淬火與熱軋對PD3鋼軌損傷的影響研究

摘 要：隨著我國重載鐵路的快速發展，輪軌磨損變得越來越嚴重，已成為影響鐵路運輸安全的重要因素。研究根據赫茲接觸理論使用JD-1型輪軌模擬試驗機針對淬火和熱軋的PD3鋼軌試樣進行了模擬實驗研究和微觀形貌分析，為重載鐵路的鋼軌選擇提供依據。結果表明：淬火鋼軌硬度高，磨損表面損傷輕微，抗磨損性能越好；熱軋鋼軌硬度略低，磨損比較嚴重。所以，淬火鋼軌更適合重載鐵路使用。

關鍵詞：鋼軌 硬度 磨損

中圖分類號：TG142文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）04（c）-0007-02

客運高速化和貨運重載化是鐵路發展的一個重要趨勢。全世界已建成時速200 km以上的高速鐵路總計達5640 km投入商業運營，而大秦線車輛軸重多數已經達到25t[1]。列車運行時，輪軌接觸斑面積極小，但卻要承受著幾十噸交變載荷，而且輪軌接觸時，轉動和滑動又會產生的較大的摩擦力，從而使得鋼軌在服役中容易產生一系列損傷[2]。

輪軌滾動接觸問題十分復雜，涉及多個學科的理論及知識，如輪軌材料、熱處理方式、滾動接觸力學、摩擦學、等等[3-4]。其中鋼軌材質問題一直受到各國鐵路部門的高度重視。目前采取了各種方法與措施來提高鋼軌性能，如發展輪軌新材料，優化輪軌型面匹配，以減少輪軌接觸應力和改善軌道與車輛結構性能來減少輪軌之間的動力作用等[5]。本研究主要針對目前最常用的PD3鋼軌的熱處理方式進行分析。

1 磨損試驗

試驗在JD-1型輪軌模擬試驗機上進行，該試驗機可模擬車輪作用于鋼軌的各種工況[6]，為了讓實驗室條件下輪軌間的相互作用過程與實際相似，試驗按照赫茲接觸理論，使模擬輪軌平均接觸應力和接觸區橢圓的長短半軸之比與現場中的相同。小輪試樣均取自鋼軌軌頭，小輪直徑為62 mm，大輪直徑為1153 mm。模擬大輪材料的含碳量為0.62%～0.77%。模擬車速160 km/h；模擬大輪循環次數106；模擬軸重25t；摩擦系數0.2；所有滾動試驗均在干態下進行。模擬小輪材料分別是PD3淬火、PD3熱軋鋼軌材料，材料成分如表1所示。

2 硬度分析

為了進一步研究兩種材料試樣加工硬化的情況，在切面縱向上每間隔0.5mm取一個測試點，共取12個測試點，測試三次，數據取平均值后分析。圖1是不同材料鋼軌切面由鋼軌心部到磨損表面的硬度曲線圖。

圖1中兩種材料鋼軌磨面都產生了明顯的加工硬化，并且越靠近磨面硬度值增加越快。鋼軌心部硬度由材料本身決定，PD3淬火鋼軌試樣硬度較大，PD3熱軋鋼軌試樣的硬度較小。隨著靠近磨損表面，每個樣品的硬度都有所增加。

3 表面形貌分析

為了進一步分析，這里用光學顯微鏡對鋼軌試樣的磨痕全貌進行對比。圖2是本試驗方案模擬試樣全部橫向磨痕全貌。

從圖2中可以看出，PD3淬火鋼軌試樣表面較為光滑，磨痕相對淺且??；PD3熱軋鋼軌的試樣磨損程度要嚴重很多，試樣表面的磨痕深且大。這表明隨著鋼軌材料硬度的減小，磨痕深度變深，表面磨損逐漸加劇。

3 結語

（1）淬火鋼軌硬度明顯高于熱軋鋼軌，有較好的抗磨損性能，實驗后兩種材料表面硬度都有所增加，形成表面硬化層。

（2）PD3淬火鋼軌表面比較平滑，磨損較輕微；PD3熱軋鋼軌表面磨痕較深，磨損嚴重。

參考文獻

[1]金學松，溫澤峰，張衛華，等.世界鐵路發展狀況及其關鍵力學問題[J].工程力學.2004，21（5）：901-104.

[2]周清躍，張建峰，郭戰偉，等.重載鐵路鋼軌的傷損及預防對策研究[J].中國鐵道科學，2010，31（1）：27-31.

[3]Stock R， Pippan R. RCF and wear in theory and practice-The influence of rail grade on wear and RCF[J].Wear，2010，271（1/2）： 125-133.

[4]胡家杰.彎矩作用下鋼軌疲勞試驗研究[D].西南交通大學碩士學位論文，2008.

[5]Jonas W Ringsberg.Life p rediction of rolling contact fatigue crack initiation[J].International Journal of Fatigue，2001（23）：575-586.

[6]W.Zhong， J.J.Hu， P Shen， C.Y. Wang，Q.Y. Liu.Experimental Investigation between Rolling Contact Fatigue and Wear of High-speed and Heavy-haul Railway and Selection of Rail Material[J].Wear，2011，271（9）：2485-2495.