形式，見圖2。到魚鱗傷損發(fā)展的后期階段，鋼軌軌頭踏面和軌角處基本全部為剝離掉塊。

圖1　魚鱗傷損示意圖

圖2　鋼軌“混合型”魚鱗傷損

1.2萌生擴(kuò)展機(jī)理

鋼軌魚鱗傷損本質(zhì)屬于滾動接觸疲勞缺陷(Rolling Contact Fatigue)。輪軌接觸過程中，鋼軌受到巨大的滾動接觸應(yīng)力作用，其個軌頭踏面以下某一深度材料內(nèi)部出現(xiàn)最大剪切應(yīng)力分布，見圖3。特別是在小半徑曲線區(qū)域，最大剪切應(yīng)力會大大高于鋼軌材料的屈服強(qiáng)度極限[5-6]。鋼軌表層材料會出現(xiàn)微量塑性變形并且逐漸累積，隨著輪軌循環(huán)作用，材料循環(huán)硬化到一定程度后出現(xiàn)塑性耗竭，鋼軌沿車輪運(yùn)動方向出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的塑性流動，當(dāng)塑性流動超過材料的變形極限時，鋼軌表面出現(xiàn)眾多微裂紋[7]，見圖4。

圖3　鋼軌接觸應(yīng)力示意圖

圖4　鋼軌魚鱗傷損萌生示意圖

鋼軌表面魚鱗微裂紋初始階段以小銳角向內(nèi)部延伸，到一定深度后，逐漸轉(zhuǎn)向與踏面平行的方向繼續(xù)發(fā)展，最終會以圓周狀擴(kuò)展到軌角，最終材料脫落形成魚鱗剝離掉塊[8]。

1.3影響因素

影響魚鱗傷損的因素很多，但從本質(zhì)上來說，鋼軌材料成分和微觀結(jié)構(gòu)是內(nèi)因，而使用條件、工況及維護(hù)是外因，其主要影響因素有[9-10]：(1)鋼軌材質(zhì)，材料是影響魚鱗傷損的主要因素，合金組織穩(wěn)定性和均勻性越好，材料的疲勞強(qiáng)度越高，鋼軌魚鱗傷損發(fā)展越輕微；(2)曲線半徑，曲線半徑越小，輪軌接觸應(yīng)力越大，當(dāng)接觸應(yīng)力超過鋼軌的接觸疲勞裂紋萌生抗力時，將導(dǎo)致魚鱗裂紋的形成和發(fā)展；(3)外部介質(zhì)，水或油等液體介質(zhì)容易滲進(jìn)表面裂紋內(nèi)部，在外在壓力作用下，形成很大的內(nèi)應(yīng)力加速裂紋的擴(kuò)展，(4)養(yǎng)護(hù)情況，線路養(yǎng)護(hù)和打磨可以使輪軌配合維持在良好的狀態(tài)，減小輪軌接觸應(yīng)力，從而減緩魚鱗傷損。

2魚鱗傷損量化評價方法

結(jié)合鋼軌長期線路跟蹤經(jīng)驗(yàn)和魚鱗傷損形態(tài)[11]，得到魚鱗傷損量化評價方法，采用單位長度上魚鱗裂紋或者剝離掉塊的數(shù)量來評價，對不同長度的裂紋和不同直徑的掉塊面積取不同的加權(quán)系數(shù)。加權(quán)系數(shù)是根據(jù)線路傷損跟蹤經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的，設(shè)定原則是盡可能準(zhǔn)確的反映魚鱗傷損情況。提出了魚鱗傷損量化指數(shù)R的計算方法，通過公式計算出鋼軌魚鱗傷損發(fā)展程度量化指數(shù)R，R數(shù)值的大小可直觀反映鋼軌魚鱗傷損的發(fā)展程度，目前該方法正在逐步向武漢和鄭州鐵路局推廣。

2.1魚鱗傷損發(fā)展程度量化指數(shù)R

初期魚鱗傷損主要以軌角處魚鱗斜裂紋為主，選取整體上最具代表性的傷損區(qū)間，對一定長度L(L為100mm～200mm)的鋼軌上的魚鱗裂紋數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，其中根據(jù)不同裂紋長度H統(tǒng)計的裂紋數(shù)量分別為K1(0mm≤H<10mm)、K2(10mm≤H<20mm)、K3(20mm≤H<30mm)、K4(H≥30mm)。

對于后期的剝離掉塊，對一定長度L的鋼軌上的魚鱗掉塊數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，其中根據(jù)不同掉塊的最大直徑D統(tǒng)計的掉塊數(shù)量分別為N1(0mm≤D<3mm)、N2(3mm≤D<6mm)、N3(6mm≤D<10mm)、N4(D≥10mm)。

則鋼軌魚鱗傷損發(fā)展程度量化指數(shù)R計算公式如下：

2.2實(shí)際線路應(yīng)用

對武漢、南昌、鄭州鐵路局線路進(jìn)行了跟蹤。鋼軌材質(zhì)均為U75V，均為客貨混運(yùn)線路，在實(shí)際線路運(yùn)營中，鋼軌養(yǎng)護(hù)情況和力學(xué)性能相差不大，鋼軌線路條件和使用時間是影響魚鱗傷損的關(guān)鍵因素，其中小半徑曲線處為魚鱗傷損高發(fā)地段，因此跟蹤路段均選為小半徑曲線。采用魚鱗傷損量化評價方法進(jìn)行評價，現(xiàn)場應(yīng)用表明，該方法簡單快捷，可準(zhǔn)確反映魚鱗傷損發(fā)展水平，大大提高了魚鱗傷損統(tǒng)計效率和精度。

南昌鐵路局京九線某段運(yùn)行3個月的鋼軌，客貨混運(yùn)，線路彎曲半徑為600m，觀察鋼軌處于初期魚鱗傷損階段，表現(xiàn)為魚鱗狀斜裂紋，未出現(xiàn)掉塊，見圖5。采用魚鱗傷損發(fā)展程度量化評價方法進(jìn)行測量：對100mm長度上的裂紋進(jìn)行統(tǒng)計，根據(jù)不同裂紋長度統(tǒng)計的裂紋數(shù)量分別為K1=21、K2=12、K3=3、K4=0。

圖5　鋼軌初期魚鱗裂紋

塊數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，裂紋數(shù)量分別為K1=0、K2=15、K3=10、K4=2；掉塊數(shù)量分別為N1=18、N2=4、N3=0、N4=0。

鋼軌魚鱗傷損發(fā)展程度量化指數(shù)R計算如下：

圖6　鋼軌混合型魚鱗傷損

武漢鐵路局京廣線某段運(yùn)行16個月的鋼軌，客貨混運(yùn)，線路彎曲半徑為700m，處于鋼軌嚴(yán)重魚鱗傷損后期階段，軌角及踏面處大量魚鱗剝離掉塊傷損，見圖7。對110mm長度上的掉塊數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計：N1=45、N2=17、N3=6、N4=2。

鋼軌魚鱗傷損發(fā)展程度量化指數(shù)R計算如下：

圖7　鋼軌嚴(yán)重魚鱗掉塊

可知，該線路R為2.96，鋼軌處于鋼軌嚴(yán)重魚鱗傷損階段。魚鱗剝離掉塊已從軌角大范圍擴(kuò)展至踏面，線路工務(wù)人員已發(fā)現(xiàn)車輪駛過該處時出現(xiàn)異響和較大橫向偏移，列車有蛇形失穩(wěn)的趨勢，目前正在準(zhǔn)備更換該處的魚鱗傷損鋼軌。

結(jié)合鋼軌使用情況，根據(jù)統(tǒng)計計算得到的R值，可以準(zhǔn)確評判鋼軌魚鱗傷損的發(fā)展程度，R值越高，鋼軌魚鱗傷損發(fā)展程度越嚴(yán)重。可大致分類為：0≤R<0.5，鋼軌魚鱗傷損初期階段，有少量輕微魚鱗斜裂紋；0.5≤R<1.0，鋼軌魚鱗傷損中期階段，有較多魚鱗斜裂紋及少量掉塊；1.0≤R<2，鋼軌魚鱗傷損擴(kuò)展階段，有較多魚鱗掉塊及少量斜裂紋；R≥2，鋼軌嚴(yán)重魚鱗傷損階段，有較多魚鱗掉塊，嚴(yán)重影響行車安全，需及時更換鋼軌。

3結(jié)論

(1)魚鱗傷損的出現(xiàn)是由于輪軌之間的交變接觸應(yīng)力過大，材料內(nèi)部最大剪切應(yīng)力超過鋼軌剪切極限，從而產(chǎn)生微裂紋，裂紋快速擴(kuò)展形成表面魚鱗傷損。

(2)結(jié)合實(shí)際線路中鋼軌使用情況，提出了鋼軌魚鱗傷損發(fā)展程度的量化評價方法，通過統(tǒng)計計算量化評價指數(shù)R的大小，可以方便直觀的評價鋼軌魚鱗傷損發(fā)展的程度，提高了鋼軌魚鱗傷損統(tǒng)計效率和精度。

(3)鋼軌魚鱗傷損與眾多因素有關(guān)，在提高鋼軌材料性能的同時，工務(wù)部門也要加強(qiáng)鋼軌的維護(hù)和檢查，對于量化評價指數(shù)R≥2的鋼軌，應(yīng)加強(qiáng)檢查力度，及時進(jìn)行打磨處理或者更換鋼軌，保障鐵路行車安全。

參考文獻(xiàn)

[1]顏秉善，王其昌. 鋼軌力學(xué)與鋼軌摩擦[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1989：1-4.

[2]周清躍，張銀花，楊來順，等.鋼軌的材質(zhì)性能及相關(guān)工藝[M].北京：中國鐵道出版社，2005：3-6.

[3]劉學(xué)文，鄒定強(qiáng)，邢麗賢，等.鋼軌踏面斜裂紋傷損原因及對策的研究[J].中國鐵道科學(xué)，2004，25(2)：82-87.

[4]史密斯.鋼軌滾動接觸疲勞的進(jìn)一步研究[J].中國鐵道科學(xué)，2002，23(3)：6-10.

[5]Xuesong Jin, Zefeng Wen，Kaiyun Wang. Effect of track irregularities on initiation and evolution of rail corrugation [J]. Journal of Sound and Vibration. 2005,285(1-2):121-148.

[6]Tyfour W R, Beynon J H, Kapoor A. Deterioration of Rolling Contact Fatigue Life of Pearlitic Rail Steel due to Dry-Wet Rolling-Sliding Line Contact[J]. Wear. 1996, 197:255-265.

[7]張斌，付秀琴.鐵路車輪踏面剝離的類型及形成機(jī)理[J].中國鐵道科學(xué)，2001，22(2)：73-78.

[8]盛光敏，范鏡泓，彭向和.PD3鋼軌鋼接觸疲勞裂紋擴(kuò)展行為研究[J].金屬學(xué)報，2000，36(2)：131-134.

[9]Stephen Marich. Some factors and myths about rail grinding-the Australian experience[J]. In Proceedings of the 8th International Heavy Haul Conference, Brazil, 2005：457-466.

[10]劉啟躍，張波，周仲榮.鐵路鋼軌損傷機(jī)理研究[J].中國機(jī)械工程，2002，13(18)：1596-1599.

[11]劉學(xué)文，田常海.在役U75V和U71Mn鋼軌傷損及其統(tǒng)計分析方法[J].中國鐵道科學(xué)，2007，28(6)：20-24.

(責(zé)任編輯：李文英)

Rail Shelling Defect and Quantitative Assessment Method

Fei Junjie1Zhou Guifeng1Xu Jin2Qi Jianghua1Zhou Jianhua1Zhu Min1

(1.Research and development Center of WISCO， Wuhan 430080, Hubei;2.Wuhan Railway Bureau， Wuhan 430071, Hubei)

Abstract:Railway shelling defect has been a headache to railway departments all around the world. However, there is no quantitative assessment method to evaluate it since shell defect is always uneven and irregular. This paper introduces its characteristics, emergence and extension and its related influential factors. It summarizes a quantitative method on the basis of studying the actual use of railways. This kind of method improves calculation efficiency and accuracy, and will witness further development of shelling defect investigation.

Key words:rail; rolling contact fatigue; shelling defect; quantitative assessment method； rail damage

中圖分類號：U213.4+2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-3524(2016)01-0004-04

作者簡介：費(fèi)俊杰(1988～)，男，碩士，工程師.E-mail：feijunjie8000@163.com

基金項目：武漢市科技計劃資助項目(項目編號：2013011403010505)

收稿日期：2015-11-02修回日期：2016-01-13