普速鐵路鋼軌滾動接觸疲勞裂紋萌生研究和檢驗

周宇 李駿鵬 司道林

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.同濟大學上海市軌道交通結構耐久與系統安全重點實驗室，上海 201804；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

鋼軌滾動接觸疲勞傷損以及磨耗問題是我國鐵路重載化與高速化發展過程中亟待解決的問題［1］。針對鋼軌磨耗和滾動接觸疲勞的研究已經從最初的單獨研究各自的形成機理、過程，發展到將鋼軌的疲勞裂紋萌生和磨耗的共存關系統一起來考慮。文獻［2］采用雙盤滾動試驗機觀測了裂紋發展和磨耗率之間的平衡關系。文獻［3-4］提出了考慮材料特性和荷載條件的數值模型來研究鋼軌表面疲勞裂紋和磨耗的競爭關系，并采用雙盤試驗機研究了輪輪干燥和濕潤條件下滾-滑接觸引起的磨耗和滾動接觸疲勞相互影響機制。文獻［1，5］通過全壽命周期現場試驗，揭示了重載鐵路鋼軌疲勞裂紋、磨耗的相互影響關系和發展過程，提出了硬度和硬化層厚度對磨耗和疲勞裂紋的影響。文獻［6］建立二維多尺度有限元模型來模擬變形過程并分析磨耗和裂紋萌生的機理和相互關系。文獻［7］對車輪磨耗和裂紋萌生進行預測，討論了不同裂紋預測模型（安定極限模型和臨界平面法模型）與磨耗模型（Archard 模型）結合的可能性。文獻［8-10］采用輪輪滾動試驗機模擬了鋼軌的滾動接觸疲勞裂紋和磨耗之間的關系。文獻［11-12］在臨界平面法的鋼軌裂紋萌生壽命預測模型的基礎上，結合基于Archard模型的鋼軌磨耗模型，將裂紋萌生和鋼軌磨耗的連續過程通過型面迭代的方式統一起來，建立了考慮磨耗的裂紋萌生壽命預測模型。

綜上，目前的研究雖然已經將鋼軌的疲勞裂紋萌生和磨耗的共存關系統一起來考慮，但是大多數基于仿真預測、試驗臺輪輪滾動或輪軌滾動實驗，缺少現場的檢驗和驗證。因此，本文結合普速鐵路京九線鐵路鋼軌傷損的特點，采用理論分析、數值模擬、現場試驗等研究方法，利用鋼軌疲勞裂紋萌生-磨耗共存發展模型預測裂紋萌生壽命和相應的磨耗發展率［13-14］，并與京九線現場觀測結果進行對比分析，檢驗該模型在預測鋼軌磨耗與裂紋萌生方面的可行性，得到鋼軌磨耗和疲勞裂紋萌生的關系，為鋼軌打磨等養護維修作業提供參考依據。

1 現場及仿真條件

1.1 現場條件

以普速鐵路京九線的典型區段（K718—K907）為例，選取最具代表性的4 種曲線半徑（600，800，1 000，1 200 m）為研究對象，曲線軌道參數見表1。

表1 曲線軌道參數

1.2 仿真條件

采用車輛-軌道多體動力學軟件Simpack 建立C70貨車模型（圖1），仿真參數見表2。參考文獻［13-14］中的模型預測曲線軌的磨耗和裂紋萌生壽命。

圖1 C70貨車模型

表2 C70貨車仿真參數

2 輪軌接觸狀態

2.1 輪軌靜態接觸

將60N 廓形鋼軌與標準LM 磨耗型車輪進行輪軌靜態接觸分析。曲線半徑R=800 m 時結果見圖2、圖3。

圖2 R=800 m時輪軌靜態接觸

圖3 R=800 m時輪軌接觸斑應力

由圖2、圖3 可知，曲線段線路上60N 廓形外軌接觸點主要分布在軌肩和軌距角處，內軌接觸點主要分布在軌頂中心及軌肩處。不同半徑曲線接觸斑應力分布情況相似。

2.2 軌頭應力

建立長鋼軌模型并施加荷載，以長鋼軌模型計算得到的位移作為邊界條件，建立鋼軌有限元子模型。將車輪荷載接觸斑應力以及對應的橫移量施加到鋼軌有限元子模型中，以第1次磨耗階段為例，計算得到鋼軌Mises應力響應云圖見圖4。

圖4 鋼軌軌頭部分Mises應力響應云圖（單位：MPa）

以R=800 m 為例，隨著通過總重增加，磨耗階段軌頭型面離散化變化發展過程見圖5，其中，磨耗前軌頭型面為L0，磨耗1 階段結束時型面為L1，i階段結束時型面為Li。各階段外軌軌頭Mises 應力極值及其位置見表3。

圖5 磨耗發展和型面離散化變化過程

表3 R=800 m時外軌軌頭Mises應力極值及其發生位置

由表3 可見，軌頭Mises 應力極值隨磨耗階段的發展呈增加趨勢，應力極值點發生在距軌頂中心17～20 mm、鋼軌表面下2～3 mm。隨著磨耗的增加和型面的變化，鋼軌材料的疲勞損傷也呈增加趨勢，疲勞發展加快。

3 仿真結果與分析

3.1 磨耗預測

根據文獻［13-14］的磨耗發展率計算方法，得到不同曲線半徑下外軌的磨耗發展率。各階段磨耗發展率曲線見圖6。

圖6 外軌階段磨耗發展率曲線

由圖6可知：①曲線半徑越小，裂紋萌生前的磨耗階段數量越少，即裂紋萌生壽命短。其中，R=600 m的外軌經過5 個磨耗階段萌生裂紋，R=800，1 000，1 200 m 分別為6，9，11 個磨耗階段。②曲線半徑越小階段磨耗發展率越大，即該階段的磨耗量越大，對應的車輪通過次數越少。③在各曲線半徑條件下，階段磨耗發展率均呈下降的趨勢，其中曲線半徑小（600 m）的階段磨耗發展率降低最快；曲線半徑較大（800～1 200 mm）的階段磨耗發展率降低較緩。這是因為新軌上道后輪軌接觸關系隨磨耗逐漸匹配，同時由于磨耗導致鋼軌型面變化，輪軌接觸點向軌頂中心移動，輪軌關系逐漸趨于穩定，但總體上鋼軌的磨耗量呈增加趨勢。

3.2 疲勞裂紋預測

對不同曲線半徑下鋼軌疲勞傷損累積以及裂紋萌生壽命、萌生位置進行預測。

3.2.1 疲勞損傷

根據Miner 線性疲勞法則，累積損傷至1.0 時，認為材料發生疲勞破壞，裂紋萌生。不同曲線半徑下，鋼軌疲勞累計損傷隨磨耗階段和車輪通過次數的變化曲線見圖7。

圖7 不同曲線半徑下鋼軌疲勞累計損傷變化曲線

由圖7 可知：①R=600 m 時外軌只要5 個磨耗階段就累積到疲勞臨界值，而R=800，1 000，1 200 m 時則分別需要6，9，11個磨耗階段。說明曲線半徑較大，鋼軌的疲勞損傷發展較慢，能持續較多的磨耗階段。②由于磨耗和型面變化的影響，鋼軌的疲勞損傷呈非線性發展的趨勢。鋼軌在上道初期，疲勞階段損傷較小，累積緩慢，當超過一定磨耗階段后，疲勞階段損傷迅速增加，累積加快。隨著曲線半徑的增大，鋼軌疲勞累積損傷增加時間逐漸變長（對應的車輪累積通過次數與型面磨耗量逐漸增加）。

3.2.2 裂紋萌生壽命

內、外軌裂紋萌生壽命預測結果見表4。

表4 不同曲線半徑下鋼軌疲勞裂紋萌生壽命 105次

由表4 可知，在車輛、軌道等參數相同的情況下，鋼軌疲勞裂紋萌生壽命隨著曲線半徑的增加而增加，曲線半徑對鋼軌裂紋萌生壽命的影響較大。例如，R =800，1 000，1 200 m 時，裂紋萌生壽命分別是R =600 m的1.46，2.70，5.70倍。表明曲線外軌壽命隨半徑的增加呈大幅度增加趨勢。

3.2.3 裂紋萌生位置

不同半徑曲線下外軌裂紋萌生位置預測結果見圖8。

圖8 不同曲線半徑的鋼軌疲勞裂紋萌生位置空間示意

由圖8 可見：①當輪軌摩擦因數為0.3 時，4 種曲線半徑下外軌疲勞裂紋均萌生在鋼軌表面以下1～3 mm 處，橫向位置在距離軌頂中心15～20 mm 范圍內。②R =600，800，1 000，1 200 m 時，外軌的疲勞裂紋萌生位置在橫向上分別距離軌頂中心19.102，17.199，15.686，15.213 mm。隨著半徑的增加，裂紋萌生位置逐漸靠近軌頂中心。這是因為曲線半徑逐漸減小時，輪軌接觸點會逐漸向軌距角和軌肩一側移動，導致接觸應力逐漸遠離軌頂中心，鋼軌軌頭內部遠離軌頂中心區域的材料應力應變幅值增加，萌生點在鋼軌型面橫向更遠離軌頂中心。這與鋼軌型面磨耗的規律一致。③R =600，800，1 000，1 200 m 時，鋼軌的疲勞裂紋萌生位置在垂向分別距離鋼軌表面2.189，2.123，2.498，1.762 mm。隨著每次離散化過程中鋼軌型面的不斷磨耗，軌距角和軌肩的型面被磨損降低，輪軌接觸點會略向軌頂中心移動，鋼軌軌頭內部靠近軌頂中心區域的材料應力應變相應增加，因此裂紋萌生點在鋼軌型面垂向接近鋼軌表面。

4 現場驗證

為了評價和檢驗典型區段鋼軌滾動接觸疲勞裂紋萌生預測結果，選取京九線一曲線半徑為600 m 的曲線段作為觀測段，對鋼軌疲勞裂紋和磨耗傷損進行現場跟蹤觀測和分析。裂紋測量采用渦流裂紋檢測儀。在觀測段的曲中點、圓緩點、緩直點分別布設測點，取3個測點的平均值作為實測鋼軌裂紋深度。

打磨后內外軌裂紋深度較小，可視作鋼軌的初始狀態；打磨前視作鋼軌裂紋最嚴重狀態，即裂紋發展最嚴重即將進行打磨時的狀態。實測得出兩次打磨作業間隔期間鋼軌表面裂紋的發展狀況并對其進行擬合，見圖9。

圖9 兩次打磨作業期間實測鋼軌裂紋深度

從圖9 可知，打磨后裂紋深度為0.08～0.18 mm，而后呈近似線性增長趨勢。考慮儀器可檢查到的裂紋深度為0.05 mm，根據斷裂力學理論反推，裂紋萌生壽命約為裂紋深度發展線與x軸交點所表示的通過總重，即內外軌分別為8.77，6.25 Mt·km/km。

通常打磨作業周期約半年，假設兩次打磨作業期間線路、車輛和運行條件沒有變化，裂紋深度變化情況基本類似，可預測得出內外軌裂紋深度在整個服役期間的大致變化情況，見圖10。

圖10 考慮打磨作業的裂紋深度預測

考慮到京九線運輸繁忙，車輪累積通過次數達到裂紋萌生壽命時間較短，故將裂紋萌生壽命換算為車輪通過次數。預測出內、外軌裂紋萌生壽命分別為3.897×105次和2.777×105次，而該觀測段的實測內、外軌裂紋萌生壽命分別為4.860 × 105次和2.640 ×105次。

綜上，由于考慮了型面磨耗引起的輪軌接觸位置和鋼軌應力應變的變化，確定了鋼軌內部更容易發生疲勞累積直至破壞的位置，考慮磨耗的裂紋萌生壽命預測模型所預測的裂紋萌生壽命比較接近現場觀測數據，可以用于現場條件下鋼軌裂紋萌生和磨耗的預測。

5 結論

1）隨著磨耗階段的發展，軌頭Mises 應力極值呈增加趨勢，極值點發生在距軌頂中心17 ～20 mm、軌表面下2 ～3 mm。鋼軌型面導致輪軌接觸應力增大，使得鋼軌材料更容易發生疲勞和磨耗，裂紋萌生更早。

2）隨著疲勞傷損的累積，各曲線半徑下鋼軌的階段磨耗發展率均呈下降趨勢，曲線半徑越小平均磨耗發展率降低得越快；曲線半徑越大平均磨耗發展率越低。

3）曲線半徑越大，鋼軌的疲勞損傷發展越慢，能持續的磨耗階段也越多。鋼軌裂紋萌生壽命隨曲線半徑的增加而增加，曲線半徑對鋼軌裂紋萌生壽命的影響較大。

4）不同曲線半徑下疲勞裂紋的萌生位置均發生在鋼軌表面以下1～3 mm、距離軌頂中心15～20 mm范圍內。

5）考慮磨耗的裂紋萌生壽命預測模型所預測的裂紋萌生壽命比較接近現場觀測數據，可以用于現場條件下鋼軌裂紋萌生和磨耗的預測。