劉啟躍, 何成剛, 黃育斌, 馬 蕾, 王文健

(西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所, 四川 成都 610031)

輪軌疲勞損傷模擬實(shí)驗(yàn)研究及展望

劉啟躍, 何成剛, 黃育斌, 馬 蕾, 王文健

(西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所, 四川 成都 610031)

輪軌的疲勞損傷嚴(yán)重影響高速重載鐵路運(yùn)行安全,其研究受到廣泛的關(guān)注和重視.本文總結(jié)了目前輪軌疲勞損傷行為的主要研究方法,指出了模擬實(shí)驗(yàn)是研究輪軌疲勞損傷的一種重要手段;介紹了西南交通大學(xué)輪軌摩擦學(xué)課題組利用輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)開展的系列國產(chǎn)輪軌材料疲勞損傷模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分析了影響輪軌表面疲勞裂紋損傷的關(guān)鍵因素,闡明了輪軌材料次表面疲勞損傷的形成與擴(kuò)展規(guī)律,初步研究了低溫環(huán)境對(duì)輪軌材料疲勞損傷行為的影響;最后,展望了復(fù)雜服役工況(高寒、高溫、高濕、雨雪、風(fēng)沙、霧霾、柳絮)下我國輪軌材料疲勞損傷研究未來需深入開展的研究內(nèi)容.

輪軌;疲勞損傷;裂紋;研究展望

隨著高速重載鐵路的快速發(fā)展,輪軌疲勞損傷變得越來越嚴(yán)重,嚴(yán)重危及鐵路的運(yùn)營安全.1998年6月,德國ICE高速列車因車輪疲勞斷裂脫軌,造成了101人死亡、88人重傷的慘痛災(zāi)難.2000年10月,英國海特福德因鋼軌疲勞裂紋導(dǎo)致斷裂,引發(fā)了客運(yùn)快速列車脫軌,造成了車毀人亡的重大事故.因此輪軌疲勞損傷研究受到了全世界鐵路工作者的高度關(guān)注,相關(guān)從業(yè)者研究并提出了各種預(yù)防和減緩輪軌疲勞損傷的措施和方法[1-4].

輪軌疲勞屬于滾動(dòng)接觸疲勞范疇,有關(guān)滾動(dòng)接觸疲勞損傷研究已取得了系列研究成果,對(duì)諸多滾動(dòng)部件(滾動(dòng)軸承、齒輪傳動(dòng)、輪軌系統(tǒng)等)疲勞損傷控制和預(yù)防提供了有力的技術(shù)支撐和指導(dǎo)[5-8].Farshid[5]在一篇滾動(dòng)接觸疲勞綜述論文中全面闡述了滾動(dòng)軸承滾動(dòng)接觸疲勞形成的機(jī)理及疲勞壽命預(yù)測(cè)方法.Moorthy研究了齒輪涂層在傳動(dòng)過程中的接觸疲勞損傷,為提高齒輪傳動(dòng)壽命提供了重要的表面處理方法[6].金學(xué)松針對(duì)幾種典型輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷破壞定性地分析了其形成原因和發(fā)展過程[7],并闡述了輪軌滾動(dòng)接觸疲勞破壞各種因素的數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)方法,為全面認(rèn)識(shí)輪軌疲勞損傷提供了重要的作用[8].

但到目前為止,對(duì)于輪軌疲勞損傷的形成機(jī)理在理論上還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí).Langueh認(rèn)為在輪軌接觸應(yīng)力作用下,疲勞裂紋在應(yīng)力集中點(diǎn)處開始萌生,應(yīng)力集中是裂紋萌生的主要因素[9].Sangid認(rèn)為局部區(qū)域的應(yīng)變集中是疲勞裂紋形成的先決條件,應(yīng)變累積首先通過位錯(cuò)導(dǎo)致晶粒滑移,滑移是不完全可逆的,不可逆性會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變累積并最終產(chǎn)生疲勞裂紋[10].Kato采用Dang Van疲勞強(qiáng)度準(zhǔn)則來預(yù)測(cè)疲勞裂紋在白層區(qū)域的萌生情況,通過有限元仿真計(jì)算了各個(gè)區(qū)域的應(yīng)力情況并進(jìn)行了滾動(dòng)接觸疲勞實(shí)驗(yàn),以評(píng)估白層幾何形狀對(duì)剝離特性的影響[11].

由于輪軌接觸系統(tǒng)復(fù)雜、存在強(qiáng)非線性耦合作用,使輪軌處于強(qiáng)摩擦力、多環(huán)境耦合作用下運(yùn)行,其輪軌界面復(fù)雜多變.傳統(tǒng)的輪軌相互作用行為至今無法依靠數(shù)值方法得到完整描述,因此僅靠數(shù)值仿真手段難以完全模擬研究輪軌接觸的疲勞現(xiàn)象,借助于模擬實(shí)驗(yàn)方法來研究輪軌疲勞損傷成為一種重要的手段.

輪軌模擬實(shí)驗(yàn)主要方法有:線路實(shí)驗(yàn)、全尺寸輪軌模擬實(shí)驗(yàn)、小比例輪軌模擬實(shí)驗(yàn)和小尺寸雙盤對(duì)滾實(shí)驗(yàn).線路實(shí)驗(yàn)和全尺寸輪軌模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^為真實(shí)地模擬輪軌接觸關(guān)系行為,但實(shí)驗(yàn)時(shí)間長、成本高,研究過程中影響因素難以控制,一般難以用于輪軌疲勞損傷形成機(jī)理及影響的研究.小比例輪軌模擬和雙盤對(duì)滾實(shí)驗(yàn)?zāi)芎芎玫乜刂朴绊戄嗆壠趽p傷的單個(gè)因素,而且實(shí)驗(yàn)周期短、費(fèi)用低,因此得到了廣泛的應(yīng)用,針對(duì)輪軌疲勞損傷研究取得了較大進(jìn)展和成果[12-15].

Handa[16]利用TTC試驗(yàn)裝置研究了車輪在反復(fù)熱載荷作用下滾動(dòng)接觸頻率與裂紋產(chǎn)生的關(guān)系,結(jié)果表明踏面熱疲勞裂紋不會(huì)在單獨(dú)的滾動(dòng)接觸或熱載荷作用下出現(xiàn),熱疲勞裂紋可認(rèn)為是低周熱疲勞和滾動(dòng)接觸疲勞作用的特殊現(xiàn)象.Garnham[17]利用雙盤試驗(yàn)機(jī)研究了珠光體鋼軌鋼在早期服役階段的滾動(dòng)接觸疲勞裂紋擴(kuò)展情況,結(jié)果表明表面剝落及相應(yīng)的微裂紋與在表層奇異的、畸形應(yīng)變的先奧氏體顆粒邊界區(qū)域的裂紋萌生與擴(kuò)展有關(guān),尤其是在有先共析鐵素體邊界區(qū)域.Fletcher等建立了滾動(dòng)接觸疲勞裂紋流體滲透的模型并進(jìn)行了全比例實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)裂紋的流體滲透是在接觸載荷作用下表面制動(dòng)斜裂紋擴(kuò)展的重要原理,同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)車輪通過裂紋時(shí)流體被密封在裂紋中并且壓力上升[18].Mitsunobu等發(fā)現(xiàn)沒有沖角存在的工況下表面疲勞裂紋損傷輕微;在有沖角存在的工況下試樣表面才有斜線狀表面疲勞裂紋萌生并擴(kuò)展,表面疲勞損傷程度較嚴(yán)重[19].

綜上所述,過去大量研究主要集中在輪軌接觸疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的理論模型,以及現(xiàn)場(chǎng)疲勞損傷的分析和一些實(shí)驗(yàn)研究.隨著我國高速重載鐵路的快速發(fā)展,輪軌疲勞損傷機(jī)理缺乏系統(tǒng)性和完整性的研究,尚不能指導(dǎo)我國鐵路車輛疲勞損傷設(shè)計(jì)與滿足輪軌材料國產(chǎn)化進(jìn)程的迫切需要.因此,輪軌系統(tǒng)作為典型的滾動(dòng)接觸部件,系統(tǒng)研究輪軌疲勞損傷的機(jī)理與規(guī)律,在已有的疲勞實(shí)驗(yàn)研究方法基礎(chǔ)上,建立輪軌材料的疲勞損傷評(píng)價(jià)體系,提出預(yù)防和減緩鐵路車輛輪軌部件疲勞損傷的有效措施和方法,已成為保障高速重載鐵路列車安全可靠運(yùn)行的當(dāng)務(wù)之急.

1 輪軌疲勞損傷行為

列車的牽引、制動(dòng)和運(yùn)行依靠輪軌的滾動(dòng)接觸來實(shí)現(xiàn),在輪軌之間超過100 mm2的接觸斑上,要承受和傳遞數(shù)噸載荷.在滾動(dòng)接觸過程中,輪軌接觸表面同時(shí)存在縱橫向滑動(dòng)和相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),因此輪軌接觸成為一種復(fù)雜的滾動(dòng)接觸形式.隨著鐵路的客貨運(yùn)量的增大和列車速度的提高,輪軌滾動(dòng)接觸疲勞破壞變得越來越嚴(yán)重.對(duì)高速重載鐵路而言,這不僅大大增加了鐵路運(yùn)營成本,而且直接危害行車的安全,必須引起足夠的重視.

1.1 鋼軌材料疲勞損傷行為

鋼軌的疲勞損傷主要表現(xiàn)為鋼軌表面疲勞裂紋、鋼軌波磨、鋼軌剝離和疲勞斷裂等[20].

我國廣深高速鐵路于1994年開通至今,出現(xiàn)了帶有明顯分布規(guī)律的大面積滾動(dòng)接觸疲勞斜裂紋現(xiàn)象(圖1(a)),一旦裂紋形成,如果鋼軌不采取加固措施,裂紋將在幾個(gè)月內(nèi)迅速貫穿鋼軌,引發(fā)鋼軌突然斷裂(圖1(b)).重載鐵路由于運(yùn)量和軸重大,導(dǎo)致輪軌接觸應(yīng)力極易超過材料的安定極限,從而導(dǎo)致鋼軌的表面疲勞裂紋和壓潰(圖2),進(jìn)而引發(fā)鋼軌的大面積剝離失效和疲勞裂紋向深度方向擴(kuò)展[21].

(a)鋼軌斜裂紋(b)斜裂紋引發(fā)鋼軌斷裂圖1 廣深高速線曲線鋼軌斜裂紋和鋼軌斷裂Fig.1 ObliquecrackandrailfractureofcurvedrailonGuangzhou-Shenzhenhigh-speedrailway

(a)表面疲勞裂紋(b)鋼軌壓潰圖2 重載鐵路鋼軌表面裂紋與壓潰Fig.2 Surfacecrackandcollapseofheavy-haulrailwayrail

1.2 車輪材料疲勞損傷行為

車輪疲勞損傷表現(xiàn)為踏面魚鱗狀裂紋(圖3(a))、車輪踏面擦傷、車輪制動(dòng)熱裂紋、車輪徑向斷裂等,車輪疲勞裂紋的擴(kuò)展將導(dǎo)致剝離損傷甚至造成車輪斷裂或者輪輞斷裂[22](圖3(b)).

隨著高速鐵路的開通運(yùn)營,高速車輪踏面出現(xiàn)大量的滾動(dòng)接觸疲勞損傷和制動(dòng)熱裂紋,通過對(duì)車輪多次鏇修后發(fā)現(xiàn)裂紋已向踏面深度方向擴(kuò)展,形成月牙形狀,深度達(dá)4～5 mm以上.車輪在出現(xiàn)疲勞裂紋后,一般要對(duì)輪對(duì)進(jìn)行鏇修或更換,這將大大增加鐵路部門的運(yùn)輸成本且消耗大量的材料[23].

(a)踏面疲勞裂紋(b)輪輞斷裂圖3 車輪疲勞損傷Fig.3 Fatiguedamageofrailwaywheel

2 輪軌表面疲勞損傷實(shí)驗(yàn)研究

針對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞損傷的很多實(shí)驗(yàn)研究是在介質(zhì)下(水、油)進(jìn)行的,由于介質(zhì)的加入容易形成“油楔”效應(yīng)[24],從而容易導(dǎo)致材料滾動(dòng)接觸疲勞損傷的形成與發(fā)展.干態(tài)下輪軌表面疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)研究目前仍不充分,影響表面裂紋萌生的關(guān)鍵因素尚無統(tǒng)一的研究和闡述.西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所輪軌課題組利用JD-1輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)[25]和WR-1輪軌滾動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)[26]研究了干態(tài)下輪軌滾動(dòng)接觸表面疲勞損傷行為.通過實(shí)驗(yàn)研究闡明了輪軌滾動(dòng)磨損與疲勞損傷行為的相互作用與制約的耦合關(guān)系,為輪軌損傷的預(yù)防與減緩提供了重要的理論指導(dǎo).

2.1 不同鋼軌材料及熱處理方式對(duì)表面疲勞影響

輪軌材料對(duì)表面疲勞損傷行為有著重要的影響,圖4為不同鋼軌材料表面疲勞損傷SEM照片[27].由圖4可以看出:U75V鋼軌材料的表面疲勞損傷明顯嚴(yán)重于U71Mn鋼軌材料;相同鋼軌材料不同熱處理方式也導(dǎo)致表面疲勞損傷的明顯差異,其中熱軋鋼軌材料的疲勞性能要明顯優(yōu)于淬火處理的鋼軌材料.輪軌材料微觀組織結(jié)構(gòu)的差異可能是導(dǎo)致抗表面疲勞性能差異的重要原因之一,研究表明,降低珠光體鋼軌的片層間距能有效提高材料的疲勞性能[28].從磨損角度分析得出了U71Mn熱軋鋼軌的耐磨性最差,由于輪軌磨損與疲勞裂紋損傷之間存在相互競(jìng)爭(zhēng)與制約的耦合作用機(jī)制,因此不同鋼軌材料的疲勞性能也為鋼軌的分級(jí)使用提供了技術(shù)支撐.重載鐵路由于軸重大,磨損嚴(yán)重,應(yīng)選用耐磨性好的鋼軌材料,相對(duì)而言,高速鐵路速度高、軸重輕,疲勞損傷相對(duì)嚴(yán)重,因此選用抗疲勞性能好的鋼軌材料.目前我國高速線路選用U71Mn鋼軌材料也正是體現(xiàn)了其良好的滾動(dòng)接觸疲勞性能.

(a)U75V淬火鋼軌(b)U75V熱軋鋼軌(c)U71Mn淬火鋼軌(d)U71Mn熱軋鋼軌圖4 不同鋼軌材料表面疲勞損傷SEM照片F(xiàn)ig.4 SEMphotographsofthedifferentrailsurfacefatiguedamage

2.2 不同切向力對(duì)車輪表面疲勞影響

輪軌界面切向力是影響輪軌材料表面疲勞損傷的重要因素之一.利用JD-1輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)研究了不同切向力作用下車輪材料的表面疲勞損傷行為[14],如圖5所示.結(jié)果表明:車輪材料表面呈現(xiàn)明顯的疲勞裂紋和剝落損傷,隨著切向力的增大,疲勞損傷更加嚴(yán)重,接觸表面變得更加粗糙;表面萌生的疲勞裂紋開口與表面摩擦力(切向力和橫向力)的合力方向相垂直,且與切向力的方向成α角度,其中α角度滿足公式

tanα=F1/F2,

(1)

式中:F1為切向力;F2為橫向力.

隨著切向力的增加,α角度將增大.曲線半徑作為重要的軌道結(jié)構(gòu)參數(shù),對(duì)輪軌表面疲勞損傷具有重要的作用[29].由圖6可以看出:車輪表面發(fā)生明顯的疲勞剝離損傷,且存在片狀剝落磨屑(圖6(a));隨著曲線半徑逐漸減小,表面呈現(xiàn)較多數(shù)量不規(guī)則的大塊剝落,這是表面產(chǎn)生的小角度疲勞裂紋在循環(huán)載荷作用下經(jīng)擴(kuò)展相互貫通后造成大塊狀剝落;而在輪軌的接觸磨痕邊界存在一定的材料堆積(圖6(b)),這是由于車輪試樣在反復(fù)碾壓作用下,接觸磨痕中央會(huì)發(fā)生塑性變形.而發(fā)生塑性變形的材料在通過曲線半徑橫向力的作用下不斷地向邊界流動(dòng),遇到邊界非接觸區(qū)材料的阻擋,形成材料堆積,這種堆積會(huì)改變?cè)瓉淼慕佑|狀態(tài),使得開始沒有接觸的區(qū)域進(jìn)入接觸.接觸位置向邊界擴(kuò)展,磨痕邊界材料在擠壓作用下,堆積層出現(xiàn)開裂、起皺現(xiàn)象,在進(jìn)一步的擠壓作用下則可能產(chǎn)生脫落.

(a)表面裂紋(b)材料堆積圖5切向力作用下車輪材料表面疲勞損傷SEM照片 Fig.5 SEMphotographsofsurfacefatiguedamageofwheelmaterialsunderthetangentialforcecondition

(a)表面裂紋(b)材料堆積圖6 曲線作用下車輪材料表面疲勞損傷SEM照片F(xiàn)ig.6 SEMphotographsofsurfacefatiguedamageofwheelmaterialsunderthecurvecondition

在曲線路段上,車輪受力情況比較復(fù)雜.車輪所受的力可分解成豎直方向、水平橫向以及水平縱向3個(gè)方向的力.水平橫向力主要由附加橫向力和側(cè)壓力組成.曲率半徑在小于1 200 m時(shí),車輪承受的水平橫向力比較大.而外軌超高會(huì)產(chǎn)生離心力,曲率半徑愈小,這種離心力愈大,這時(shí)車輪在壓應(yīng)力和橫向力共同作用下,車輪接觸面就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形和磨屑堆積,從而形成碾堆,在車輪表面出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象,然后形成疲勞裂紋損傷.

2.3 不同橫向力對(duì)車輪表面疲勞影響

輪軌橫向力對(duì)表面疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展有著重要的作用,利用WR-1輪軌滾動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)研究發(fā)現(xiàn):

隨著橫向力和沖角增大,車輪試樣表面疲勞裂紋越容易萌生擴(kuò)展,且表面疲勞裂紋萌生時(shí)間提前;沖角引起輪軌之間的橫向蠕滑,導(dǎo)致橫向力產(chǎn)生;小沖角工況下表面疲勞損傷輕微,而大沖角工況下,試樣在周期性循環(huán)載荷作用下沿輪軌表面剪切合應(yīng)力方向萌生斜線狀表面疲勞裂紋并擴(kuò)展(圖7(a));不存在沖角的工況下,車輪試樣表面也會(huì)呈疲勞損傷形貌,但并不會(huì)出現(xiàn)有沖角工況下的斜線狀表面疲勞損傷(圖7(b)).

(a)沖角工況(b)無沖角工況圖7 車輪材料表面疲勞裂紋SEM照片F(xiàn)ig.7 SEMphotographsofthewheelsurfacefatiguecracks

3 輪軌次表面疲勞裂紋擴(kuò)展研究

3.1 切向力對(duì)車輪材料疲勞裂紋擴(kuò)展影響

在交變滾動(dòng)接觸應(yīng)力的作用下,輪軌表面形成疲勞裂紋損傷后是否將沿深度方向擴(kuò)展已經(jīng)成為輪軌疲勞損傷研究中重要的內(nèi)容.表面裂紋形成后如只沿平行于滾動(dòng)方向擴(kuò)展,這種裂紋擴(kuò)展后一般只造成材料的去除,而對(duì)輪軌服役安全不會(huì)產(chǎn)生重大影響.圖8所示為車輪材料剖面疲勞損傷SEM照片.

(a)平行表面擴(kuò)展(b)次表面裂紋(c)裂紋向內(nèi)容擴(kuò)展圖8 車輪材料剖面疲勞損傷SEM照片F(xiàn)ig.8 SEMphotographsofthewheelsectionfatiguedamage

萌生的表面裂紋和次表面裂紋在隨后的擴(kuò)展過程中,有的由于在沿平行于滾動(dòng)方向擴(kuò)展或折向材料表面擴(kuò)展的同時(shí)受到循環(huán)載荷的作用而發(fā)生斷裂形成剝落,有的則繼續(xù)朝向材料內(nèi)部深處擴(kuò)展,疲勞裂紋的這種擴(kuò)展方式將對(duì)車輪材料的突然崩裂有極大的潛在危害.

裂紋擴(kuò)展在過程中裂紋附近材料受到交變拉壓應(yīng)力和裂紋面間的摩擦力作用,也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形,裂紋碎裂容易形成多層裂紋,當(dāng)表面切向力較小時(shí)朝著材料內(nèi)部擴(kuò)展(圖9(a)),當(dāng)增大表面切向力時(shí)多層裂紋逐漸趨于平行于滾動(dòng)方向擴(kuò)展(圖9(b));疲勞裂紋擴(kuò)展過程中同時(shí)也經(jīng)常會(huì)伴隨產(chǎn)生枝裂紋(圖9(c)所示),二次枝裂紋起源于裂紋縫隙,并沿應(yīng)力最大方向擴(kuò)展.

(a)多層裂紋與枝裂紋(b)多層裂紋擴(kuò)展(c)二次枝裂紋圖9 車輪材料剖面疲勞裂紋形貌SEM照片F(xiàn)ig.9 SEMphotographsofthewheelsectionfatiguecracks

3.2 垂向力對(duì)車輪材料疲勞裂紋擴(kuò)展影響

通過使用WR-1輪軌滾動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)研究垂向力對(duì)車輪材料疲勞裂紋的影響規(guī)律,其研究結(jié)果表明:當(dāng)垂向力<300 N時(shí),輪軌表面形成疲勞裂紋損傷后更容易沿深度方向擴(kuò)展,擴(kuò)展角度較大(圖10(a));當(dāng)垂向力>500 N時(shí),表面裂紋形成后大多沿平行于滾動(dòng)方向擴(kuò)展(圖10(b)),但由于所受接觸應(yīng)力較大,同一接觸區(qū)域內(nèi)萌生大量表面裂紋與次表層裂紋,這些裂紋在進(jìn)一步滾動(dòng)接觸中容易互相連接貫通.有些次表層裂紋萌生后,不止沿單一方向擴(kuò)展,而是同時(shí)沿相反兩個(gè)方向擴(kuò)展(圖11(a)),這樣會(huì)使得次表層裂紋擴(kuò)展進(jìn)一步加快.有些表面疲勞裂紋沿深度方向擴(kuò)展一定距離后,會(huì)出現(xiàn)沿兩個(gè)不同方向擴(kuò)展的情況(圖11(b)),這會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展情況變得十分復(fù)雜,進(jìn)一步的深入研究是十分必須的.

(a)垂向力小于300N(b)垂向力大于500N圖10 輪軌材料剖面疲勞裂紋形貌SEM照片F(xiàn)ig.10 SEMphotographsofthewheel/railsectionfatiguecracks

(a)次表層裂紋(b)裂紋朝不同方向擴(kuò)展圖11 輪軌材料剖面疲勞裂紋擴(kuò)展形貌SEM照片F(xiàn)ig.11 SEMphotographsofthewheel/railsectionfatiguecrackspropagation

3.3 低溫對(duì)鋼軌材料損傷影響

由于低溫服役環(huán)境在形成宏觀損傷前就已造成材料在強(qiáng)度、韌性等方面的劣化,從而對(duì)輪軌材料服役行為造成較大影響,導(dǎo)致輪軌材料低溫服役環(huán)境的損傷行為與一般環(huán)境下差異巨大.利用WR-1輪軌滾動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)研究了常溫與低溫運(yùn)行下鋼軌材料的疲勞損傷行為,結(jié)果表明:在室溫下鋼軌材料表面裂紋以較小角度向材料內(nèi)部擴(kuò)展(圖12(a));-60 ℃低溫下鋼軌材料剖面裂紋與表層呈較大角度向材料內(nèi)部擴(kuò)展,并在擴(kuò)展過程中出現(xiàn)分枝,當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定深度時(shí),裂紋再度出現(xiàn)分枝,分別朝著材料內(nèi)部及沿表層擴(kuò)展(圖12(b)),這或許與鋼軌材料發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變有關(guān).低溫下鋼軌材料剖面損傷較為嚴(yán)重,對(duì)高寒地區(qū)鐵路的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重安全隱患,未來需進(jìn)一步深入系統(tǒng)研究低溫環(huán)境下輪軌材料的疲勞損傷行為.

(a)室溫(b)-60℃圖12 不同溫度環(huán)境下鋼軌材料疲勞損傷SEM照片F(xiàn)ig.12 SEMphotographsofrailmaterialfatiguedamageunderdifferenttemperatureconditions

4 結(jié)束語

輪軌服役過程中的疲勞損傷行為嚴(yán)重影響高速重載鐵路的運(yùn)營安全,引起了鐵路工作者的廣泛關(guān)注與研究,良好的模擬實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)輪軌疲勞損傷是研究輪軌損傷形成機(jī)理與擴(kuò)展的重要前提.西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所利用多臺(tái)輪軌模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)再現(xiàn)了不同運(yùn)行參數(shù)下的輪軌表面疲勞裂紋損傷行為,分析了次表面疲勞裂紋形成與擴(kuò)展規(guī)律,為現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防我國輪軌疲勞損傷提供了重要的理論參考.

輪軌材料疲勞服役行為涉及冶金學(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)、動(dòng)力學(xué)和固體力學(xué)等多學(xué)科,具有強(qiáng)非線性耦合的特征,十分復(fù)雜.我國高速重載列車從南到北、從東到西穿行于平原、山區(qū)、高原和沙漠等廣闊地域,氣溫經(jīng)歷-40～45 ℃的范圍,涵蓋高寒、高溫、高濕、多風(fēng)沙、霧霾、柳絮等氣候條件,因此復(fù)雜的服役環(huán)境更加影響輪軌材料服役的疲勞性能.

輪軌疲勞損傷作為嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)營安全的重要因素,在未來應(yīng)利用模擬實(shí)驗(yàn)研究手段進(jìn)行復(fù)雜服役環(huán)境(高寒、高溫、高濕、雨雪、風(fēng)沙、霧霾、柳絮)下更深入和系統(tǒng)地研究.通過研究闡明材料損傷疲勞損傷機(jī)制及其組織結(jié)構(gòu)演變規(guī)律,建立復(fù)雜服役環(huán)境下輪軌材料疲勞損傷機(jī)制與轉(zhuǎn)變圖,提出預(yù)防與減緩復(fù)雜服役環(huán)境下輪軌材料疲勞損傷與失效的有效措施和方法,為保障我國鐵路輪軌材料在復(fù)雜多變服役環(huán)境下的安全運(yùn)營和可靠服役提供重要的理論保障和技術(shù)指導(dǎo).

[1] MAKINO T, KATO T , HIRAKAWA K. The effect of slip ratio on the rolling contact fatigue property of railway wheel steel[J]. International Journal of Fatigue, 2012, 36: 68-79.

[2] WANG Wenjian, GUO Jun, LIU Qiyue. Study on relationship between oblique fatigue crack and rail wear in curve track and prevention[J]. Wear, 2009, 267: 540-544.

[3] 金學(xué)松,杜星,郭俊,等. 鋼軌打磨技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 西南交通大學(xué),2010,45(1): 1-11.

JIN Xuesong, DU Xing, GUO Jun, et al. State of arts of research of rail grinding[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2010, 45(1): 1-11.

[4] TURNIA J, SINCLAIR J, PEREZ J. A review of wheel wear and rolling contact fatigue[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2007, 221(2): 271-289.

[5] SADEGHI F,JALALAHMADI B, TREVOR S, et al. A review of rolling contact fatigue[J]. Journal of Tribology, 2009,131(4): 041403-041415.

[6] MOORTHY V, SHAW B A. Contact fatigue performance of helical gears with surface coatings[J]. Wear, 2012, 276-277: 130-140.

[7] 金學(xué)松,張繼業(yè),溫澤峰,等. 輪軌滾動(dòng)接觸疲勞現(xiàn)象分析[J]. 機(jī)械強(qiáng)度,2002,24(2): 250-257.

JIN Xuesong, ZHANG Jiye, WEN Zefeng, et al. Overview of phenomena of rolling contact fatigue of wheel/rail[J]. Journal of Mechanical Strength, 2002, 24(2): 250-257.

[8] 金學(xué)松,沈志云. 輪軌滾動(dòng)接觸疲勞問題研究的最新進(jìn)展[J]. 鐵道學(xué)報(bào),2001,23(2): 92-108.

JIN Xuesong, SHEN Zhiyun. Rolling contact fatigue of wheel/rail and its advanced research progress[J]. Journal of the China Railway Society, 2001, 23(2): 92-108.

[9] LANGUEH A M G, BRUNEL J F, CHARKALUK E, et al. Effects of sliding on rolling contact fatigue of railway wheels[J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2012, 36: 515-525.

[10] MICHAEL D S. The physics of fatigue crack initiation[J]. International Journal of Fatigue, 2013, 57: 58-72.

[11] KATO T, SUGETA A, NAKAYAMA E. Investigation of influence of white layer geometry on spalling property in railway wheel steel[J]. Wear, 2011, 271: 400-407.

[12] SEO J, KWON S, LEE D, et al. Analysis of contact fatigue crack growth using twin-disc tests and numerical evaluations[J]. International Journal of Fatigue, 2013, 55: 54-63.

[13] MAZZU A, SOLAZZI L, LANCINI M, et al. An experimental procedure for surface damage assessment in railway wheel and rail steels[J]. Wear, 2015, 342-343: 22-32.

[14] HE C G, HUANG Y B, MA L, et al. Experimental investigation on the effect of tangential force on wear and rolling contact fatigue behaviors of wheel material[J]. Tribology International, 2015, 92: 307-316.

[15] STOCK R, PIPPANR. RCF and wear in theory and practice-The influence of rail grade on wear and RCF[J]. Wear, 2011, 271: 125-133.

[16] HANDA K, KIMURA Y, MISHIMA Y. Surface cracks initiation on carbon steel railway wheels under concurrent load of continuous rolling contact and cyclic frictional heat[J]. Wear, 2010, 268(1): 50-58.

[17] GARNHAM J E, DAVIS C L. Very early stage rolling contact fatigue crack growth in pearlitic rail steels[J]. Wear, 2011, 271: 100-112.

[18] FlETCHER D I, HYDE P, KAPOOR A. Modelling and full-scale trials to investigate fluid pressurisation of rolling contact fatigue cracks [J]. Wear, 2008, 265(9/10): 1317-1324.

[19] TAKIKAWA M, IRIYA Y. Laboratory simulations with twin-disc machine on head check [J]. Wear, 2008, 265(9/10): 1300-1308.

[20] 王文健. 輪軌滾動(dòng)接觸疲勞與磨損耦合關(guān)系及預(yù)防措施研究[D]. 成都:西南交通大機(jī)械工程學(xué)院,2008.

[21] 郭火明. 激光淬火與熔覆對(duì)重載輪軌材料磨損與損傷性能影響[D]. 成都:西南交通大機(jī)械工程學(xué)院,2014.

[22] TUZIK R E. Improving the wheel/rail interface[J]. Railway Age, 2006, 207(7): 21-22.

[23] 張寶安,陸正剛,唐辰. 高速動(dòng)車組車輪型面多目標(biāo)優(yōu)化鏇修[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,41(3): 437-442.

ZHANG Baoan, LU Zhenggang, TANG Chen. Wheel reprofiling of high-speed EMU based on multi-objective optimization strategy[J]. Journal of Tongji University: Natural Science, 2013, 41(3): 437-442.

[24] HARDWICK C, LEWIS R, EADIE D T. Wheel and rail wear-understanding the effects of water and grease[J]. Wear, 314: 198-204.

[25] 王文健,劉啟躍. 車輪剝離性能實(shí)驗(yàn)研究[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,40(2): 228-231.

WANG Wenjian, LIU Qiyue. Experimental ivestigation on spalling of railway car wheels[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2005, 40(2): 228-231.

[26] DING H H, FU Z K, WANG W J, et al. Investigation on the effect of rotational speed on rolling wear and damage behaviors of wheel/rail materials[J]. Wear, 2015, 330-331: 563-570.

[27] 劉啟躍,王文健,鐘雯,等. 鋼軌磨損特性試驗(yàn)研究及分級(jí)使用建議[J]. 潤滑與密封,2008,33(11): 5-7.

LIU Qiyue, WANG Wenjian, ZHONG Wen, et al. An experimental investigation of the wear speciality of rail steel and the suggestion for the use of classicaion[J]. Lubrication Engineering, 2008, 33(11): 5-7.

[28] PEREZ-UNZUETA A J, BEYNONJ H. Microstructure and wear resistance of pearlitic rail steels[J]. Wear, 1993, 162-164: 173-182.

[29] 何成剛,周桂源,王娟,等. 曲率半徑對(duì)車輪滾動(dòng)接觸疲勞性能的影響[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(3): 256-261.

HE Chenggang, ZHOU Guiyuan, WANG Juan, et al. Effect of curve radius of rail on rolling contact fatigue properties of wheel steel[J]. Tribology, 2014, 34(3): 256-261.

劉啟躍(1964—),博士,1987年起至今任職于西南交通大學(xué),現(xiàn)為機(jī)械工程學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,四川省有突出貢獻(xiàn)專家.主要研究方向?yàn)檩嗆壞Σ翆W(xué)領(lǐng)域與材料摩擦磨損、輪軌系統(tǒng)服役行為及可靠性、輪軌材料表面處理技術(shù).主持國家自然科學(xué)基金2項(xiàng)、國家863計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)、國家科技支撐計(jì)劃子項(xiàng)目1項(xiàng)、教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金1項(xiàng).獲得國家發(fā)明專利5項(xiàng)、國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、四川省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng).現(xiàn)為“高速輪軌系統(tǒng)理論及技術(shù)”教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)成員、《機(jī)械》編委、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)通訊評(píng)議專家、四川省機(jī)械工程學(xué)會(huì)摩擦學(xué)及表面工程專委會(huì)主任委員.

E-mail:liuqy@home.swjtu.edu.cn

何成剛(1988—),博士研究生,2011年至今就讀于西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,導(dǎo)師劉啟躍教授.主要研究方向高速車輪摩擦疲勞損傷、輪軌摩擦學(xué)及材料的摩擦磨損、輪軌材料表面處理技術(shù).主研參加國家自然科學(xué)基金、青島四方合作項(xiàng)目2項(xiàng);參研國家自然科學(xué)基金、國家973計(jì)劃子項(xiàng)目、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題、四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目4項(xiàng).獲得碩士研究生國家獎(jiǎng)學(xué)金1次、優(yōu)秀博士研究生1次、入選西南交通大學(xué)第六屆軌道交通行業(yè)拔尖創(chuàng)新人才.

E-mail:hechengan@126.com

(中、英文編輯:徐 萍)

Research and Prospects of Simulation Experiment on Wheel/Rail Fatigue Damage

LIUQiyue,HEChenggang,HUANGYubin,MALei,WANGWenjian

(Tribology Research Institute, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The wheel/rail fatigue damage significantly influences the operation safety of high-speed and heavy-haul railways. The research obtains widespread attention. This paper summarized main research methods of the wheel/rail fatigue damage. It was noted that the simulation experiment had became an important research method for the wheel/rail fatigue damage. Experimental results of the wheel/rail fatigue damage by the wheel/rail simulation machine in the wheel/rail group of Southwest Jiaotong University were introduced in detail. The key factors affecting surface fatigue damage of the wheel/rail were analyzed,the formation and propagation rules of subsurface fatigue damage of the wheel/rail materials were clarified. The effect of low temperature in the wheel/rail fatigue damage was explored. In conclusion, the future studies in the wheel/rail materials fatigue damage in China will be proposed under complex conditions(high cold, high temperature, high humidity, rain and snow, sand blown by wind, fog and haze, catkin).

wheel/rail; fatigue damage; crack; research prospects

2015-10-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475393,51275430)

劉啟躍,何成剛,黃育斌,等. 輪軌疲勞損傷模擬實(shí)驗(yàn)研究及展望[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016,51(2): 282-290.

0258-2724(2016)02-0282-09

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.008

TH117.3

A