摘 要：根据钢轨踏面斜裂纹的损伤特点和轮轨力与斜裂纹关系分析设计试验方案，在西南交通大学JD-1 轮轨模拟试验机上，对广深高速铁路铺设的PD3 热轧钢轨材料进行了斜裂纹损伤再现试验。试验结果表明，轮轨接触方式是钢轨斜裂纹产生和扩展的重要影响因素；轴重增加会增大轮轨接触应力，增加磨损量，加速接触疲劳现象的产生。
关键词：钢轨 斜裂纹 接触疲劳
中图分类号：U213

1．引言

 钢轨踏面斜裂纹是国内外高速线路曲线钢轨的典型破坏现象，属于滚动接触疲劳裂纹伤损类型[1,2]。随着铁路运输速度的不断提高，钢轨斜裂纹已成为危及铁路运输安全的重要因素之一。2000 年10 月17 日，英国一高速列车以185km·h-1 速度通过半径为1 460 m 曲线时，由踏面斜裂纹引起钢轨横向断裂造成出轨，导致4 人死亡，70 人受伤[3]。2003 年4 月的数据表明，荷兰6 690 km 的线路上, 399.6 km 的钢轨出现踏面斜裂纹，其中25 km 伤损非常严重[4]。我国广深准高速铁路自2002 年4 月以来，在准高速区段部分半径1 600 m 及1 400 m 和非准高速区段半径1 000 m 及800 m 的曲线上股钢轨踏面处陆续出现斜裂纹伤损，并已有两处钢轨发生横向断裂[5]，如图1 所示。我国广深准高速铁路钢轨斜裂纹不同于以往的鱼鳞状剥离裂纹，一般不发展成剥离掉块，裂纹萌生后沿钢轨作用边，呈45°角，迎行车方向朝钢轨踏面中心扩展。裂纹发展到一定程度后，便快速扩展成大尺寸横向疲劳裂纹，直至钢轨发生横向折断，严重危及行车安全 [6]。

 

随着我国“四纵四横”铁路客运专线网的建设和现有铁路提速规划的实施，对钢轨踏面斜
裂纹的研究已越来越重要。本文根据钢轨斜裂纹的损伤特点和轮轨力作用方式试验研究了钢
轨斜裂纹的形成机制，对缓解钢轨斜裂纹危害，确保铁路运输安全具有重要作用。
1本课题得到国家自然科学基金项目(50675183)和高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：
20060613017）的资助

2．试验简介
2.1 轮轨力与斜裂纹关系
钢轨踏面斜裂纹多数发生在曲线外股钢轨的内轨角处、曲线内轨顶面外侧、车轮轮缘根部和车轮踏面尾部。图2 给出了轮轨作用力与外股钢轨斜裂纹关系示意图。以曲线外股钢轨的内轨角处斜裂纹为例：当轮对通过曲线时，外轨处的车轮轮缘贴靠外轨内角处向前滚动，而另一侧车轮踏面尾部和内轨顶部外侧发生接触。由于左右车轮滚动半径不同和轮对的摇头角产生，滚动轮径差引起外轮轨之间有较大的纵向切向力x F , 轮对的摇头角较大和横向运动引起横向切向力Fτ ，导致外轮与曲线外轨内侧接触切应力F 极大。当轮轨接触压应力超过钢轨接触疲劳强度或抗塑性变形许用值时，踏面表层金属产生塑性变形，在此反复接触切应力F 作用下疲劳裂纹在塑性变形层表萌生，并以一定的倾斜角度向下扩展，裂纹扩展到一定深度后，扩展方向开始受动弯应力和长钢轨温度应力的控制而开始向横向疲劳扩展，最后导致钢轨横向断裂[7]。

 

2.2 试验方法
试验在西南交通大学JD-1 轮轨模拟试验机上进行[8]。试验中钢轨试样为上轮，下轮为 Φ1150 mm 的对磨轮，对磨轮为主动轮，带动试样相对滚动进行试验。对试样轴施加不同的垂直压下力以实现不同试验载荷的需要。对试样轴实施夹紧制动力以实现摩擦力要求的试验。
对磨轮轴在水平方向转动α 角度，使之在水平方向与钢轨试样轴形成一定夹角α(即冲角)，以实现不同曲线半径的模拟试验。模拟试验冲角α 大小是根据韶山4 型电力机车转向架参数和曲线半径计算所得。
JD-1 轮轨试验机采用转速模拟，即试样转速与车速所对应的机车车轮转动速度相同，车轮直径按1250 mm 计，则：试样转速ω = 车速/车轮圆周长。按此式分别求得不同车速下的试样转速。试验载荷(接触应力)是依据轴重按赫兹理论有关公式进行计算，需满足试样和线路钢轨的最大接触应力相等。
对磨轮接触面为平面。试样接触方式有两种,第Ⅰ种为半径R61 的弧面接触，如图3 所示。半径R 的大小是依据线路轮轨的接触方式计算确定，需试样和对磨轮接触面椭圆的长短半轴之比与线路钢轨轮轨接触椭圆的长短半轴之比相等。此接触弧R61 是根据60 kg/m 钢轨与车轮的接触方式所确定。
第Ⅱ种接触方式是为了模拟轮对通过曲线时受横向摩擦力Fτ 的斜面接触方式。在试样滚动弧面一端加工1:20 锥面，并以试样轴在垂直平面内沿斜面方向转动β 角度(约为3 度) 安装，同时让试样能沿试样轴在D(2-3mm)范围内移动。如图4 所示。

 

试验选用PD3 热轧钢轨材料，其化学成分见表1；试验参数见表2。

 

3．试验结果与讨论
按表2 试验参数进行滚动模拟试验，各试样的磨损量如图5 所示。弧面接触的试样1 磨损量小于斜面接触的试样2、3、4。试样1 与2 相比，各试验参数相同，但由于接触方式不同造成试验结果相差很大，试样1 的磨损量仅为试样2 的58%。斜面接触试样由于横向力的作用，接触应力较大，因此磨损量也较大。轮轨接触应力随轴重增加而增大，因此试样 2、3、4 磨损量逐渐亦随轴重增加而增大，且呈线性增长。
 

图6 为试样1 和4 的对磨轮磨面形貌对比。试样1 对磨轮磨面磨痕平坦，磨损程度较轻，且磨面主要表现为塑性变形和磨粒磨损；试样4 对磨轮磨痕深度较深，磨损程度较重，磨面有明显较深的沟槽，并出现大量横向和斜向裂纹。

 

对各试样横纵断面裂纹的电镜观察结果表明，试样磨面的裂纹均起源与试样表面，且与表面以一定夹角向试样里层扩展延伸。某些裂纹与试样表面的夹角较小，并在表层扩展,最后形成剥离，如图7(a)所示；某些裂纹在扩展前期与试样表面的夹角较小，但扩展一定长度后以较大角度向试样内部扩展如图7(b)所示，此裂纹符合文献[3]和[6]中所介绍的斜裂纹特征。

 

4．总结
1）轮轨接触方式是钢轨斜裂纹产生和扩展的重要影响因素，通过改善轮轨接触形面能有效降低接触应力，减缓钢轨斜裂纹的形成。
2）轮轨接触应力随轴重增加而增大，加剧磨损和接触疲劳现象产生。
参考文献
[1] Rene Heyder.UIC 新版钢轨伤损分类[J]．铁路工程师, 2002(1) 21-27.
[2] D.F.Cannon.A International Cross Reference of Rail Defects A Report Commissioned by the UIC/WEC Rail Defect Management Project Steering Group [R].Paris: UIC, 2001. [3] 史密斯(英国).钢轨滚动接触疲劳的进一步研究[J].中国铁道科学, 2002, 23(3): 6-10.
[4] Jerone Smalders.应对滚动接触疲劳[J].国际铁道工程, 2003, 9: 43-46.
[5] 广州铁路(集团)公司工务处.广深线钢轨伤损问题研讨会交流资料[R].广州: 广州铁路(集团)公司, 2003.
[6] 刘学文,邹定强,邢丽贤,等.钢轨踏面斜裂纹伤损原因及对策的研究[J].中国铁道科学, 2004(4): 82-87.
[7] 郭俊.轮轨滚动接触疲劳损伤机理研究[D].成都: 西南交通大学, 2006.
[8] 王夏鍫,刘钟华．JD-1 轮轨摩擦学模拟试验机[R].成都: 西南交通大学, 1987.
Investigation on Reappearance Test of Rail Tread Oblique
Crack
PENG Liang，CHEN Mingtao，WANG Wenjian，LIU Qiyue
Tribology Research Institute, Southwest Jiaotong University, Chengdu (610031)
Abstract
Based on the damage characters of rail tread oblique crack and the relation between wheel-rail contact
force and oblique crack, the reappearance test of rail oblique crack was carried on using JD-1 wheel/rail simulation facility. PD3 rail material was used in the simulation test. The results show that
the wheel-rail contact mode is an important influencing factor of the rail oblique crack. The increase in
axle load aggravate the wear and rolling contact fatigue of wheel/rail material. Keywords: Rail, Oblique crack, Contact fatigue
作者简介：彭亮，男，1981 年生，硕士研究生，主要研究方向轮轨摩擦学。

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