關(guān)于鋼軌傷損特性試驗(yàn)的研究

張輝

摘 要：目前高速鐵路與重載鐵路的損傷形式是存在較大差異的，疲勞與磨損是其各自的主要損傷形式，所以鋼軌在選材上的要求是相當(dāng)復(fù)雜的。雙輪滾動(dòng)試驗(yàn)，在針對(duì)我國(guó)鋼軌材料下，研究在不同線(xiàn)路環(huán)境上的鋼軌材料的傷損規(guī)律，通過(guò)研究鋼軌磨損與疲勞之間的對(duì)抗平衡，分析軸重、車(chē)速、摩擦狀態(tài)等因素，制定鋼軌的分級(jí)制度，確定不同工況下的輪軌材料，達(dá)到防治鋼軌損傷的目的，對(duì)我國(guó)鐵路鋼軌材料的選用起到指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：磨損；疲勞；雙輪試驗(yàn)；鋼軌材料

1 概述

鋼軌傷損：鋼軌是軌道結(jié)構(gòu)的重要部件，由于機(jī)車(chē)車(chē)輛的動(dòng)力作用、自然環(huán)境和鋼軌本身的質(zhì)量等原因，常會(huì)出現(xiàn)鋼軌傷損。鋼軌傷損是指鋼軌在車(chē)輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，發(fā)生裂紋、折斷及其他影響和限制鋼軌使用性能的傷損[1]。

鋼軌傷損的分類(lèi)：鋼軌傷損種類(lèi)很多，常見(jiàn)的有軌腰螺栓孔裂紋、軌頭核傷、磨耗等，歸類(lèi)主要分為鋼軌接觸疲勞和傷損鋼軌磨耗兩種。鋼軌磨耗是指鋼軌發(fā)生在小半徑曲線(xiàn)的波浪形磨耗和側(cè)面磨耗。在小半徑曲線(xiàn)上，側(cè)面磨耗發(fā)生在外股鋼軌上，在曲線(xiàn)上運(yùn)行的列車(chē)，輪軌的摩擦與滑動(dòng)時(shí)造成外軌側(cè)磨的根本原因。鋼軌波磨，即鋼軌波浪形磨耗，指的是鋼軌投入運(yùn)行后在鋼軌軌頭或側(cè)面出現(xiàn)的有一定規(guī)律的周期性的波浪形不均勻磨損和塑性變形[2]。

鋼軌雙輪傷損特性試驗(yàn)研究現(xiàn)狀：鋼軌傷損特性試驗(yàn)多利用赫茲模擬準(zhǔn)則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室鋼軌磨損再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)研究，試件分別從鋼軌和車(chē)輪上裁取，采用雙輪滾動(dòng)接觸方式，實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要為摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，上試樣軸和下試樣通過(guò)兩速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，試驗(yàn)采用赫茲模擬準(zhǔn)則進(jìn)行，是為了確保實(shí)驗(yàn)條件下模擬輪軌試件間的平均接觸應(yīng)力和接觸橢圓的長(zhǎng)短軸之比與現(xiàn)場(chǎng)中的相同[3]。試驗(yàn)研究方面涉及硬度、重量、車(chē)速、軸重、曲率半徑、材料及試件銹蝕情況等因素。試驗(yàn)通過(guò)稱(chēng)重得出磨損量、電子顯微鏡觀察試件的接觸表面等方法獲得試驗(yàn)結(jié)論，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試件形式與圖1類(lèi)似。

2 赫茲接觸理論在滾動(dòng)試驗(yàn)中的應(yīng)用

2.1 赫茲接觸理論

H.R.赫茲在1881年最早研究了玻璃透鏡在相互接觸的力下發(fā)生的彈性變形。他假設(shè)：（1）接觸面呈橢圓形；（2）相接觸的物體可被看作是彈性半空間，接觸面上只作用有分布的垂直壓力；（3）接觸區(qū)發(fā)生小變形。凡滿(mǎn)足以上假設(shè)的接觸稱(chēng)為赫茲接觸。外加壓力與接觸應(yīng)力呈非線(xiàn)性關(guān)系，并與材料的彈性模量和泊松比有關(guān)。

2.2 試件尺寸確定

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理與結(jié)論的得出

3.1 硬度測(cè)量

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以通過(guò)硬度儀器對(duì)試件的硬度進(jìn)行測(cè)量，試件實(shí)例如表1所示。

3.2 磨損量測(cè)量

磨損量的測(cè)量主要通過(guò)稱(chēng)重試件質(zhì)量實(shí)現(xiàn)，可使用TG328A型機(jī)械式光電分析天平對(duì)磨損前后輪軌試樣的質(zhì)量進(jìn)行多次稱(chēng)量，稱(chēng)重結(jié)果質(zhì)量差的平均值作為輪軌試樣的磨損量。

3.3 輪軌滾動(dòng)剝離特性

剝離特性的研究主要通過(guò)掃面電鏡進(jìn)行觀測(cè)分析實(shí)現(xiàn)，對(duì)橫斷面微觀形貌及摩擦副磨痕表面通過(guò)使用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行觀測(cè)分析，并結(jié)合EXD譜對(duì)摩擦副主要磨損機(jī)制進(jìn)行探討。

3.4 結(jié)論的得出

在通過(guò)多面方面的結(jié)果分析以后得出結(jié)論：（1）輪軌的硬度比

增大，摩擦副的總磨損量也隨之增大。（2）鋼軌硬度隨著鋼軌材料含碳量的增大而逐漸升高，磨損量隨硬度增大而減小，車(chē)輪磨損量隨硬度增大而增加，且磨損表面逐漸平滑。

4 鋼軌傷損特性試驗(yàn)的意義

研究鋼軌磨損的問(wèn)題越來(lái)越重要，磨損問(wèn)題不僅影響到列車(chē)行車(chē)安全，還大大的增加了鐵路運(yùn)輸成本。在不同的工況下，輪軌各自表現(xiàn)出不同的性能；在相同工況下，不同材料的摩擦副，也表現(xiàn)出迥然不同的性能。加強(qiáng)對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞形成機(jī)理和重載及高速鋼軌磨損問(wèn)題的研究，并研究輪軌材料在不同工況下的合理材料匹配，對(duì)有效預(yù)防或減緩鋼軌磨損和滾動(dòng)接觸疲勞損傷，提高鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩€(wěn)定性有著重要的意義[5]。

5 結(jié)論與展望

結(jié)論：列車(chē)運(yùn)行速度的提高，促使接觸疲勞裂紋更易擴(kuò)展。列車(chē)軸重和鐵路運(yùn)量的增大，鋼軌磨損愈加嚴(yán)重。所以改善輪軌損傷的問(wèn)題己成為迫切需要研究的重要課題。文章對(duì)雙輪滾動(dòng)對(duì)磨的鋼軌傷損特性試驗(yàn)進(jìn)行了研究，鋼軌傷損特性試驗(yàn)涉及到輪軌材料的合理匹配、機(jī)車(chē)的運(yùn)行速度、機(jī)車(chē)的軸重、軌道的幾何形位、新型打磨技術(shù)的研發(fā)等問(wèn)題，對(duì)諸如此類(lèi)問(wèn)題的研究有重要意義。

展望：隨著我國(guó)重載與高速鐵路的快速發(fā)展，輪軌由于滾動(dòng)接觸疲勞與磨損引起的失效損傷變得越來(lái)越嚴(yán)重，已成為影響鐵路運(yùn)輸安全的重要因素。諸如雙輪對(duì)磨等類(lèi)型的鋼軌傷損特性試驗(yàn)在對(duì)鋼軌的傷損機(jī)理的研究將起到越來(lái)越重要的作用。其應(yīng)該具備以下特征：（1）對(duì)現(xiàn)實(shí)中輪軌接觸進(jìn)行再現(xiàn)模擬，方便，容易操作和施行；（2）可以融入硬度、重量、車(chē)速、軸重、曲率半徑和材料等多方面因素，可以對(duì)鋼軌傷損特性進(jìn)行多方面研究；（3）實(shí)驗(yàn)試件尺寸小，取材廣泛，節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，便于安裝和人員操作；（4）試件的尺寸的確定和試件的制備更加規(guī)范化，更符合現(xiàn)實(shí)中輪軌對(duì)磨的各項(xiàng)參數(shù)。（5）更多的與有限元軟件模擬結(jié)合在一起解決實(shí)際問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]郝瀛.鐵道工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2000.

[2]張偉.鋼軌滾動(dòng)磨損性能試驗(yàn)研究[J].潤(rùn)滑與密封，2007，1（1）.

[3]劉啟躍.鋼軌磨損特性試驗(yàn)研究及分級(jí)使用建議[J].潤(rùn)滑與密封，2008，11.

[4]C. Hardwick. Wheel and rail wear-Understanding the effects of water and grease[J].Contents lists available at Science Direct Wear，2013，4.

[5]范俊杰.現(xiàn)代鐵路軌道[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2001.