高速铁路钢轨擦伤形成影响因素_侯博文.pdf

第 卷第期 年月交 通 运 输 工 程 学 报 收稿日期：基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金项目（）；中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（）；国家自然科学基金项目（）作者简介：侯博文（），男，辽宁沈阳人，北京交通大学副教授，工学博士，从事铁路轨道结构与轨道动力学研究。通讯作者：王璞（），男，河北沧州人，中国铁道科学研究院集团有限公司副研究员，工学博士。引用格式：侯博文，秦家栋，高亮，等 高速铁路钢轨擦伤形成影响因素 交通运输工程学报，（）：，（）：文章编号：（）高速铁路钢轨擦伤形成影响因素侯博文，秦家栋，高亮，马超智，刘秀波，王璞（北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 ；山东轨道交通勘察设计院有限公司，山东 济南 ；中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 ；中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 ）摘要：基于 显式动力分析建立了三维瞬态轮轨接触力热耦合有限元模型，考虑了温度对热弹塑性材料参数的影响；以初始温度、轴重、初始速度 、滑滚比 工况为例，研究了车轮在经过钢轨典型断面前、中、后个时刻下钢轨踏面的接触压力、有效塑性应变、温度分布及其变化特征；在此基础上，进一步分析了列车轴重、钢轨踏面状态、列车牵引和制动状态对钢轨踏面最大温升与最大接触压力的影响，并基于钢轨马氏体白蚀层的形成机制讨论了钢轨擦伤的形成机理。研究结果表明：在本文计算工况下，钢轨踏面最大接触压力为 ，出现在接触区中心位置，车轮通过后钢轨内部存在部分残余热应力和机械应力，钢轨最大有效塑性应变为 ，最大温升为 ；随着列车轴重从 增大至，钢轨最大温升由 增大至 ；钢轨踏面摩擦因数由 增大至 时，钢轨最大温升由 增大至 ；滑滚比由 增大至 时，车轮制动和牵引引起的钢轨最大温升分别由 和 增大至 和 ，相同滑滚比条件下，牵引工况引起的钢轨最大温升大于制动工况引起的钢轨最大温升，其中在滑滚比增大至 时，制动和牵引状态下钢轨踏面最高温度分别为 和 ，钢轨最大温升均超过相变温度，可导致钢轨踏面产生马氏体白蚀层，从而形成钢轨踏面擦伤。关键词：高速铁路；钢轨擦伤；力热耦合；滑滚比；钢轨马氏体；显式动力学中图分类号：文献标志码：，（，；，；，；，）：，第期侯博文，等：高速铁路钢轨擦伤形成影响因素 ，：；：（），；（），：（）；，（）；（）引言钢轨擦伤作为一种常见的钢轨伤损形式，严重影响了轨道的平顺性、列车运行的稳定性及旅客乘车的舒适性，同时给铁路运营部门增加了养护维修成本，已成为制约铁路运输效率、影响列车运行安全的重要因素之一。钢轨擦伤形成过程通常认为是轮轨接触面摩擦产生高温，同时高的接触应力降低了材料的相变温度，导致钢轨踏面金属组织产生相变，由珠光体组织转变成脆而硬的白蚀层，若不及时处理将会进一步发展成裂纹、掉块。目前，国内外学者针对钢轨擦伤问题展开了一系列理论与试验研究，并取得了大量研究成果。在试验研究方面，等 对钢轨进行了淬火试验，通过比较试验与现场钢轨的显微结构，间接证明了相变形成钢轨擦伤；等 使用轮轨滚动试验台研究了滚滑接触中钢轨马氏体的形成。在理论研究方面，等 采用等效压力和移动热源法模拟了 多 车 轮 通 过 钢 轨 时 钢 轨 温 度 场 的 分 布 特 性；等 提出了一种关于轮轨接触问题的力热耦合建模程序，研究了种不同材料参数模型对计算温升和应力应变的影响；等 基于 建立了三维轮轨接触力热耦合模型，研究了滑动接触下温度和应变的分布特性；伏培林等 基于弹塑性理论构建了考虑材料温度相关性的二维数值模型，分析了对流换热系数、法向荷载和行车速度对钢交通运输工程学报 年轨滑动温升的影响；刘洋等 采用有限元法建立了含有钢轨剥离掉块的轮轨滑动接触二维力热耦合模型，研究了不同程度伤损、摩擦因数以及相对滑动速度对钢轨热弹塑性的影响，并得到了对钢轨受力、变形、温升最不利的影响因素；杨新文等 基于弹性半空间假设理论，自编了轮轨接触热效应分析程序，计算分析了 轴重重载铁路轮轨接触热效应；王伟等 基于弹性平面应变理论建立了轮轨摩擦接触有限元模型，分析了不同蠕滑率、摩擦因数以及轴重对轮轨表层温升和应力的影响；文永蓬等 建立了型轨道车轮车辆有限元模型，研究了力热耦合对车轮应力特性的影响规律，结果表明结构设计时结构应力和热应力的耦合作用不可忽略。钢轨擦伤的形成与发展既涉及到轮轨相互作用，同时也涉及金属温度相变，是一个典型的力热耦合过程。由以上可见，国内外学者在研究钢轨擦伤形成机理时大多基于二维有限元模型和轮轨滚动试验台，不能真实反映实际轮轨滚动接触行为；在研究列车通过引起的钢轨温度变化时，则大多采用基于单向耦合的移动热源法，忽略了钢轨温度变化与轮轨相互作用间的耦合作用机制，缺少从力热耦合角度揭示钢轨擦伤形成机理方面的研究。鉴于以上问题，本文基于 显式动力分析方法建立三维瞬态轮轨接触力热耦合有限元模型，考虑钢轨材料的热弹塑性特性和温变特性，研究了在车轮滑滚比 条件下车轮经过典型断面时钢轨踏面的接触压力、有效塑性应变与温度分布特征；进一步基于力热耦合作用机制分析了列车轴重、钢轨踏面状态、列车牵引与制动状态对钢轨擦伤形成的影响；通过研究列车在高速运行状态下钢轨踏面力热耦合作用特性，有助于揭示高速铁路钢轨擦伤形成机理，从而为高速铁路钢轨擦伤的防治提供依据，对于保障高速铁路行车安全具有重要的意义。建立三维瞬态力热耦合模型基于 显式动力学建立三维瞬态轮轨接触力热耦合有限元模型，见图，其中坐标原点位于初始车轮位置中心，、和轴分别为钢轨纵向、横向和垂向。模型包括车辆子模型、轨道子模型、轮轨相互作用子模型等部分，采用完全力热耦合方式进行求解，首先用显式算法进行结构场计算，得到摩擦功和应力应变，然后将初始温度、材料热属性等作为输入，采用隐式算法进行温度场计算，将摩图理论分析模型 擦功转变为热量，得到接触温升，温度的改变会影响材料的机械属性，进而影响结构场的计算，流程如图所示。模型可考虑轮轨摩擦生热和塑性应变生热。本文重点研究轮轨接触区力热耦合特性变化，因此，将车辆模型简化为车轮、一系悬挂和簧上质量，轨道模型简化为钢轨和扣件。根据车辆轨道系统的对称性建立车辆轨道系统模型。通过设置动力松弛区 来平衡轮轨力的初始激扰，解决温度求解不稳定问题。根据轮轨接触区和整体模型的尺度，同时兼顾计算效率，模型采用不均匀网格划分方式，对轮轨接触区网格细化到，轨道总长度为 ，共有 个单元，个节点，显式计算时间步长为 ，温度隐式计算时间步长为 ，求解计算总时长约。图力热耦合计算流程 如图所示，模型考虑车轮和钢轨的真实几何尺寸，钢轨类型为 ，车轮踏面为 型，车轮辐板类型为直辐板，均采用实体单元模拟，扣件系统和一系悬挂采用弹簧阻尼单元模拟，簧上质量采用质量第期侯博文，等：高速铁路钢轨擦伤形成影响因素单元模拟，在钢轨两端施加无反射边界条件（即阻尼边界）来消除钢轨边界的影响，为了反映轮轨之间真实的接触状态，采用面面接触模拟轮轨接触，轮轨之间的接触算法为动态罚函数法，法向接触力为（）式中：为轮轨间法向接触力；为界面接触刚度，为轮轨间穿透量。切向接触力的计算依据库伦摩擦模型，轮轨之间的摩擦因数为（）（）式中：为轮轨动摩擦因数；为轮轨静摩擦因数，本文不考虑速度 对摩 擦因数的 影响，即；为指数衰减系数；为轮轨接触面间的相对滑动速度。通过施加车轮的转动速度和平动速度实现车轮在钢轨上的滚动，列车在牵引状态时转动速度大于平动速度，制动状态则相反，因此，可以通过控制车轮的滑滚比 来模拟列车的牵引和制动状态，列车在制动和牵引的过程中，车轮滑滚比一般在 左右，在长大坡道或紧急工况下制动时，车轮滑滚比可达 以上。滑滚比为（）（）式中：为车轮的前行速度；为车轮的转动角速度；为车轮半径。模型考虑了材料的塑性行为和温变效应，采用随温度变化的热弹塑性材料模型。任一温度下的弹塑性行为采用双线性等向强化模型描述。模型轮轨系统参数、轮轨材料力学性能参数以及热性能参数分别如表所示。表轮轨系统参数 部件参数数值钢轨、车轮扣件一系悬挂密度（）屈服强度 随温度变化泊松比随温度变化刚度（）阻尼（）刚度（）阻尼（）悬挂质量 仿真结果分析当高速铁路处于匀速运行状态时，轮轨之间的表材料力学性能参数 温度弹性模量 泊松比屈服强度 热膨胀系数（）硬化模量 表材料热性能参数 温度比热容（）热传导系数（）相对滑动速度较小，不足以导致钢轨由于摩擦升温进而引起钢轨材料金相发生转变。当列车高速运行紧急制动时，轮轨间可能存在较大的纵向蠕滑力，此时轮轨间的大蠕滑状态有可能导致钢轨踏面温度急剧增大，甚至出现超过临界相变温度的情况，从而导致钢轨擦伤。为了研究当列车正常高速运行状态下突然进行紧急制动时引起的钢轨温度变化情况，以初始温度为、轴重为 、初始速度为 、摩擦因数为 的工况为例，分析在制动状态下滑滚比为 时钢轨接触区接触压力、有效塑性应变以及温度的分布特征。钢轨接触区接触压力分布图（）为不同时刻车轮经过钢轨接触区位置示意，、分别为经过此钢轨接触区前、中、后个时刻，提取图（）中轴（长轴）和轴（短轴）所在节点位置计算结果，后文同。钢轨接触压力在空间不同测点处的分布规律如图所示。从图（）中可以看出：当车轮依次位于、时刻对应位置的正上方时，其产生的最大接触压力基本相同，最大为 ；在时刻长轴测点各位置接触压力沿轴方向先增大后减小，并以车轮所在位置（交通运输工程学报 年图钢轨接触区及测点位置 ）为对称轴在车轮前后两侧大致呈现对称分布；此外，在车轮前进方向，本文计算所得赫兹接触压力在接触区前沿与经典赫兹接触理论解一致，但在接触区后沿本文计算所得接触压力略大于经典赫兹接触理论解；经进一步分析，由于本文考虑了材料的热弹塑性特性，因此，时刻车轮引起的钢轨接触压力受前一时刻钢轨内部残余应力影响而有所增大，对于时刻，钢轨接触压力分布也呈现类似规律。从图（）中可以看出：在时刻车轮经过此接触区时沿轴方向接触压力先增大后减小，并以轮轨接触点对应位置（）为对称轴在左右两侧大致呈对称分布；在时刻车轮经过轴测点前钢轨踏面接触压力几乎为；在时刻车轮经过轴测点时钢轨踏面接触压力最大；在时刻车轮经过轴测点后钢轨踏面存在残余应力。由图（）可以看出：时刻下接触椭圆轴约，轴约，由于材料的塑性变形和残余应力的影响，接触区压力不再呈现经典赫兹接触理论解析解给出的图钢轨接触区接触压力分布 标准椭球状分布。为进一步分析力热耦合过程对钢轨接触压力和残余应力的影响，图给出了接触区压力峰值点接触压力和残余应力随时间变化曲线，可以看出：考虑力热耦 合 过 程 后，钢 轨 最 大 接 触 压 力 增 大 了 ，主要由于轮轨之间相对滑动，存在较大滑滚比，钢轨温度迅速上升使钢轨热应力增大；考第期侯博文，等：高速铁路钢轨擦伤形成影响因素图钢轨接触压力和残余应力随时间的变化 虑力热耦合过程后，钢轨中的残余应力下降趋势更加明显，不考虑力热耦合过程时钢轨残余应力变化缓慢，经分析可知是由于力热耦合过程中残余应力中的部分热应力随钢轨降温逐渐减小。由此可见，钢轨接触应力受力热耦合作用影响较为明显，钢轨中的残余应力既包含残余机械应力也包含残余热应力，因此，在分析轮轨相互作用时，考虑力热耦合过程可以更为准确地反映轮轨间的真实接触状态。图钢轨接触区有效塑性应变分布 钢轨接触区塑性应变分布当钢轨塑性应变达到一定程度时，也有可能诱发钢轨相变，形成钢轨擦伤。图为在 的滚动速度制动时钢轨接触区有效塑性应变分布。从图（）中可以看出：在时刻下，长轴测点各位置有效塑性应变沿轴方向逐渐减小，最大有效塑性应变为 ，出现在接触区后沿 处，在时刻，轮轨相互作用产生的有效塑性应变只能影响到此接触区位置的后沿，在时刻整个接触区的有效塑性应变开始累积且在接触区后沿达到最大，在时刻接触区前沿有效塑性应变累积到最大，表明轮轨产生的有效塑性应变不是一个瞬时过程，在车轮经过此接触区过程中呈现逐渐累积的过程。从图（）中可以看出：在时刻下，短轴测点各位置有效塑性应变沿轴方向先增大后减小，在 处有效塑性应变达到最大值 ，在时刻（车轮未通过该断面）该短轴位置上没有产生塑性应变，在时刻该短轴位置上有效塑性应变继续累积。钢轨接触区温度分布图为在 的滚动速度制动时钢轨踏面接触区温度场分布，可以看出：不同时刻钢轨踏面温度分布均以长轴测点所在位置为对称轴，大致交通运输工程学报 年图钢轨接触区温度分布 呈对称分布，温度沿轴方向逐渐减小，沿轴方向先增大后减小，时刻温度的影响范围逐渐由钢轨接触区后沿扩展到前沿，时刻钢轨踏面最高温度出现在钢轨接触区后沿（），为 。图为时刻钢轨踏面最高温度节点的温度随时间的变化，可以看出：车轮通过后，钢轨踏面最高温度从到时刻呈逐渐下降的趋势，此时钢轨踏面温度下降仅取决于钢轨内部热量传导及其与外界热图时刻钢轨踏面最高温度节点的温度变化 交换形成的热量损失。不同因素对钢轨擦伤形成的影响针对钢轨擦伤形成机制，主要有热作用相变机制、塑性变形机制和力热耦合作用机制。力热耦合作用机制能够综合考虑轮轨高接触应力和摩擦温升种因素，因此，本文采用力热耦合作用机制揭示列车轴重、钢轨踏面状态、列车牵引和制动等不同图相变温度与接触压力关系曲线 因素对钢轨擦伤形成的影响。参考 等 对钢轨擦伤形成机理的相关研究成果，不考虑冷却速度的影响，认为钢轨温升达到奥氏体转化温度（相变温度）时则形成钢轨马氏体白蚀层，产生钢轨擦伤。相变温度随接触压力的变化曲线如图所示，利用此关系确定在当前接触压力下钢轨踏面发生相变的临界温度，进而与计算得到的钢轨温升进行比较，从而判断钢轨踏面是否产生马氏体，诱发第期侯博文，等：高速铁路钢轨擦伤形成影响因素钢轨擦伤。列车轴重的影响基于建立的仿真模型，初始温度为 ，摩擦因数为 ，滑滚比为，以速度 沿钢轨方向运行，分析列车轴重分别为、和 时钢轨最大温升与最大接触压力，结果见图，可以看出：钢轨最大接触压力随列车轴重的增大而增大，一方面列车轴重的增加使得钢轨的机械压力增大，另一方面轴重的增加使钢轨温升更高，从而增大了热应力；当列车轴重分别为、和 时，对应的钢轨最大接触压力分别为 、和 ，此时钢轨发生相变，最终形成马氏体白蚀层的临界温度分别约为 、和 ；钢轨最大温升随列车轴重的增大而增大，在轴重分别为、和 时，钢轨踏面的最高温度分别为 、和 ，轴重对钢轨温升的影响不明显，由力热耦合作用机制可知，并未达到产生钢轨马氏体白蚀层的临界温度条件。图 列车轴重对钢轨力热特性的影响 图 摩擦因数对钢轨力热特性的影响 钢轨踏面状态的影响当钢轨踏面存在水、油或油水混合物时，其摩擦因数会发生显著变化，基于建立的仿真模型，初始温度为，列车轴重为，滑滚比为 ，以速度 沿钢轨方向运行，分析了摩擦因数分别为 、和 时钢轨最大温升和最大接触压力，结果见图，可以看出：钢轨最大接触压力随摩擦因数的增大而增大，在列车轴重不变的条件下，钢轨最大接触压力的差异主要来自于热应力；当摩擦因数分别为 、和 时，对应的钢轨最大接触压力分别为 、和 ，此时钢轨发生相变，最终形成马氏体白蚀层的临界温度分别约为 、和 ；钢轨最大温升随摩擦因数的增大而增大，在摩擦因数分别为 、交通运输工程学报 年 和 时，钢轨踏面的最高温度分别为 、和 ，轮轨摩擦因数对钢轨温度场的影响较为明显，但在此条件下并未达到产生钢轨马氏体白蚀层的临界温度条件。列车牵引与制动状态的影响基于建立的仿真模型，初始温度为，摩擦因数为 ，初速度为 ，在垂向荷载 的作用下，分析了制动与牵引滑滚比分别为、和 时钢轨踏面最大温升以及最大接触压力，结果分别见图、，可以看出：无论牵引还是制动状态，钢轨踏面最大接触压力和最高温度均随滑滚比的增大而增大，在制动状态下，当滑滚比分别为、和 时，对应的钢轨最大接触压力分别为 、和 ，最高温度分别为 、和 ，此时钢轨发生相变，最终形成马氏体白蚀层的临界温度分别约为 、和 ，在滑滚比为 时钢轨温度超过相变温度，钢轨踏面产生马氏体白蚀层；在牵引状态下，当滑滚比分别为、和 时，对应的钢轨最大接触压力分别为 、和 ，最高温度分别为 、和 ，此时钢轨发生相变最终形成马氏体白蚀层的临界温度分别约为 、和 ，在滑滚比为 时钢轨温度超过相变温度，引起钢轨踏面形成马氏体白蚀层，进而诱发擦伤，其中牵引状态下最大温升大于制动状态，这是由于列车以相同速度向前运动，虽然滑滚比相同，但轮轨间接触关系不同，导致牵引状态下轮轨间相对滑动速度比制动状态更大。图 制动对钢轨力热特性的影响 图 牵引对钢轨力热特性的影响 第期侯博文，等：高速铁路钢轨擦伤形成影响因素结语（）本文计算工况考虑了钢轨材料的塑性特性和温度特性，钢轨接触压力呈近椭球分布，与理想状态下基于经典赫兹接触计算所得的标准椭球状分布有一定区别。钢轨最大接触压力为 ，基本 仍 位 于 接 触 区 正 中 心，接 触 区 长 轴 长 约 为，短轴长约为；考虑材料热弹塑性特性后，轮轨间的接触应力受前一时刻钢轨内部残余应力和热应力的影响，相较于仅考虑轮轨接触作用下的接触应力有所增大，车轮经过后钢轨内部会存在部分残余热应力和机械应力。（）在本文计算工况下，车轮经过钢轨接触区正上方时钢轨有效塑性应变沿轴方向逐渐减小，在接触区后沿有效塑性应变最大，为 ，接触区后沿受到的影响明显；在轴方向上有效塑性应变呈中间大，两侧小，最大值出现在接触区中心处，为 ；车轮经过钢轨接触区正上方时，钢轨踏面温度大致呈对称分布，温度沿轴方向逐渐减小，沿轴方向先增大后减小，车轮经过钢轨接触区前后温度的影响范围逐渐由接触区后沿扩展到前沿，钢轨最大温升为 ，出现在车轮经过该典型断面时，位于接触区后沿。（）随着列车轴重从 增大至，钢轨最大温升由 增大至 ；钢轨踏面摩擦因数由 增大至 ，钢轨最大温升由 增大至 ；滑滚比由 增大至 时，车轮制动和牵引引起的钢轨最大温升分别由 和 增大至 和 ，相同滑滚比条件下，牵引引起的钢轨踏面温升大于制动引起的钢轨踏面温升，牵引工况更加不利。（）在本文计算条件下，当滑滚比增大至 时，制动状态下钢轨踏面最高温度为 ，牵引状态下钢轨踏面最高温度为 ，钢轨最大温升均超过相变温度，导致钢轨踏面产生马氏体白蚀层，进而形成钢轨踏面擦伤。滑滚比是引起钢轨擦伤的关键性因素，可通过控制车轮滑滚比有效预防钢轨擦伤。（）后续可基于室内试验再现钢轨擦伤的形成机理与过程，条件允许时还可在现场对典型工点展开相关测试。参 考 文 献：张博，刘秀波基于机器视觉的圆斑状钢轨擦伤检测算法铁道建筑，（）：，（）：（）常崇义，蔡园武 李兰，等高速轮轨黏着机理的研究进展及其应用中国铁路，（）：，（）：（）魏堂建，刘林芽，李纪阳，等客运专线钢轨擦伤原因分析铁道科学与工程学报，（）：，（）：（）翟婉明，赵春发现代轨道交通工程科技前沿与挑战西南交通大学学报，（）：，（）：（）李闯，张银花，田常海，等高速铁路钢轨服役状态及病害整治研究 铁道建筑，（）：，（）：，（），：，：，：，：，：，：董永刚，仪帅，黄鑫磊，等重载列车紧急制动过程车轮踏交通运输工程学报 年面疲劳裂纹萌生寿命预测中国铁道科学，（）：，（）：（），：，：，：，：，：，：，：伏培林，丁立，赵吉中，等考虑材料温度相关性的二维轮轨弹塑性滑动接触温升分析力学学报，（）：，（）：（）刘洋，蒋硕，吴亚平，等剥离掉块对轮轨滑动接触热弹塑性的影响交通运输工程学报，（）：，（）：（）杨新文，顾少杰，周顺华，等 轴重重载铁路轮轨滑动接触引起的钢轨热相变分析铁道学报，（）：，（）：（）王伟，王彩芸，郭俊，等滚滑工况下轮轨摩擦生热分析机械设计与制造，（）：，（）：（）文永蓬，徐小峻，尚慧琳，等 考虑热力耦合的轨道车辆车轮建模与仿真交通运输工程学报，（）：，（）：（）王平，刘奕斌，高原，等表面选区强化对钢轨波磨处轮轨滚动接触行为的影响 铁道学报，（）：，（）：（）马超智，辛涛，高亮，等 基于改进摩擦功模型的轮轨滚动接触磨耗研究铁道学报，（）：，（）：（）连青林钢轨马氏体白蚀层相变及疲劳特性研究北京：北京交通大学，：，（），：沈明学，刘鹏，周琰，等 轮轨界面摩擦学转变结构层特性及其研究进展摩擦学学报，（）：，（）：（），：张军，王雪萍，马贺第三介质对轮轨最大静摩擦因数影响的试验机械工程学报，（）：，（）：（）