鋼軌不平順焊接區的磨耗及裂紋萌生預測

關鍵詞：鐵道工程；輪軌關系；磨耗預測；裂紋萌生預測

中圖分類號：U211. 5 DOI： 10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 01. 016

0引言

隨著中國高速鐵路的迅猛發展，無縫鋼軌作為確保動車組行駛平穩性的關鍵，在高速鐵路的建設中被廣泛使用。然而，鋼軌焊接區是鋼軌損壞的多發地帶。由于鋼軌母材與焊接材料存在性能差異以及精度偏差，鋼軌焊接接頭不平順度可超過普通鋼軌10 dB以上，而焊接區接頭不平順會引起輪軌沖擊加?。?-3］，導致鋼軌磨耗加劇，影響鋼軌的服役周期［4-7］；較大的輪軌沖擊還會降低車輛運行的平穩性，危及行車安全。

國內外開展了大量有關焊接區磨損的研究，大量實測數據表明，焊接區的磨耗速度遠大于正常區域［8］。向鵬程等［9］利用沖擊磨損試驗機對鋼軌焊接接頭進行沖擊試驗，得到焊接接頭磨損程度與鋼軌硬度成正相關，硬度越低，沖擊深度和磨損體積越大。MA等［10］通過仿真和試驗研究，發現鋼軌焊接接頭的殘余應力較大，會加快焊接接頭的磨損速度。李霞等［11］運用Kalker三維非赫茲滾動接觸模型和材料磨損模型對地鐵鋼軌凹型焊接接頭波磨初期演化過程進行仿真，仿真結果與實測結果基本吻合。黃彩虹等［12］55-62 運用Archard磨耗理論基于實測數據預測了輪軌磨耗后廓形的演變以及磨耗量的變化動態。由于Kalker三維非赫茲滾動接觸模型和Archard磨耗理論只對單一硬度值進行表征計算，不能很好地反映不同屈服強度下的磨耗差異現象。為了準確預測輪軌磨耗，LEWIS等［13］設計了一種磨耗函數，將摩擦功進行精細處理，通過對比實際測量數據，驗證了該磨耗函數的計算結果具有很高的準確性。然而，目前對鋼軌焊接區磨耗預測的研究比較少，因此結合上述方法對鋼軌焊接區磨耗進行預測是很有必要的。

對于鋼軌焊接區的裂紋萌生壽命問題，國內外專家展開了大量的研究。在疲勞仿真試驗中發現，材料不均勻的位置易出現疲勞裂紋，縮短鋼軌的使用壽命［14］，鋼軌疲勞裂紋萌生壽命會隨鋼軌硬度的提高而延長［15］。DENG 等［16］基于Jiang-Sehitoglu 疲勞損傷模型，深入探究了在不同干濕條件下，輪軌接觸關系對鋼軌裂紋萌生壽命的影響。李偉等［17］采用Jiang-Sehitoglu疲勞損傷模型計算非穩態載荷條件下輪軌接觸狀態的殘余應力，分析鋼軌疲勞萌生壽命。RIBEAUCOURT 等［18］通過Jiang-Sehitoglu 疲勞損傷模型預測鋼軌的疲勞裂紋萌生壽命，與現場實測數據相比誤差較小，驗證了Jiang-Sehitoglu疲勞損傷模型的可靠性。由于焊接區材料的復雜性和硬度的變化，焊接區的裂紋萌生壽命與普通鋼軌的裂紋萌生壽命產生差異，因此基于Jiang-Sehitoglu疲勞損傷模型對鋼軌焊接區進行裂紋萌生壽命預測存在必要性。

由于鋼軌焊接區材料的差異性以及硬度變化的復雜性，焊接區的磨耗發展和服役壽命與鋼軌母材不同。依據鐵路相關標準，焊接區低踏量大于0. 3 mm即為重傷，但該標準安全裕度較高，實際運營線路中存在大量欠打磨焊縫。因此，針對欠打磨焊縫進行磨耗和服役壽命預測是非常有必要性的。本文對某線路大量欠打磨焊縫進行測量。由于鋼軌焊接區材料屬性和表面輪廓的差異性，焊接區內磨耗分布呈現非均勻磨耗，即鋼軌各個橫截面處磨耗量有較大差異，故基于Archard磨耗理論確定焊接接頭磨耗速率最大截面，以節省大量計算時間，提高計算效率，再運用摩擦功理論對焊接接頭磨耗速率最大截面磨耗進行預測［19］104-111，基于Jiang-Sehitoglu疲勞損傷模型對裂紋萌生壽命進行計算，為鋼軌焊接區養護維修提供技術支持。

1 磨耗及裂紋萌生理論

2模型建立

2. 1輪軌接觸有限元模型

選取LMA 型輪緣踏面和標準CN60鋼軌廓形建立有限元輪軌接觸模型。為縮減計算時間，選擇單邊輪軌模型，軌道模型全長為12m，車輪設置為剛體，鋼軌軌頭設置為彈塑性材料，軌腰及軌底設置為線彈性材料。使用車輪中心點代替車軸，依據UIC510-5標準施加載荷工況，并約束車輪橫向自由度，鋼軌與軌道板采用21組彈簧阻尼單元連接以等效彈簧扣件，彈簧剛度為25kN/mm、阻尼系數為900 N·s/mm。軌道板與CA砂漿層、CA砂漿層與道床均約束橫向和縱向自由度，鋼軌下材料主要參數如表1 所示。

鋼軌焊接區設置在鋼軌11. 2m處，以減弱輪軌力波動。設置車輪前進速度為55 m/s，在車輪中心添加127. 9 rad/s 的初始角速度，軌底坡坡率為1/40，計算步長為2 mm，輪緣遠離軌距角為正位移，輪緣靠近軌距角為負位移。輪軌接觸模型采用C3D8R六面體單元，輪軌模型網格全局尺寸設置為10 mm，并細化輪軌接觸面及鋼軌軌頭頂面局部尺寸（1 mm），如圖2所示。泊松比為0. 3，彈性模量為206 GPa，強化模量為21GPa。

選取滾動接觸顯式算法，接觸面法向關系定義為“硬”接觸，切向關系采用庫侖摩擦模型，接觸關系之間定義為“小滑移”，接觸滑動容差設置為0. 1，保證計算分析過程中收斂。

通過有限元分析，車輪滾過平順鋼軌的輪軌垂向力如圖3所示。根據ZHAO［23］的研究結果，當輪軌垂向力的波動幅值除以輪對的靜軸重小于10%時，即可認為車輛達到穩態。通過有限元結果可知，隨著距離的增加，輪軌垂向力波動逐漸減緩。由圖3 可知，在0. 17～0. 20 s，即在鋼軌9. 4～11. 2 m時，軸重12 t 時的最大波動幅值除以輪對的靜軸重約為4. 21%，輪軌垂向力在75 kN 附近波動；軸重18 t 時的最大波動幅值除以輪對的靜軸重約為3. 17%，輪軌垂向力在112 kN附近波動。這均與施加的載荷工況相吻合，表明所建模型可以進行下一步的分析計算。