小曲線鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞及車軸疲勞壽命分析

摘要：為探究小半徑曲線上鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞傷損規(guī)律及車軸壽命，文章基于車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對小半徑曲線鋼軌磨耗計(jì)算分析得到鋼軌疲勞數(shù)據(jù)模型。針對小半徑曲線的鋼軌整個(gè)損傷過程進(jìn)行滾動(dòng)接觸疲勞分析，同時(shí)也基于有限元分析簡單預(yù)測CRH3型動(dòng)車組在疲勞傷損的鋼軌上運(yùn)行時(shí)車軸的疲勞壽命。研究結(jié)果顯示：（1）在小半徑曲線曲中點(diǎn)處外軌主要體現(xiàn)軌距角處的側(cè)磨，內(nèi)軌主要體現(xiàn)軌頂處的垂磨，且外軌的滾動(dòng)接觸應(yīng)力和損傷與內(nèi)軌有顯著差異；（2）輪對進(jìn)行靜強(qiáng)度分析得到車軸上輪座壓裝處應(yīng)力最大；（3）結(jié)合車軸應(yīng)力和載荷譜對車軸疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測，計(jì)算發(fā)現(xiàn)預(yù)測壽命約為11.8 a，車軸在已經(jīng)產(chǎn)生疲勞磨損的線路上運(yùn)行時(shí)壽命會(huì)大大縮減。

關(guān)鍵詞：小半徑曲線；鋼軌滾動(dòng)疲勞接觸；車軸疲勞壽命；輪軌關(guān)系

中圖分類號(hào)：U271文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

鋼軌是鐵路運(yùn)輸?shù)暮诵牟糠郑撥壻|(zhì)量的優(yōu)劣會(huì)直接影響鐵路運(yùn)營能力的好壞。在小半徑曲線處，鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞（RCF）引起的損傷日益嚴(yán)重，滾動(dòng)接觸疲勞傷損在小曲線處主要表現(xiàn)為鋼軌側(cè)磨。同時(shí)，車軸在循環(huán)交變載荷下產(chǎn)生的疲勞問題也愈發(fā)嚴(yán)重，因此探究小曲線處鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞傷損規(guī)律并預(yù)測車軸壽命具有一定的意義。

李星等[1]建立車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分析了不同曲線半徑是否采取潤滑措施和不同輪軌材料對鋼軌磨耗的影響，得出適當(dāng)增大曲線半徑、采取輪緣潤滑措施和適當(dāng)增加輪軌的材料硬度均可以減緩內(nèi)軌和外軌的磨耗，也減小了輪軌間的接觸應(yīng)力。金學(xué)松等[2]詳細(xì)論述了車輪滾動(dòng)接觸疲勞對實(shí)際運(yùn)營造成的嚴(yán)重影響，分析了輪軌滾動(dòng)接觸疲勞的發(fā)生原因和發(fā)展過程，解釋了由于輪軌型面不匹配以及軌底坡的不合理設(shè)置，導(dǎo)致輪軌滾動(dòng)接觸疲勞現(xiàn)象十分嚴(yán)重，也提出了之后在輪軌接觸疲勞領(lǐng)域的主要研究方向。侯茂銳等[3]基于多體動(dòng)力學(xué)理論建立了CRH5型動(dòng)車組的模型，通過仿真分析了不同的曲線半徑、軌距加寬、外軌超高和輪軌摩擦系數(shù)對鋼軌磨耗的影響。馮仲偉[4]建立多組小半徑曲線耦合動(dòng)力學(xué)仿真模型全面系統(tǒng)研究了小半徑磨耗的影響因素，通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本保持一致，并總結(jié)了在小半徑曲線鋼軌如何預(yù)測鋼軌磨耗和減緩磨耗的措施。李俊琛等[5]通過ABAQUS軟件對輪軌的接觸狀態(tài)進(jìn)行了仿真，分析了不同軸重、潤濕條件下摩擦系數(shù)和扭矩對輪軌滾動(dòng)接觸行為的影響規(guī)律，并借助FE-SAFE軟件分析預(yù)測了車輪的疲勞壽命。曹建國等[6]采用ANSYS軟件建立輪對有限元模型，對CRH380B型高速動(dòng)車組的非動(dòng)力車軸進(jìn)行了應(yīng)力分析，并找出其危險(xiǎn)部位為車軸輪座內(nèi)側(cè)的過渡圓弧處，車軸的疲勞壽命滿足車軸的壽命要求。周建斌[7]分析了機(jī)車車軸在運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)的疲勞問題或其他原因?qū)е碌某Ｒ姽收希芯苛塑囕S的疲勞性能，并從多角度提出在工程實(shí)際運(yùn)用中可采納的方案。呂曉旭[8]將CRH3和CRH5型高速動(dòng)車組的車軸作為研究對象，分析并歸納了車軸在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)的各種缺陷缺和損傷，通過有限元仿真計(jì)算研究了各種缺陷對車軸的應(yīng)力和疲勞壽命的影響，同時(shí)采用實(shí)測車軸應(yīng)力譜預(yù)測了具有缺陷車軸的疲勞壽命。

基于此，文章建立鋼軌磨耗數(shù)值預(yù)測模型模擬小半徑曲線上鋼軌磨耗演變過程，研究鋼軌磨耗和滾動(dòng)接觸疲勞應(yīng)力的變化規(guī)律，同時(shí)也基于ABAQUS/FE-SAFE簡單預(yù)測和分析CRH3型動(dòng)車組非動(dòng)力車軸在存在疲勞傷損的鋼軌上運(yùn)行的疲勞壽命。

1輪軌滾動(dòng)接觸理論及車軸預(yù)測模型

1.1車輛動(dòng)力學(xué)模型

文章基于CRH3型動(dòng)車組車輛模型，車輪型面為S1002CN，車輪直徑為0.92 m，鋼軌選用CN60軌道，軌底坡設(shè)置為1/40，軌距為不考慮軌道加寬值的1 435 mm，建立了車輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，其中車輛模型由車體、構(gòu)架、輪對及軸箱組成。車體、構(gòu)架及每個(gè)輪對有沿縱向、橫向以及垂向的各6個(gè)自由度，每個(gè)軸向在僅考慮點(diǎn)頭振動(dòng)的情況下有1個(gè)自由度，整個(gè)車輛系統(tǒng)共有50個(gè)自由度，車輛模型部分參數(shù)見表1。

1.2輪軌接觸斑磨耗分布計(jì)算

輪軌接觸斑磨耗分布計(jì)算為以下步驟：

（1）輪軌接觸斑沿y軸平均分為ny份，之后沿x軸方向分成為nx個(gè)矩形的單元，其中車輪滾動(dòng)方向與x軸一致，通過以上等分接觸斑內(nèi)每個(gè)離散的矩形單元尺寸大小為：

式中：a、b分別為等效橢圓接觸斑長半軸、短半軸長度；dx（y）和dy離散的矩形單元的長和寬（沿著坐標(biāo)軸x和y的方向）；將接觸斑按以上方式在接觸斑中心設(shè)置坐標(biāo)系，x沿車輪行進(jìn)方向，y垂直車輪行進(jìn)方向。

（2）計(jì)算輪軌法向接觸應(yīng)力p（x，y），依據(jù)Hertz理論[9]計(jì)算得到：

式中：N為接觸斑內(nèi)的法向載荷。

（3）通過輪軌局部接觸模型程序計(jì)算接觸斑內(nèi)黏著-滑動(dòng)區(qū)分布[10]，并計(jì)算接觸斑離散單元處的輪軌相對滑動(dòng)距離Δs（x，y）。如果接觸斑內(nèi)的離散矩形單元處于黏著區(qū)，離散單元無磨耗損失即Δs（x，y）=0；如果接觸斑內(nèi)的離散矩形單元處于滑動(dòng)區(qū)，

則Δs（x，y）由式（3）計(jì)算：

式中：V0為列車運(yùn)行速度；為接觸斑離散單元內(nèi)的輪軌相對滑動(dòng)速度。

（4）通過以上分析計(jì)算接觸斑離散矩形單元處所對應(yīng)的磨耗深度：

綜合公式（1）—（4）式得到接觸斑離散單元處磨耗深度的最終表達(dá)式如下：

1.3鋼軌型面磨耗疊加及型面更新策略

車輛通過特定的一段鋼軌斷面，即車輪與該鋼軌斷面開始接觸并從整個(gè)鋼軌斷面結(jié)束位置滾出的過程。將上述車輪在鋼軌斷面上滾動(dòng)的過程劃分為k個(gè)時(shí)刻，然后分別計(jì)算在這k個(gè)時(shí)刻每一個(gè)接觸斑內(nèi)的磨耗深度，之后進(jìn)行代數(shù)疊加，通過以上方法單個(gè)車輪通過鋼軌斷面的磨耗深度便計(jì)算得到[11]。

單個(gè)轉(zhuǎn)向架同側(cè)四個(gè)車輪與鋼軌匹配時(shí)通過以上方法分別計(jì)算特定區(qū)段鋼軌磨耗深度分布并進(jìn)行代數(shù)疊加便可計(jì)算出該鋼軌斷面處的磨耗速率，記為cr（yr）（上標(biāo)r表示在鋼軌坐標(biāo)系下，yr為鋼軌斷面橫向坐標(biāo)）。

在建立鋼軌磨耗的鋼軌磨耗預(yù)測程序中，將鋼軌磨耗過程視為一個(gè)離散過程，即鋼軌磨耗預(yù)測過程由n個(gè)迭代步組成。在每個(gè)迭代子步內(nèi)，設(shè)定鋼軌型面不發(fā)生變化，同時(shí)設(shè)定每個(gè)迭代子步內(nèi)輪軌間動(dòng)力作用保持不變。在當(dāng)前迭代子步計(jì)算完畢后，更新鋼軌型面后進(jìn)入下一個(gè)迭代子步，如此反復(fù)迭代計(jì)算即為鋼軌磨耗預(yù)測流程，每個(gè)迭代子步計(jì)算過程如下[1]：

（1）動(dòng)力學(xué)仿真和鋼軌磨耗預(yù)測程序計(jì)算得到左側(cè)鋼軌和右側(cè)鋼軌的磨耗速率C（yr），C（yr），取左側(cè)鋼軌和右側(cè)鋼軌的磨耗速率最大值作為該迭代步內(nèi)鋼軌磨耗速率：

（2）根據(jù)前面對每個(gè)迭代子步的假設(shè)，將各個(gè)迭子步中鋼軌型面累積磨耗幅值設(shè)為ε，則每個(gè)迭代子步中車輛通過鋼軌斷面的次數(shù)為：

（3）確定每個(gè)迭代子步的步長后，即可求算左側(cè)軌道和右側(cè)軌道中鋼軌型面累積磨耗量：

式中：C（yr）和C（yr）分別為每個(gè)迭代子步中左右側(cè)軌道中鋼軌斷面的累積磨耗量（沿鋼軌橫向分布）。

（4）根據(jù)各個(gè)迭代子步內(nèi)的鋼軌型面累積磨耗幅值ε及左右軌累積磨耗量C（yr）和C（yr），達(dá)到鋼軌型面更新條件后進(jìn)入下一個(gè)迭代子步計(jì)算。

1.4 S-N曲線

S-N曲線可表征零件疲勞破壞時(shí)應(yīng)力循環(huán)和其所受應(yīng)力大小的關(guān)系，因此能用S-N曲線來描述零件的疲勞性能。構(gòu)件的疲勞壽命通常由外加應(yīng)力水平和本身的力學(xué)性能決定，構(gòu)件的力學(xué)性能與其所受應(yīng)力水平呈反比。疲勞試驗(yàn)可獲得零部件S-N曲線的數(shù)據(jù)，可以作為材料本身固有屬性。通過擬合可以得出材料的S-N曲線，計(jì)算出不同應(yīng)力下材料的疲勞壽命。S-N常用表達(dá)式如下[6]：

2鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞仿真

2.1線路條件

仿真線路由直線、緩和曲線、圓曲線組合而成，從車輛進(jìn)入到離開該區(qū)段所經(jīng)歷路段先后為50 m直線段、60 m緩和曲線、長110 m半徑350 m的圓曲線和60 m緩和曲線，外軌超高為0.12 m，軌道加寬0.01 m，軌底坡1/40，鋼軌類型為CN60，標(biāo)準(zhǔn)軌距，均勻軌道。2.2鋼軌側(cè)磨分析

圖1給出了外軌磨耗廓形圖與磨耗深度，得出在小半徑曲線上鋼軌的磨耗形式為側(cè)向磨耗和垂向磨耗，外軌主要以側(cè)磨為主，內(nèi)軌以垂磨為主。車輛通過噸位200 Mt的過程中，側(cè)面磨耗累計(jì)深度達(dá)到了12.4 mm。垂直磨耗累計(jì)深度僅有3.5 mm。外軌的鋼軌廓形變化相較于內(nèi)軌變化較大，這也符合在小曲線上外軌壽命較短的規(guī)律。

相較于外軌，圖2曲線內(nèi)軌型面演化中內(nèi)軌的磨耗更為緩和，車輛通過噸位200 Mt載荷后，鋼軌型面的變化差異不明顯，且只有垂向磨耗。最大磨耗點(diǎn)位于鋼軌頂面中心偏右的位置，最大磨耗量僅有4.6 mm。

為了探究鋼軌磨耗的發(fā)展，仿真了鋼軌側(cè)磨到12 mm的整個(gè)過程。圖3為鋼軌在小曲線處車輛通過噸位200 Mt載荷的磨耗發(fā)展規(guī)律。

通過圖1—圖3可知，在小半徑曲線上外軌的磨耗發(fā)展主要分為2個(gè)階段。

（1）新軌上線使用后，磨耗首先出現(xiàn)在軌距角附近，之后便急劇地向鋼軌的頂面和側(cè)面擴(kuò)展。側(cè)磨和垂直磨耗越來越顯著，且二者的磨耗速率基本上保持不變，磨耗深度與軌道通過總重為正相關(guān)關(guān)系。外軌側(cè)磨的磨耗速率約為0.062 mm/Mt，垂直磨耗的磨耗速率為0.014 mm/Mt。

（2）車輛迭代載荷累積到143 Mt時(shí)到達(dá)分界點(diǎn)，外軌磨耗速率發(fā)生變化，其側(cè)磨和垂直磨耗速率加快，但磨耗部位也基本上保持穩(wěn)定。外軌側(cè)磨的磨耗速率約為0.064 mm/Mt，垂直磨耗的磨耗速率為0.029 mm/Mt。

（3）內(nèi)軌的主要磨耗為垂直磨耗，側(cè)磨量為0。在車輛通過噸位載荷大約0～143 Mt時(shí)，垂直磨耗的速率逐漸減小。車輛迭代載荷超過143 Mt后，鋼軌垂直磨耗速率趨于平穩(wěn)。

以上仿真結(jié)果表明，小半徑曲線處的鋼軌在通過143 Mt的載重，即側(cè)磨量達(dá)到9 mm之后側(cè)磨會(huì)顯著加快。通過文獻(xiàn)[12]并結(jié)合實(shí)測結(jié)果可知，在小半徑曲線區(qū)段，許多軌道在外軌側(cè)磨量發(fā)展到7～9 mm后，鋼軌的磨耗速率會(huì)略高于前期，文章的仿真預(yù)測結(jié)果變化趨勢與之非常相似，進(jìn)一步說明文章建立的模型和鋼軌預(yù)測仿真的正確性。

2.3鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞

上述對鋼軌磨耗規(guī)律的計(jì)算分析為鋼軌疲勞計(jì)算分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。基于上述磨耗數(shù)據(jù)生成車輛通過噸位載荷33.35 Mt、100.05 Mt、200.10 Mt的滾動(dòng)接觸疲勞傷損圖，同時(shí)也生成了鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞應(yīng)力圖。生成的鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷以及應(yīng)力圖如圖4所示。在應(yīng)力圖中可以很清晰的看出鋼軌上滾動(dòng)接觸應(yīng)力分布和鋼軌接觸疲勞傷損情況。圖4鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞傷損與應(yīng)力分布a～c中上面為通過相同迭代噸位的鋼軌損傷帶云圖分布、下面為通過相同迭代噸位的鋼軌應(yīng)力云圖分布。

通過圖4中（a）—（c）分析可知，隨著鋼軌通過總重的增加，鋼軌由疲勞損傷導(dǎo)致的變形量逐漸增大。其中外軌通過載荷33.35 Mt、100.05 Mt、200.10 Mt的疲勞應(yīng)力最大值分別為452.33 MPa、371.46 MPa、373.99 MPa，損傷量最大值分別為0.027、0.039、0.034。外軌通過載荷33.35 Mt的疲勞應(yīng)力最大值比外軌通過載荷100.05 Mt、200.1 Mt的疲勞應(yīng)力最大值增大20.9%～21.8%左右；通過載荷33.35 Mt的損傷量最大值比通過載荷100.05 Mt、200.1 Mt的損傷量最大值降低20.6%～30.8%左右。外軌通過載荷100.05 Mt與200.1 Mt的疲勞應(yīng)力和損傷量差異不大。這是由于鋼軌與車輪接觸初期，鋼軌型面和車輪型面不能完全契合導(dǎo)致接觸狀態(tài)為點(diǎn)接觸，接觸面積較小引起接觸應(yīng)力激增。隨著車輛迭代載荷增加鋼軌磨耗量增加使得鋼軌型面發(fā)生變化，鋼軌型面和車輪型面契合度增加，接觸狀態(tài)從點(diǎn)接觸變?yōu)楣残谓佑|，接觸面積增大引起接觸應(yīng)力降低。隨著車輛迭代載荷增加，鋼軌損傷量也逐步增大，但在磨耗和疲勞競爭中隨著車輛迭代載荷增加，鋼軌主要以磨耗損傷為主。

右軌在車輛迭代載荷33.35Mt、100.05Mt、200.10 Mt的疲勞應(yīng)力最大值分別為187.21 MPa、208.29 MPa、437.19 MPa；損傷量最大值分別為0.060、0.007、0.019。隨著車輛迭代載荷增加，車輛迭代載荷100.05 Mt疲勞應(yīng)力最大值比車輛迭代載荷33.35 Mt疲勞應(yīng)力最大值增加11.3%左右，比車輛迭代載荷200.10 Mt疲勞應(yīng)力最大值降低52.4%左右。車輛迭代載荷100.05 Mt損傷量最大值比車輛迭代載荷33.35 Mt損傷量最大值降低88.3%左右，比車輛迭代載荷200.10 Mt損傷量最大值降低63.2%左右。從以上分析可知右軌疲勞應(yīng)力隨著車輛迭代載荷增加而增加，右軌損傷量在磨耗初期損傷最大，隨著車輛迭代載荷增加，損傷逐漸降低，但隨著鋼軌廓形變化損傷仍有一定差異。

通過圖4中還可分析出，損傷量和輪軌接觸的最大應(yīng)力點(diǎn)總是出現(xiàn)在外軌的軌距角附近，這也說明外軌軌距角處的磨耗速率要遠(yuǎn)高于其他部位，外軌廓形變化比較劇烈。

3車軸疲勞壽命分析

列車運(yùn)行時(shí)車軸承擔(dān)著大量載荷并且載荷會(huì)循環(huán)變化，盡管車軸受力在彈性范圍內(nèi)，但是反復(fù)循環(huán)的變載荷總是會(huì)導(dǎo)致車軸產(chǎn)生疲勞損傷。疲勞累計(jì)到一定的程度便會(huì)出現(xiàn)微裂紋，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展便會(huì)使車軸出現(xiàn)缺陷。在惡劣的工作條件下，有很大的概率會(huì)導(dǎo)致車軸斷裂。因此，車軸的大部分損傷都是由疲勞造成的。

基于此問題，借助ABAQUS軟件對CRH3型動(dòng)車組非動(dòng)力車軸的載荷進(jìn)行有限元分析，通過動(dòng)力學(xué)仿真軟件UM建立車輛動(dòng)力學(xué)模型來獲得車軸的載荷譜，仿真計(jì)算后得到實(shí)際運(yùn)營里程下的車軸疲勞壽命。

3.1車軸受力分析

車軸在現(xiàn)實(shí)工況中受到的載荷是復(fù)雜多變的，為了方便計(jì)算和仿真，可以將車軸的工況簡化。文章研究車軸在靜應(yīng)力作用下的應(yīng)力變化，將車軸關(guān)鍵部位所受載荷等效為集中力，并施加在關(guān)鍵位置。非動(dòng)力車軸所受到的載荷包括：車軸軸頸處的豎向載荷、制動(dòng)盤處的慣性載荷、輪軌接觸時(shí)產(chǎn)生的輪軌力。列車在實(shí)際運(yùn)營中，由于受到曲線、道岔和軌道不平順的影響，車輪和車軸的受力情況與理想平直路線工況下的受力會(huì)有所差異。因?yàn)闄M向力的存在，會(huì)出現(xiàn)Fp1gt;Fp2，Fy1gt;0，Fy2gt;0，簡化之后輪對所受載荷如圖5所示。

圖5中，FP1和FP2分別為車體重量分?jǐn)偟絻奢S頸上的作用力；Fq1和Fq2分別是輪軌接觸時(shí)鋼軌對車輪的作用力；Fy1和Fy2分別是兩車輪相對于鋼軌產(chǎn)生的橫向力；Fq3為用來平衡Fy1和Fy2的橫向力；Fi（=1，2，3）為安裝在車軸上制動(dòng)盤產(chǎn)生的重力；2b為車軸左右軸頸間的距離；2s為兩車輪滾動(dòng)圓之間的距離；h為車軸承載重量的重心與車軸重心之間的高度;yi（=1，2，3）為第i個(gè)制動(dòng)盤與左側(cè)車輪滾動(dòng)圓之間的距離。等效集中力的計(jì)算公式如下：

將CRH3型動(dòng)車組非動(dòng)力車軸的參數(shù)代入上式便可求得輪對所受載荷見表2。

3.2輪對應(yīng)力計(jì)算結(jié)果軸的Mises等效應(yīng)力云圖。

圖6所示為靜載荷下CRH3型動(dòng)車組非動(dòng)力車軸的Mises等效應(yīng)力云圖。

由于輪軸的配合方式為過盈連接，壓裝之后在車軸的輪座會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在圖中不難看出輪座附近的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且輪座處的應(yīng)力值遠(yuǎn)大于車軸的其他部位。同時(shí)，在輪座的圓弧過渡區(qū)和車軸的最小直徑位置處應(yīng)力較大。當(dāng)列車在運(yùn)行時(shí)，車軸的這些部位都會(huì)暴露在外面，因此，車軸疲勞裂紋的萌生很可能就出現(xiàn)在此處。所以，要預(yù)測車軸壽命需要著重考慮應(yīng)力較為集中的部位。

3.2基于FE-SAFE的車軸疲勞壽命計(jì)算

3.2.1車軸載荷譜編制

基于UM仿真得到考慮軌道不平順時(shí)車軸Fp1、Fp2和Fp3載荷譜如圖7。

3.2.2車軸疲勞壽命計(jì)算

在有限元軟件ABAQUS分析的基礎(chǔ)上，將靜力學(xué)分析的結(jié)果導(dǎo)入到FE-SAFE軟件中；將載荷作用下的車軸時(shí)間歷程乘以車軸上各節(jié)點(diǎn)的有限元計(jì)算應(yīng)力再除以車軸上的載荷，最后得到車軸上各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程。FE-SAFE計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，車軸的最小對數(shù)里程壽命為106.85 km，換算之后車軸的疲勞壽命為11.8 a。根據(jù)鐵路總公司發(fā)布的《鐵路客車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》規(guī)定：車軸的使用壽命至少也要滿足20 a。可以發(fā)現(xiàn)，在輪軌接觸狀態(tài)不太好的情況下，鋼軌的損傷加快了車軸疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展，從而使得車軸的疲勞壽命顯著減少。要避免車軸的疲勞壽命減少，需要及時(shí)對鋼軌進(jìn)行養(yǎng)護(hù)、改善線路條件、優(yōu)化鋼軌型面。

4結(jié)論

（1）在小半徑曲線曲中點(diǎn)處，隨著鋼軌通過載荷的增加，磨耗最早出現(xiàn)的位置、磨耗最深的位置和接觸應(yīng)力最大的位置都出現(xiàn)在外軌的軌距角附近，且左股鋼軌主要磨耗形式為側(cè)向磨耗，右股鋼軌主要磨損形式為垂直磨耗，且磨耗較為均勻。

（2）外軌和內(nèi)軌由滾動(dòng)接觸疲勞導(dǎo)致的傷損有著顯著的差異。影響外軌安全性的主要是鋼軌側(cè)磨；影響內(nèi)軌安全性的主要是鋼軌垂磨。并且外軌接觸應(yīng)力和損傷變化與內(nèi)軌接觸應(yīng)力和損傷變化的變化趨勢有明顯差異。

（3）車軸的壽命與線路條件的優(yōu)良有著明顯的關(guān)系，在已經(jīng)產(chǎn)生疲勞磨損的線路上，車軸的壽命會(huì)大大縮減，通過FE-SAFE的計(jì)算，車軸預(yù)測壽命約為11.8 a，不滿足鐵路規(guī)定，故需對鋼軌廓形和線路條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和優(yōu)化。

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Analysis of Rolling Contact Fatigue of Small Curved Railsand Fatigue Life of Car Axles

GE Feiyuan1，LUO Yuanhui2，ZHANG Jiandong1，WEI Jia1

（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，LanzhouJiaotongUniversity，Lanzhou，Gansu 730070，China;

2.China Railway Qinghai-Tibet Group Co.，Ltd.，Xining Qinghai 810000，China）

Abstract：In order to investigate the law of rail rolling contact fatigue damage and axle life on small radius curve，the rail fatigue data model was obtained by calculating and analyzing the rail wear on small radius curve based on the established vehicle system dynamics model.The rolling contact fatigue analysis is carried out for the whole damage process of the rail with small radius curve，and the fatigue life of the axle of CRH3 EMU running on the fatigue damaged rail is simply predicted based on the finite element analysis.The conclusions are as follows：（1）At the midpoint of the small radius curve，the outer rail mainly reflects the side wear at the gauge angle，and the inner rail mainly reflects the vertical wear at the top of the rail，and the rolling contact stress and damage of the out-er rail are significantly different from that of the inner rail.（2）The static strength analysis of the wheel set shows that the stress on the the wheel seat on the axle is the largest.（3）Combined with the axle stress and load spectrum，theax-le fatigue life is predicted，and it is found that the predicted life is about 11.8 a.The life of an axle will be greatly re-duced when running on the line that has already experienced fatigue wear.

Keywords：small radius curve;rolling contact fatigue of steel rails;fatigue life of car axles;wheel-rail interaction