中等强度沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损与损伤影响_舒康.pdf

第 59 卷第 9 期 2023 年 5 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.59 No.9 May 2023 DOI：10.3901/JME.2023.09.186 中等强度沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损 与损伤影响*舒 康 丁昊昊 林 强 王文健 郭 俊 刘启跃(西南交通交通大学摩擦学研究所 成都 610031)摘要：为研究戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损和损伤的影响，采用风沙环境双盘滚动接触疲劳试验机对四种不同硬度的珠光体钢轨材料进行了轮轨滚动试验。结果表明，戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下，随着钢轨硬度增加，平均黏着系数均无显著变化，车轮磨损率均先减小后增加，但钢轨磨损率在戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下分别呈下降和上升趋势；这两种中等强度沙尘暴环境下，车轮的磨损机制主要为氧化磨损和疲劳磨损，且车轮氧化磨损随着钢轨硬度的增加而逐渐加剧，而钢轨的磨损机制主要为疲劳磨损；随着钢轨硬度的增加，这两种中等强度沙尘暴环境下，钢轨剖面裂纹深度总体均呈下降的趋势，表明钢轨的疲劳损伤随着钢轨硬度的增加而逐渐减轻；由于疲劳损伤对轮轨运行安全的影响比磨损更大，综合考虑钢轨材料的抗滚动磨损性能和抗滚动接触疲劳性能可以得出，高硬度的热处理钢轨更适合用于中等强度沙尘暴环境。关键词：钢轨硬度；沙尘暴；氧化；磨损；疲劳损伤 中图分类号：TH117 Effect of Rail Hardness on Wheel-rail Rolling Wear and Damage under the Moderate Sandstorm Environment SHU Kang DING Haohao LIN Qiang WANG Wenjian GUO Jun LIU Qiyue(Tribology Research Institute,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031)Abstract：In order to investigate the effect of rail hardness on rolling wear and damage of wheel and rail in the Gobi and desert moderate sandstorm environments,four types of pearlitic rail steels with different hardness are tested by a twin-disc rolling contact fatigue testing machine equipped with the windblown sand environment simulation device.The results show that in the Gobi and desert moderate sandstorm environments,with the increase in the rail hardness,there is no significant change in the average adhesion.The wear rate of wheel first decreases and then increases,whereas the wear rates of the rail in the Gobi and desert moderate sandstorm environments show a downward trend and an upward trend,respectively.In these two types of moderate sandstorm environments,the wear mechanisms of the wheel are mainly oxidative wear and fatigue wear,and the oxidative wear gradually aggravates as the rail hardness increases.The wear mechanism of the rail is mainly fatigue wear.As the rail hardness increases,the crack depth in the rail subsurface presents an overall decreasing trend in these two moderate sandstorm environments,which indicates the fatigue damage of rail gradually alleviates with the increase in rail hardness.Due to the more significant effect of fatigue damage than wear on the operation safety of wheel-rail,it can be concluded that the heat-treated rail material with high hardness is more suitable for moderate sandstorm environment by comprehensively considering the anti-rolling wear performance and anti-rolling contact fatigue performance of the rail materials.Key words：rail hardness；sandstorm；oxidation；wear；fatigue damage 国家自然科学基金(51975489)、牵引动力国家重点实验室自主研究课题(2020TPL-T10)和中央高校基本科研业务费科技创新(2682022CX009)资助项目。20220602 收到初稿，20221116 收到修改稿 月 2023 年 5 月 舒 康等：中等强度沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损与损伤影响 187 0 前言 目前在我国西北部、华北北部以及东北西部有许多穿越戈壁或沙漠地区的铁路，其累计里程已超过了 15 000 km1。在这些戈壁或沙漠地区，当每年春季气温回升时，冰雪融化导致地表裸露，同时由于春季干燥少雨，风大沙多，容易导致沙尘暴的形成。此外，铁路还是一个开放的系统，因此处于这些地区的铁路设施不可避免地遭受到风沙的危害，如道床积沙造成拱道2、沙尘进入车辆制动部件引起制动不良3、钢轨及其联结零件受到磨损4-6和锈蚀、高速列车受到风沙冲蚀7-8、降低高速列车运行的安全性和舒适性9等。同时轮轨作为铁路运输中的关键零部件，轮轨材料的磨损和损伤行为对列车的运行安全有着至关重要的影响。铁路中最常用的轮轨材料是珠光体钢，因其具有优异的力学性能、耐磨性和抗疲劳性 能10-14。硬度作为轮轨材料最重要的力学性能之一，有很多研究专注于不同硬度的轮轨材料的滚动磨损和损伤行为。一般地，在干态环境下，增加轮轨摩擦副中一方的硬度会降低其自身的磨损率，因为较硬的珠光体钢具有较薄的片层渗碳体，导致其能够承受更大的弯曲或塑性变形14，但是其对摩副的磨损可能会出现不同变化趋势，如磨损加剧15-21、无明显变化22，甚至磨损减轻23-24等。然而，产生这些不同变化趋势的原因也是很多的，如钢轨与车轮硬度比的范围25-27、轮轨材料的加工硬化能力和循环次数22、接触应力、牵引或制动工况以及运行速度等。随着轮轨材料硬度的变化，虽然轮轨的磨损有不同的变化趋势，但其主要的磨损机制均是疲劳磨损。另一方面，随着硬度的增加，其自身的疲劳损伤会减轻11,12,19,25,28-32，而其对摩副的疲劳损伤也可能会出现不同的变化趋势，如损伤加重19、无明显变化25、甚至损伤减轻18等，同样地，其疲劳损伤随硬度的变化规律也会受到接触应力、牵引或制动工况以及运行速度等参数的影响33。以上所述的轮轨材料硬度对轮轨滚动磨损和损伤的影响均是在干态试验下得到的。然而目前沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损与损伤的影响还不清楚。因此本文通过模拟戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境，采用沙尘暴滚动接触疲劳试验机对四种不同硬度的珠光体钢轨材料进行了轮轨滚动试验，分析了中等强度沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损与损伤的影响，其研究成果对中等强度沙尘暴环境下钢轨材料的选用具有一定的指导意义。1 试验方法及材料 1.1 试验方法 采用自主设计的风沙环境滚动接触疲劳试验机对车轮和钢轨试样进行滚动接触疲劳试验，如图 1所示。试验机主要由两大部分组成，即双盘滚动接触疲劳试验机34-35和风沙环境模拟装置。滚动接触疲劳试验机的上下两轴分别由不同的伺服电机驱动，在本试验中，车轮试样安装在上轴(主轴)上，钢轨试样安装在下轴(陪轴)上，通过控制两轴的转速可以控制蠕滑率；通过液压加载系统从下轴向上施加轮轨间的垂向载荷。风沙环境模拟装置主要由风机、沙粒进给系统、风沙环境室、风管等组成。整个试验机可以控制的试验参数有试样转速、蠕滑率、试验力(接触压力)、循环次数(转数)、风速、输沙率36(单位时间内通过单位截面沙粒的质量，mgcm2s1)等。可以通过计算机软件实时采集扭矩、试验力、蠕滑率等信息。图 1 风沙环境滚动接触疲劳试验机 试验前后对轮轨试样先采用酒精进行超声波清洗、然后干燥并进行称重，通过计算试验前后试样的质量差得到磨损量，然后除以试样滚动的距离，从而得到磨损率(gm1)。试验后，采用 KEYENCE VHX-6000 超景深显微镜(光学显微镜，OM)对轮轨表面损伤进行观察，然后在轮轨试样上沿圆周方向等间距切下 3 个长 10 mm 的试样，然后将其沿滚动方向对称切开得到剖面分析试样，再对剖面试样用 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 188 砂纸进行打磨，并用金刚石研磨膏进行抛光，最后用 4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，然后采用 Phenom Pro-SE 扫描电子显微镜(SEM)对剖面损伤进行观察，并对裂纹的尺寸进行测量统计。另外还采用MVK-H21 显微维氏硬度计对试验前后轮轨试样的硬度进行测量，采用能谱仪(EDS)对磨损表面的元素进行了分析。1.2 试验材料及参数 本试验中用到的轮轨材料如表 1 所示，采用四种不同硬度的钢轨材料与相同的车轮材料(CL65)进行滚动接触疲劳试验。四种钢轨材料分别为热轧U75V(U75V)，热处理 U75V(U75VH)，热处理U78CrV(U78CrVH)，以及一种热处理过共析钢轨材料(HTH)4。所有的轮轨材料均属于片层状珠光体钢，其微观组织如图 2 所示，钢轨材料的硬度随着其珠光体片层间距的减小而增加(见表 1)。车轮和钢轨试样分别取自于车轮踏面和钢轨轨头，其取样示意图和试样具体尺寸如图 3 所示。表 1 轮轨材料及试验参数 牌号 化学组成(质量分数%)硬度 Hr/HV0.5 珠光体片层间距/nm C Si Mn 车轮 CL65 0.570.67 1.00 1.20 3389 1439 钢轨 U75V 0.710.80 0.500.80 0.751.05 3168 25014 U75VH 0.710.80 0.500.80 0.751.05 37113 12111 U78CrVH 0.720.82 0.500.80 0.701.05 38711 10812 HTH 0.910.95 0.470.51 0.940.99 4099 9910 系列 试验工况 钢轨 车轮 1 戈壁中等强度沙尘暴环境 U75V，U75VH，U78CrVH，HTH CL65 2 沙漠中等强度沙尘暴环境 图 2 轮轨材料微观组织 试验中模拟了戈壁和沙漠两种中等强度沙尘暴环境，用到的戈壁沙取自于南疆铁路沿线附近(阿克苏地区)，沙漠沙取自于兰新铁路沿线附近(民勤沙漠)，两种沙粒的形貌分别如图 4a 和 4b 所示。两种沙粒粒径分布均近似正态分布，如图 4c 所示，戈壁沙粒径分布范围为 201 700 m，平均粒径约270 m，而沙漠沙粒径分布范围为 2300 m，平均粒径约为 36 m。分别对四种钢轨材料进行了戈壁沙尘暴和沙漠沙尘暴的轮轨滚动接触疲劳试验(见表 1)，所有试验均在室温下进行，车轮试样转速为 470 rmin1，总循环次数为 40 000 转，蠕滑率为1%(模拟牵引工况，车轮试样的转速高于钢轨试样)、最大赫兹接触应力为 1 100 MPa，其中蠕滑率的计算如下式。月 2023 年 5 月 舒 康等：中等强度沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损与损伤影响 189 图 3 轮轨试样取样示意图及尺寸 图 4 沙粒形貌及粒径分布 w wr rw w100%rrr=蠕滑率 式中 w车轮试样转速；r钢轨试样转速；rw车轮试样半径；rr钢轨试样半径。基于戈壁和沙漠地区风沙环境特征37-40，主要考虑中等强度沙尘暴环境(风力 68 级，对应风速10.820.7 m/s)对轮轨滚动磨损和损伤行为的影响，同时，一般情况下钢轨所处的位置距离地表的高度为 1 m 左右，从风速廓线的规律可知，靠近地表的风速会明显低于 10 m 高度的风速(风力等级表是根据平地上离地 10 米处风速值大小制定的)，因此选取了一个合理的靠近地表的风速(13 m/s)作为本试验中模拟的风速。另外，综合考虑靠近地表的风速、极端的地表完全被沙粒覆盖的下垫面特征、沙尘暴持续时间等多种因素，选取了大小为 0.8 mgcm2s1的输沙率作为本试验中模拟中等沙尘暴环境的参数，每组试验至少重复两次。2 试验结果与分析 2.1 黏着系数 对试验机上计算机软件输出的摩擦系数进行求均值得到各种工况下的平均黏着系数，如图5 所示。可知，随着钢轨硬度的增加，在中等强度沙尘暴环境下平均黏着系数保持相对稳定，而在沙漠中等强度沙尘暴环境下平均黏着系数总体呈轻微下降的趋势，其值略高于戈壁中等强度沙尘暴环境下。总体上看，在两种沙尘暴下，随着钢轨硬度的增加，黏着系数始终保持在0.30.4 之间，无显著变化。因此可知钢轨硬度对轮轨黏着系数无明显影响，这与其他研究16,19-20,23,29中的结果保持一致。这可能是因为现有轮轨材料的硬度差异还不足以引起黏着系数的明显变化。图 5 平均黏着系数 2.2 磨损率 图 6 显示了车轮磨损率、钢轨磨损率及轮轨总磨损率与钢轨硬度的关系。从图 6a 可知，随着钢轨硬度的增加，两种中等强度沙尘暴环境下车轮磨损率均呈先减小后增加的趋势，另外戈壁中等强度沙尘暴环境下的车轮磨损率低于沙漠中等强度沙尘暴环境。图 6b 表明，随着钢轨硬度的增加，在戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下钢轨磨损率总体分别呈下降和上升趋势，但变化不是很显著，同时戈壁中等强度沙尘暴环境下的钢轨磨损率低于沙漠中等强度沙尘暴环境。另外对比 U75V 和 U75VH 钢轨的 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 190 磨损率可得，热处理提高了 U75V 钢轨的硬度，同时也提高了其抗滚动磨损性能。从图 6c 可以看出，随着钢轨硬度的增加，在戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下轮轨的总磨损率均是先下降后上升。图 6 磨损率与钢轨硬度的关系 2.3 表面硬度及硬化层深度 图 7a 显示试验后轮轨剖面硬度随距表面深度变化的规律(即剖面硬度轮廓)。随着距表面深度的增加，剖面硬度先是急剧下降再缓慢下降最后保持相对稳定，从表面到硬度开始保持相对稳定的深度即是硬化层深度，通过如图 7a 的测量结果可以得到距离轮轨表面 30 m 处的硬度(图 7b)和轮轨表面硬化层深度(图 7c)。由于磨损后的轮轨表面比较粗糙且车轮表面出现了明显的氧化，以致无法准确测得磨损后轮轨表面的硬度，因此以距离表面 30 m 处的硬度来比较试验后轮轨表面硬度，如图 7b 所示，可以看出，随着钢轨硬度的增加，两种中等强度沙尘暴环境下车轮和钢轨的表面硬度均保持相对稳定，车轮表面硬度低于钢轨表面硬度。图 7 试验后轮轨表面硬度和硬化层深度 从图 7c 可以看出，随着钢轨硬度的增加，在戈壁中等强度沙尘暴环境下车轮硬化层深度总体呈上升趋势，而在沙漠中等强度沙尘暴环境下，车轮硬化层深度呈先下降后上升的趋势。另外还可以得出，当钢轨硬度 Hr371 HV0.5(即三种热处理钢轨)，两种中等强度沙尘暴环境下车轮硬化层深度随着钢轨硬度的增加表现出相同的变化趋势(增加趋势)。而在两种中等强度沙尘暴环境下，钢轨硬化层深度随着钢轨硬度的增加均呈线性下降的趋势，并且戈壁中等强度沙尘暴环境下车轮和钢轨的硬化层深度均大于沙漠中等强度沙尘暴环境。总体上看，当钢轨硬度增加时其自身的硬化层深度减小，而与其对磨月 2023 年 5 月 舒 康等：中等强度沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损与损伤影响 191 的车轮的硬化层深度呈增加趋势，这主要是因为随着钢轨硬度的增加，钢轨抵抗塑性变形的能力逐渐增强，导致其自身的硬化层深度降低，同时也使得与其对磨的车轮的硬化层深度得到了增加。另外对比图7b 和 7c 可得，随着钢轨硬度的增加，车轮表面硬度保持相对稳定，而车轮硬化层深度却出现了上升趋势，这表明钢轨硬度的增加可以增加对磨副车轮的硬化层深度，但对车轮的表面硬度无明显影响，还可以得出车轮表面硬度与其硬化层深度之间无明显联系。2.4 表面损伤 图 8 和图 9 分别为不同工况下车轮和钢轨表面的 OM 损伤形貌。从图 8 可以看出，随着钢轨硬度的增加，两种中等强度沙尘暴环境下车轮表面氧化逐渐加重，且戈壁中等强度沙尘暴环境下车轮氧化程度比沙漠中等强度沙尘暴环境下更为严重。从图 9可以看出，随着钢轨硬度的增加，两种中等强度沙尘暴环境下钢轨表面损伤无明显的差异，仅零星地分布了一些点状氧化物和不太明显的压痕坑，在戈壁中等强度沙尘暴环境下更为明显，这主要是戈壁沙的粒径显著大于沙漠沙的粒径，导致形成的压痕坑更大并且更容易辨认。图 8 车轮表面的 OM 损伤形貌，其中 Hr表示钢轨硬度 图 9 钢轨表面的 OM 损伤形貌，其中 Hr表示钢轨硬度 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 192 由于中等强度沙尘暴环境下车轮表面氧化较为明显(图 8)，同时表面还应残留有沙粒，为进一步明确车轮损伤表面的元素分布，因此对车轮损伤表面采用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)进行了分析，如 图 10 所示，可以看出，铁元素主要分布在非氧化区，氧元素主要分布在氧化区域，同时硅元素的分布区域和氧元素的分布区域非常相似，但是硅元素的分布非常不均匀，这主要是因为当沙粒进入轮轨界面受到挤压时一些沙粒或其碎片嵌入到了氧化层中，同时，氧化层因受到沙粒挤压时产生的高接触应力而发生断裂，部分断裂的氧化层在风力的作用下迅速脱离车轮表面，从而暴露了新的未发生氧化的表面，即图中铁元素集中分布的区域。此外在 SEM 图片中还可以发现一些浅犁沟，这主要是由沙粒或其碎片或破碎的氧化物颗粒的微犁耕造成的，也即是磨粒磨损现象。图 10 车轮损伤表面 EDS 分析 2.5 剖面损伤 图11为不同工况下车轮剖面的SEM损伤形貌，可知两种中等强度沙尘暴环境下，车轮剖面损伤特征主要以氧化层和表面裂纹为主，同时氧化层还出 图 11 车轮剖面的 SEM 损伤形貌 月 2023 年 5 月 舒 康等：中等强度沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损与损伤影响 193 现了明显的断裂。为了进一步分析中等强度沙尘暴环境下车轮表面氧化层厚度与钢轨硬度之间的关系，利用扫描电镜对车轮表面氧化层的厚度进行了测量，其结果如图 12 所示，可知这些氧化层较薄，仅有几微米厚，并且随着钢轨硬度的增加，两种中等强度沙尘暴环境下车轮表面氧化层厚度均呈逐渐 图 12 车轮表面氧化层厚度随钢轨硬度变化 增加的趋势。此外，戈壁中等强度沙尘暴环境下的车轮氧化层厚度始终明显高于沙漠中等强度沙尘暴环境，这也是戈壁中等强度沙尘暴环境下轮轨磨损率低于沙漠中等强度沙尘暴环境的一个重要原因。图13为不同工况下钢轨剖面的SEM损伤形貌，可知在两种中等强度沙尘暴环境下，钢轨剖面损伤主要以表面裂纹为主，同时也有出现次表面裂纹(图 13b 和 13e)。为了更为准确地分析轮轨剖面裂纹与钢轨硬度之间的关系，对轮轨剖面裂纹的尖端开口角度、裂纹长度、裂纹深度进行了测量，并求其平均值，得到了轮轨剖面裂纹与钢轨硬度之间的关系，如图 14所示。从图 14a 可以看出，随着钢轨硬度的增加，两种中等强度沙尘暴环境下车轮裂纹角度保持相对稳定且较为接近，在 1015范围内波动。戈壁中等强度沙尘暴环境下钢轨裂纹角度先增加后下降，而沙漠中等强度沙尘暴环境下钢轨裂纹角度几乎保 图 13 钢轨剖面的 SEM 损伤形貌 图 14 裂纹尺寸 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 194 持不变，与表面平行(0)。另外还可看出车轮裂纹角度明显大于钢轨。从图 14b 可以看出，随着钢轨硬度的增加，两种中等强度沙尘暴环境下车轮裂纹长度保持相对稳定，而戈壁中等强度沙尘暴环境下钢轨裂纹长度呈先下降后保持相对稳定的趋势，沙漠中等强度沙尘暴环境下钢轨裂纹长度呈下降趋势。从图 14c 可以看出，随着钢轨硬度的增加，戈壁中等强度沙尘暴环境下车轮裂纹深度先轻微上升再下降，而沙漠中等强度沙尘暴环境下车轮裂纹深度保持相对稳定。两种中等强度沙尘暴环境下钢轨裂纹深度总体均呈下降趋势。另外还可以看出，车轮平均裂纹深度高于钢轨。3 讨论 3.1 磨损与微观组织、力学性能之间的关系 结合前面的磨损率和损伤分析，可以归纳出两种中等强度沙尘暴环境下车轮和钢轨的磨损机制。两种中等强度沙尘暴环境下车轮的主要磨损机制为氧化磨损和疲劳磨损，并且随着钢轨硬度的增加，车轮氧化磨损逐渐加重。因为氧化层的存在会阻碍接触力传递到材料基体42，从而减轻因棘轮效应导致的疲劳磨损，因此氧化磨损的增加会减轻疲劳磨损，也即是氧化磨损和疲劳磨损之间形成了竞争机制。在钢轨硬度较低时，车轮表面以疲劳磨损为主，导致了车轮有较高的磨损率，然后随着钢轨硬度的增加，车轮氧化磨损加重，疲劳磨损减轻，因此车轮磨损率有所下降，随着钢轨硬度的继续增加，氧化磨损变得非常严重，从而导致车轮磨损率出现增加的趋势，如图 6a 所示。而两种中等强度沙尘暴环境下钢轨的主要磨损机制为疲劳磨损。一般来说随着硬度的增加，材料的疲劳磨损会降低，但在本文中，钢轨的疲劳磨损随着钢轨硬度的增加出现了不同的变化趋势，在戈壁中等强度沙尘暴环境下钢轨疲劳磨损总体呈下降趋势，而在沙漠中等强度沙尘暴环境下总体呈上升趋势(图 6b)。这可能是由于车轮氧化磨损的出现在一定程度上改变了钢轨硬度与其磨损之间的关系，这有待于进行更深入的研究。另外，轮轨表面还有轻微的磨粒磨损(图 10)，这主要是因为在轮轨界面形成的沙粒碎片或磨屑大部分会被强风吹走，只有少部分粒子会嵌入到轮轨表面，从而形成轻微的磨粒磨损。从以前的研究13,43-44可以发现，低接触应力下的滚动接触试验可以使得试样表面出现摩擦氧化现象，而在本文的两种中等强度沙尘暴环境下也出现了摩擦氧化现象，并且随着钢轨硬度的增加，车轮表面氧化现象逐渐加重。这主要是因为当沙粒进入轮轨界面后，导致沙粒周围的轮轨实际接触区域的接触应力减小45，从而导致在轮轨界面形成摩擦氧化现象，并且较硬的片层珠光体钢轨具有较薄的片层渗碳体(图 2)，导致其能够承受更大的弯曲或塑性变形14，如图 7c 中所示，钢轨硬度越高，塑性变形层深度越小，进而使得轮轨之间的摩擦功更多地转换为摩擦热，最终导致钢轨硬度越高，车轮摩擦氧化现象越严重。3.2 中等强度沙尘暴环境下钢轨材料选型 一般地，评价或优选轮轨材料主要基于材料的抗滚动磨损性能和抗滚动接触疲劳性能46，同时在本文中主要研究钢轨材料的选型，由于在轮轨服役过程中，车轮的磨损和损伤问题主要是通过在维修车间进行更换或镟修来解决，但钢轨的磨损和损伤问题的主要是通过在现场进行更换来解决，而更换钢轨不仅难度大，而且成本也非常高昂，另外在本文中虽然随着钢轨硬度增加车轮的磨损先减少再增加，但是车轮裂纹深度保持相对稳定。因此在进行中等强度沙尘暴环境下钢轨材料的选型时，主要综合比较不同钢轨材料在中等强度沙尘暴环境下的抗滚动磨损性能和抗滚动接触疲劳性能。抗滚动磨损性能主要通过磨损率来评估，磨损率越高，其抗滚动磨损性能越差。但是目前没有形成统一的关于材料的抗滚动接触疲劳性能评价指标，目前材料的抗滚动接触疲劳性能评价指标主要有三种，即滚动接触疲劳失效寿命47、滚动接触疲劳裂纹萌生所需要的循环次数11以及最大裂纹深度48。由于最大裂纹深度具有一定的随机性，因此本文以平均裂纹深度来评价钢轨材料的抗滚动接触疲劳性能(图14c)，随着钢轨硬度的增加，两种中等强度沙尘暴环境下钢轨剖面裂纹深度总体呈明显下降的趋势，这也表明硬度较高的钢轨材料具有更好抗滚动接触疲劳性能。另外对比 U75V 和 U75VH 钢轨可得，热处理提高了 U75V 钢轨的硬度，同时也提高了其抗滚动接触疲劳性能。再结合前面钢轨磨损率的结果(图 6b)，由于随着钢轨硬度的增加，两种中等强度沙尘暴环境下的钢轨磨损率虽然出现了不同的变化趋势，但其磨损总体变化不是特别明显，另外相对于疲劳损伤，磨损对轮轨运行安全的影响更小。因此，进行中等强度沙尘暴环境下钢轨材料选型时主要考虑钢轨材料的抗滚动接触疲劳性能，所以可以得出，高硬度的热处理钢轨更适合用于中等强度月 2023 年 5 月 舒 康等：中等强度沙尘暴环境下钢轨硬度对轮轨滚动磨损与损伤影响 195 沙尘暴环境。4 结论(1)结果表明，随着钢轨硬度的增加，戈壁中等强度沙尘暴环境下平均黏着系数保持相对稳定，而沙漠中等强度沙尘暴环境下总体呈轻微下降的趋势，其值略高于戈壁中等强度沙尘暴环境。总体上看，在中等强度沙尘暴环境下，随着钢轨硬度的增加，平均黏着系数无显著变化。(2)随着钢轨硬度的增加，两种中等强度沙尘暴环境下车轮磨损率均呈先减小后增加的趋势，而戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下钢轨磨损率分别呈下降和上升趋势。另外对比 U75V 和 U75VH 钢轨的磨损率可得，热处理提高了 U75V 钢轨的硬度，同时也提高了其抗滚动磨损性能。(3)两种中等强度沙尘暴环境下车轮的主要磨损机制为氧化磨损和疲劳磨损，并且随着钢轨硬度的增加，车轮氧化磨损逐渐加重；钢轨的主要磨损机制为疲劳磨损。(4)随着钢轨硬度的增加，两种中等强度沙尘暴环境下钢轨剖面裂纹深度总体呈下降的趋势，这也表明硬度较高的钢轨材料具有更好抗滚动接触疲劳性能。对比 U75V 和 U75VH 钢轨可得，热处理可以提高 U75V 钢轨的抗滚动接触疲劳性能。(5)戈壁和沙漠中等强度沙尘暴环境下的钢轨磨损率虽然出现了不同的变化趋势，但其磨损变化不是很显著，同时相较于疲劳损伤，磨损对轮轨运行安全的影响更小，因此进行中等强度沙尘暴环境下钢轨材料的选型时主要考虑钢轨的抗滚动接触疲劳性能。可以得出，高硬度的热处理钢轨更适合用于中等强度沙尘暴环境。参 考 文 献 1 张克存，屈建军，鱼燕萍，等.中国铁路风沙防治的研究进展J.地球科学进展，2019，34(6)：573-583.ZHANG Kecun，QU Jianjun，YU Yanping，et al.Progress of research on wind-blown sand prevention and control of railways in ChinaJ.Advances 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