第
1
期
金学松等:钢轨打磨技术研究进展
3
磨模型.美国铁路协会最近研究表明,为了控制磨
耗每年浪费大量的润滑油,元效的润滑策略导致每
年在轮轨接触之间的磨损成本大约在
20
亿美元.
而欧洲由于采用有效地润滑技术能节省年度维修
和更换车轮的费用大约
1
X
10
6
英镑
[
16J
车轮碾过
钢轨次数的增加加速了钢轨接触疲劳缺陷的形成,
而预防性打磨可以有效地减少疲劳裂纹的形成和
扩展.
Cannon
和
Pradier[
17
J
分析了各种轨头的初始
裂纹,发现发生在轨角处的裂纹是由于反复的塑性
变形引起,轨头表面连续的累积点蚀是由于滚动接
触疲劳引起的.这些累积的轨头裂纹可以引起轨角
处几毫米深的剥离.现存的理论还不能准确的预测
滚动接触疲劳和新生裂纹导致断轨[
18J
较差的润
滑策略会增加裂纹表面的压力分布,从而加速裂纹
的扩展,增加断轨和脱轨的风险这样的风险同样
受到轴重、曲线半径、轮轨型面和材料、材料硬度、
轮轨相互作用、轮轨打磨周期、轮轨间润滑和维修
策略的影响.如果没有检测到和控制这些风险,将
会形成钢轨伤损、断轨或是脱轨.这些后果将会带
来巨大的经济损失和人员伤亡
.2ω0
年英国在哈
特菲尔德事故中损失
7.3
亿英镑,这主要是滚动接
触疲劳引起的.
润滑对钢轨寿命的影响主要体现在降低曲线
的磨耗,从而改善列车曲线通过性、稳定性和安全
性.然而,液体润滑剂会降低裂纹表面的摩擦和增
加裂纹的扩展应力,如图
1
(a)
所示.在车轮碾压
前,裂纹中存在着部分的润滑液,如图
1
(b)
所示,
当车轮经过时,进入裂纹的润滑液在裂纹口处形成
"进液加压形成部分空间允许润滑液进入,使裂
裂纹增长
O
形成较浅的裂纹
纹表面受到垂直压力阻止裂纹闭合,加速裂纹扩
展.这种影响已经得到了有限元仿真计算结果的证
实[
19
,
20]
车轮上裂纹的相同机理也得到了有限元
仿真计算结果验证
[21J
钢轨表面疲劳裂纹的增长率受到轮轨间的接
触压力水平的影响.微小裂纹萌生于压力频繁接触
的钢轨表面,并向钢轨浅层慢慢地扩展.开始裂纹
在一个小的角度上快速增长,直到达到平衡点(转
折点)
.在这个点上,裂纹垂向增长率开始加速.预
防性打磨就是利用这个点,对现有的钢轨表面裂纹
进行控制.图
2
为文献
[21
]中给出的裂纹扩展和
打磨控制模型.微裂纹萌生于钢轨表面较大接触压
力的区域,在裂纹萌生阶段裂纹垂向增长速率较
快.随后裂纹开始在表层形成分支,再次进入裂纹
的快速增长阶段.为了防止裂纹进入分支垂向加速
扩张阶段,采用预防性打磨策略,去除浅层金属,将
裂纹控制在
A
点.
车辆行进方向
车辆行进方向
(
a)
车轮未到达裂纹端口
(
b)
车轮到达裂纹端口
图
1
裂纹进液扩展机理
[21]
Fig. 1 Mechanism of crack propagation due
to
the pressure of trapped fluid
[21]
轮轨失效
.'1100.....................,.,...........磨耗+打磨
......~..芒..........磨耗
裂纹分支,形成中度疲劳
裂纹深度
第
1
阶段:裂纹初始
i
第
2
阶段:裂纹小角度增长,
第
3
阶段:裂纹太角度增长,
出现重度疲劳现象.
形成,但不明显
出现轻度和中度疲劳.
车轮
|
车轮
车轮
钢轨
图
2
裂纹扩展与打磨控制模型
[22]
Fig.2
Model of crack propagation and the rail grinding controlling[22]