關于鋼軌傷損特性試驗的研究

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復雜的。雙輪滾動試驗，在針對我國鋼軌材料下，研究在不同線路環(huán)境上的鋼軌材料的傷損規(guī)律，通過研究鋼軌磨損與疲勞之間的對抗平衡，分析軸重、車速、摩擦狀態(tài)等因素，制定鋼軌的分級制度，確定不同工況下的輪軌材料，達到防治鋼軌損傷的目的，對我國鐵路鋼軌材料的選用起到指導作用。

關鍵詞：磨損；疲勞；雙輪試驗；鋼軌材料

1 概述

鋼軌傷損：鋼軌是軌道結構的重要部件，由于機車車輛的動力作用、自然環(huán)境和鋼軌本身的質量等原因，常會出現(xiàn)鋼軌傷損。鋼軌傷損是指鋼軌在車輛運營過程中，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：鋼軌傷損種類很多，常見的有軌腰螺栓孔裂紋、軌頭核傷、磨耗等，歸類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)生在小半徑曲線的波浪形磨耗和側面磨耗。在小半徑曲線上，側面磨耗發(fā)生在外股鋼軌上，在曲線上運行的列車，輪軌的摩擦與滑動時造成外軌側磨的根本原因。鋼軌波磨，即鋼軌波浪形磨耗，指的是鋼軌投入運行后在鋼軌軌頭或側面出現(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研究現(xiàn)狀：鋼軌傷損特性試驗多利用赫茲模擬準則進行實驗室鋼軌磨損再現(xiàn)實驗研究，試件分別從鋼軌和車輪上裁取，采用雙輪滾動接觸方式，實驗設備主要為摩擦磨損試驗機，上試樣軸和下試樣通過兩速電動機帶動轉動，試驗采用赫茲模擬準則進行，是為了確保實驗條件下模擬輪軌試件間的平均接觸應力和接觸橢圓的長短軸之比與現(xiàn)場中的相同[3]。試驗研究方面涉及硬度、重量、車速、軸重、曲率半徑、材料及試件銹蝕情況等因素。試驗通過稱重得出磨損量、電子顯微鏡觀察試件的接觸表面等方法獲得試驗結論，實驗設備及試件形式與圖1類似。

2 赫茲接觸理論在滾動試驗中的應用

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：（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。凡滿足以上假設的接觸稱為赫茲接觸。外加壓力與接觸應力呈非線性關系，并與材料的彈性模量和泊松比有關。

2.2 試件尺寸確定

3 實驗結果處理與結論的得出

3.1 硬度測量

在實驗過程中，可以通過硬度儀器對試件的硬度進行測量，試件實例如表1所示。

3.2 磨損量測量

磨損量的測量主要通過稱重試件質量實現(xiàn)，可使用TG328A型機械式光電分析天平對磨損前后輪軌試樣的質量進行多次稱量，稱重結果質量差的平均值作為輪軌試樣的磨損量。

3.3 輪軌滾動剝離特性

剝離特性的研究主要通過掃面電鏡進行觀測分析實現(xiàn)，對橫斷面微觀形貌及摩擦副磨痕表面通過使用掃描電子顯微鏡（SEM）進行觀測分析，并結合EXD譜對摩擦副主要磨損機制進行探討。

3.4 結論的得出

在通過多面方面的結果分析以后得出結論：（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 鋼軌傷損特性試驗的意義

研究鋼軌磨損的問題越來越重要，磨損問題不僅影響到列車行車安全，還大大的增加了鐵路運輸成本。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。加強對滾動接觸疲勞形成機理和重載及高速鋼軌磨損問題的研究，并研究輪軌材料在不同工況下的合理材料匹配，對有效預防或減緩鋼軌磨損和滾動接觸疲勞損傷，提高鐵路運輸?shù)陌踩€(wěn)定性有著重要的意義[5]。

5 結論與展望

結論：列車運行速度的提高，促使接觸疲勞裂紋更易擴展。列車軸重和鐵路運量的增大，鋼軌磨損愈加嚴重。所以改善輪軌損傷的問題己成為迫切需要研究的重要課題。文章對雙輪滾動對磨的鋼軌傷損特性試驗進行了研究，鋼軌傷損特性試驗涉及到輪軌材料的合理匹配、機車的運行速度、機車的軸重、軌道的幾何形位、新型打磨技術的研發(fā)等問題，對諸如此類問題的研究有重要意義。

展望：隨著我國重載與高速鐵路的快速發(fā)展，輪軌由于滾動接觸疲勞與磨損引起的失效損傷變得越來越嚴重，已成為影響鐵路運輸安全的重要因素。諸如雙輪對磨等類型的鋼軌傷損特性試驗在對鋼軌的傷損機理的研究將起到越來越重要的作用。其應該具備以下特征：（1）對現(xiàn)實中輪軌接觸進行再現(xiàn)模擬，方便，容易操作和施行；（2）可以融入硬度、重量、車速、軸重、曲率半徑和材料等多方面因素，可以對鋼軌傷損特性進行多方面研究；（3）實驗試件尺寸小，取材廣泛，節(jié)省實驗經(jīng)費，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)實中輪軌對磨的各項參數(shù)。（5）更多的與有限元軟件模擬結合在一起解決實際問題。

參考文獻

[1]郝瀛.鐵道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2000.

[2]張偉.鋼軌滾動磨損性能試驗研究[J].潤滑與密封，2007，1（1）.

[3]劉啟躍.鋼軌磨損特性試驗研究及分級使用建議[J].潤滑與密封，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：中國鐵道出版社，2001.