钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响研究.pdf

第45卷第8 期2023年8 月铁道学报JOURNALOFTHECHINARAILWAY SOCIETYVol.45No.8August2023文章编号：10 0 1-8 36 0(2 0 2 3)0 8-0 110-0 8钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响研究刘永乾1，任尊松，吴潇，王军平（1.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京10 0 0 44；2.中铁物总运维科技有限公司，北京10 0 0 36）摘要：为研究钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响，基于国内某重载铁路小半径曲线和运行车辆建立实参数轨道-车辆多体动力学仿真模型，对钢轨打磨前后轮轨接触几何关系、轮轨接触应力和轮轨蠕滑力进行分析，现场测试打磨前后车辆通过该曲线的轮轨力，结合Burstow钢轨损伤函数模型对该曲线轨面裂纹萌生寿命进行分析。结果表明：钢轨打磨后，轮轨接触点集中问题得到缓解，轮轨接触应力、轮轨蠕滑力减小和轨面裂纹法向分力减小，实测轮轨力减小，相同载荷下对应的载荷循环数增大。各项指标较打磨前更有利于抑制钢轨滚动接触疲劳的萌生及扩展，轨面裂纹萌生寿命明显延长。打磨后3.5个月轨面裂纹未见明显发展，仿真计算结果与实际情况吻合良好。关键词：钢轨打磨；滚动接触疲劳；轮轨关系；损伤函数；裂纹萌生寿命中图分类号：U216.8Influence of Rail Grinding on Rolling Contact Fatigue of Rail on(1.School of Mechanical,Electronic and Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;2.China Railway Materials Operation and Maintenance Technology Co.,Ltd.,Beijing 100036,China)Abstract:In order to study the influence of rail grinding on the rolling contact fatigue of rail on small radius curve,amulti-body dynamic simulation model of rail-vehicle with real parameters was established based on the small radius curveand the running vehicles of a heavy-haul railway in China,to analyze the wheel-rail contact geometric relationship,wheel-rail contact stress and wheel-rail creep force before and after the rail grinding.The wheel-rail force of the vehiclepassing through the small radius curve before and after grinding was tested in the field,followed by an analysis of thecrack initiation life of the rail with the Burstow rail damage function model.The results show that with the alleviation ofproblem of wheel-rail contact points centralization,the wheel-rail contact stress and creep force,the normal componentof force of rail surface crack and the measured wheel-rail force are reduced,while the corresponding load cycle numberincreases under the same load.Compared with those before grinding,these indexes are more conducive to inhibiting theinitiation and propagation of rail rolling contact fatigue,and the initiation life of rail crack is significantly prolonged.Noobvious development of rail surface crack is found 3.5 months after grinding,which shows good consistency between thesimulation results and the actual situation.Key words:rail grinding;rolling contact fatigue;wheel-rail relationship;damage function;crack initiation life轮轨滚动接触疲劳（RollingContactFatigue，R CF）一直是铁路维护领域的重要难题之一1，随着铁路货运需求的逐年增大，该问题日益凸显。为减缓轮轨滚动接触疲劳问题，国内外学者从多角度进行了大量研收稿日期：2 0 2 2-0 4-0 8；修回日期：2 0 2 2-0 5-31基金项目：国家自然科学基金（117 90 2 8 1）第一作者：刘永乾（1990 一），男，内蒙古赤峰人，博士研究生。E-mail:通信作者：任尊松（196 9一），男，四川南部人，教授，博士。E-mail:zsren 文献标志码：ASmall-radius CurveLIU Yongqian-2,REN Zunsong,WU Xiao,WANG Junpingdoi:10.3969/j.issn.1001-8360.2023.08.012究。肖乾等2 分析了摩擦系数对接触斑内疲劳指数的影响，研究了不同轮轨摩擦系数时踏面损伤分布的特征。刘亮等3 建立裂纹扩展寿命预测模型，分析了轮轨摩擦系数、裂纹倾斜角、钢轨磨耗速率等因素对轨面疲劳裂纹扩展寿命的影响。钟雯等4 基于广深线PD3与U71Mn钢轨疲劳损伤情况研究了轨面疲劳裂纹扩展的特性。Donzella等5 通过建立有限元模型研究了轮轨滚动接触疲劳和磨耗之间的竞争机制，认为第8 期轨面切向应力超过弹性极限时裂纹萌生最快。Bobmer等6 通过研究发现轮轨表面的热-机械耦合作用会影响轮轨材料的弹性极限，降低机械接触应力和摩擦热应力可以减缓轮轨表面剥离掉块。同时，钢轨打磨是去除钢轨滚动接触疲劳的最重要手段。2 0 13年以来，我国铁路系统引进国外先进经验，结合国内线路和车辆的实际情况提出了个性化钢轨廓形设计打磨方法7 ，通过实施钢轨打磨去除钢轨疲劳损伤、改善轮轨关系、减小轮轨蠕滑、减小接触应力、降低钢轨磨耗速率，达到延长钢轨使用寿命的目的8-10 1。而钢轨打磨对钢轨滚动接触疲劳的影响目前尚无相关研究。产生钢轨滚动接触疲劳的主要原因是大蠕滑情况下轨面切向载荷超过材料安定极限，材料发生塑性流动并萌生滚动接触疲劳裂纹【，裂纹在接触载荷的作用下沿材料流动方向朝钢轨内部扩展，当裂纹扩展到轨面以下约2 mm时，法向接触载荷逐渐代替切向载荷，成为裂纹继续扩展的主要推动力12 。裂纹扩展过程中，多条裂纹相互贯通形成剥离掉块13。本文基于国内某重载铁路小半径曲线和运行车辆建立实参数轨道-车辆多体动力学仿真模型，对钢轨打磨前后轮轨接触几何关系、轮轨接触应力和轮轨蠕滑力进行了分析，现场测试打磨前后车辆通过该小半径曲线的轮轨力，结合Burstow钢轨损伤函数模型对该曲线轨面裂纹萌生寿命进行分析，以研究钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响。重载铁路典型小半径曲线打磨前钢轨滚动接触疲劳见图1。511-566+3701R500-02-7020-75-72105-8SH一图1小半径曲线打磨前钢轨滚动接触疲劳1仿真结果分析1.1轨道-车辆动力学仿真模型钢轨滚动接触疲劳的萌生发展主要取决于轮轨接触几何、轮轨蠕滑和轮轨力，为分析钢轨打磨前后相关因素的变化，通过多体动力学软件建立轨道-车辆多体动力学模型，模型中转向架主要部件包括轮对、侧架、轴箱、摇枕等14，运动学拓扑关系和动力学模型见图2。刘永乾等：钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响研究轮对26DOF4L6DOF6DOFTZupPw刚体；一O铰；一约束；一W一弹性元件；阻尼。(a)运动学拓扑关系(b)动力学模型图2 C80货车运动学拓扑关系及动力学模型模型中钢轨廓形采用该重载铁路小半径曲线打磨前后实测钢轨廓形，见图3，打磨前上股钢轨非工作边和下股钢轨两侧存在塑性流动，打磨后廓形得到修复。0-10-20-30(a)上股-40-40-30-20-10钢轨横坐标/mm(a)上股0(b)下股-10u/-20-30-40-40-30-20-10钢轨横坐标/mm(b)下股图3打磨前后曲线上、下股钢轨廓形111车体摇枕16DOF侧架1、2侧架3、46DOFO轮对1摇枕2轮对3轮对46DOF46DOFO16DOFZwPw标准廓形打磨前廓形打磨后廓形010标准廊形打磨前廓形一打磨后廓形010O6DOF203020304040112研究对象为半径为R500m的曲线，全长为6 13m，缓和曲线长为110 m，超高为10 0 mm，车辆通过速度为7 0 km/h，车轮踏面采用实测C80车轮踏面，轨道不平顺采用该线实测轨道不平顺数据。美国V级谱和实测轨道不平顺对比见图4和图5，由图4和图5可知，美国V级谱左右股横向和垂向不平顺幅值比较接近，左右股振幅为5 10 mm，而实测线路横向和垂向不平顺随机性较大，与实际情况更吻合。15左股10右股u/业50-5铁道学报15左股右股10/业垂505-10-150100200300400500600700750距离/m(a)美国V级谱15105第45卷左股右股-10-150100200 300 400500600700750距离/m(a)美国V级谱15左股右股10u/50-5-10-150100200300400500600700750距离/m(b)实测数据图4横向不平顺1.2轮轨接触几何及接触应力轮轨接触几何关系是影响轮轨接触点分布的直接因素，轮轨接触点集中分布会导致轨面接触应力集中，加速疲劳产生和发展。打磨前后钢轨廓形与车轮踏面匹配轮轨接触几何关系见图6，由图6 可知，打磨后曲线上股轮轨接触点横向分布宽度由打磨前约7 mm增加至约2 0 mm，分布均匀无跳跃；曲线下股轮轨接触点横向分布宽度由打磨前约15mm增加至约2 5mm，分布区域由集中在钢轨内侧变为均匀分布在轨顶。打磨后轮轨接触点集中问题得到明显改善。打磨前后轮轨法向力均方根值、接触斑面积和最大法向接触应力见表1。打磨后上股轨顶和轨侧法向力显著减小，下股轨顶法向力略有增加。打磨后上股轨顶接触斑面积增大、轨侧接触斑面积减小，说明曲线上股主要接触位置向轨顶移动，曲线上股轮轨接触由0-5-10-150409388-61260-3-Cw/z100-10接触带宽：车轮：11.+左轨：5接触点YO:左轮：10.4左轨：10-20-80403020w/z100-10接触带宽：左轮：91左轨：2.8接罐黑：左轮1.告差轨二9-20-80图6 打磨前后轮轨接触几何关系表1打磨前后轮轨法向力、接触斑面积和最大法向接触应力变化项目打磨前/后上股轨顶上股轨侧下股轨顶轮轨法向打磨前力/kN打磨后接触斑面打磨前积/mm打磨后最大法向接触打磨前应力/(kNmm-)打磨后轨顶和轨侧形成的两点接触转变为更合理的贴合式接触；下股轨顶接触斑面积显著增大，轮轨接触点集100-40(a)打磨前6-912-400y/mm(b)打磨后115.7102.6100.1104.21.771.48200300距离/m(b)实测数据图5垂向不平顺有轮：10.0 右轨：3.7岩轮：-15.8 右轨：-2 4.9040y/mm630-369-12存羚：18.0 存垫：11.7岩轮：-3.6 若轨：-11.34080331143.312.11.010.784005006007007501280107.4109.5106.5160.31.541.04第8 期中问题明显缓解，同图6 结果一致。打磨后上股轨顶、轨侧和下股轨顶最大法向接触应力分别减小了16.3%、2 2.7%和32.4%，有利于抑制轨面裂纹的萌生及扩展。1.3轮轨蠕滑力及轨面裂纹法向分力表2 为打磨前后曲线上、下股轮轨滑力均方根值，分析可知打磨后上股轨顶、轨侧纵向蠕滑力减纵向蜻滑力横向蠕滑力位置打磨前/后打磨前上股轨顶打磨后打磨前上股轨侧打磨后打磨前下股轨顶打磨后15FNV回1050-5-10-150图7 打磨前后上、下股轨顶纵向滑力F为进一步分析轮轨蠕滑力对轨面裂纹扩展的影响，对打磨前后轨面裂纹受力情况进行分析见图8，裂纹方向与图1中钢轨实际情况一致，F法为合蠕滑刘永乾等：钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响研究表2 打磨前后轮轨蠕滑力均方根值合蠕滑力F/kNF,/kNFx1=8.25F,1=14.52Fx2=6.58Fy2=13.81Fx3=4.26F,3=2.11Fx4=1.35Fy4=0.85Fx5=1.14Fys=14.81Fx6=9.17Fy6=12.21A100距离/m113小，下股轨顶纵向蠕滑力增大；上股轨顶、轨侧和下股轨顶横向蠕滑力均减小；上股轨顶合滑力减小8.38%，上股轨侧合蠕滑力减小6 6.32%，下股轨顶合蠕滑力增大2.8 3%。表2 所示各滑力中，上、下股轨顶纵向蠕滑力Fx2和Fx与打磨前F和Fxs相比方向相反，见图7。其他蠕滑力与打磨前同向，此处不再展示。F合变化率/%F合/kNF合1=16.7 0F合2=15.30F合3=4.7 5F合4=1.6 0F合5=14.8 5F合6=15.2 7200300裂纹法向分力F法/kNF法1-8.38F法2F法3-66.32F法4F法52.83F法6F含2F400450FF法I(a)曲线通过示意图(b)上股轨顶F法F力F合在裂纹法向上的分力。分析可知，打磨后上股轨顶Fx2与Fxl方向相反、F合2 小于F合1，使F法2 小于F法1;上股轨侧F合4减小且与F合3同向，使裂纹法向分力减小；下股轨顶Fx6与Fxs方向相反，即使F合6 大于F合5，F法。仍然小于F法5。因此，打磨后上、下股轨面裂纹法向分力减小，有利于抑制轨面裂纹的萌生及扩展。2实测数据分析2.1轮轨力安定理论利用轮轨切向力和法向力来评价轮轨的承载能力，可以快速直观地比较不同条件下轮轨滚动接触疲劳，定性分析轨面裂纹萌生和发展的可能性15 为/F2+F2/FFxsF法5(c)上股轨侧(d)下股轨顶图8 打磨前后曲线上、下股轮轨蠕滑力分析式中：为牵引系数；F，和F,，分别为纵向和横向蠕滑力；F，为法向力。切向力和法向力与轮轨横向力和垂向力相关，可通过测量后两者计算得来。钢轨打磨前后分别测量了货车通过时的轮轨横向力和垂向力，见图9、图10。由图9和图10 可知，上股横向力最大幅值由8 7.6 3kN下降至6 4.53kN，下降26.36%；2 0 k N以上的占比由36.94%下降至19.15%，减少17.7 9%。下股横向力最大幅值由95.74kN下降至7 5.44kN，下降2 1.2 0%；40 kN以上(1)的占比由2 3.15%下降至15.53%，减少7.6 2%。114100806040200-20010080604020001008060200-20012345678910时间/s(c)下股横向力1008060402000上股垂向力最大幅值由152.2 6 kN下降至139.7 3kN，下降8.97%；12 0 kN以上的占比由31.91%下降至铁道学报160打磨前打磨后12345678910时间/s(a)上股横向力一打磨前打磨后2040上股横向力/kN(b)上股横向力幅值占比一打磨前打磨后2040下股横向力/kN(d)下股横向力幅值占比图9打磨前后轮轨横向力第45卷打磨前打磨后140120100806040200012345678910时间/s(a)上股垂向力1008060402004060806080一打磨前打磨后6080100120打磨前打磨后100120100上股垂向力/kN(b)上股垂向力幅值占比160140120100806040200-2001121008060402004020.71%，减少11.2%。下股垂向力最大幅值减小但变化不大，占比变化基本在1%左右。打磨后实测轮轨横向力和垂向力减小，使得轮轨1201345678910时间/s(c)下股垂向力+一打磨前一打磨后6080(d)下股垂向力幅值占比图10打磨前后轮轨垂向力140一打磨前打磨后100120下股垂向力/kN160140160180180第8 期切向力和法向力减小，且切向力减小幅值大于法向力，牵引系数减小，同样有利于抑制轨面裂纹的萌生及扩展，与前文仿真结果吻合。2.2滚动接触疲劳发展图1中打磨前钢轨滚动接触疲劳主要表现为轨面鱼鳞纹和剥离掉块；打磨后3.5个月轨面鱼鳞纹和剥离掉块未见明显发展，轨面状态保持良好，见图11。SH-56+52008500-8-202P-75N-3929827图11打磨后3.5个月轨面状态3轨面裂纹萌生寿命3.1基于磨耗数的钢轨损伤函数采用Burstowl16建立的损伤函数模型评价钢轨打磨对轨面裂纹萌生寿命的影响。该模型基于轮轨切向力T和蠕滑率对钢轨滚动接触疲劳的萌生进行预测,其最大的优点是可以考虑滚动接触疲劳与磨耗之间的竞争关系，并定量判断轮轨接触面损伤以滚动接触疲劳或磨耗为主17 。损伤为正值时表示发生滚动接触疲劳，否则发生磨耗。循环载荷数记为滚动接触疲劳裂纹萌生寿命，取裂纹从无到扩展至轨面以下2 mm时的循环数14 模型中用到的磨耗数T，为T,=T,+T,yy式中：T，和T,分别为纵向和横向蠕滑力；和，分别为对应的蠕滑率。钢轨滚动接触疲劳损伤函数见图12。151050-5F-10F-15L图12 钢轨滚动接触疲劳损伤函数刘永乾等：钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响研究KL=2/3式中：。为材料屈服极限;，为材料抗拉强度。对于PG4U78CrV钢轨材质，o。为90 0 MPa,，为12 8 0 MPa。如果接触斑面积为A,则轨面材料产生塑性变形所需的切向力T,为T,=KiLA3.2轨面裂纹萌生寿命采用动力学计算所得滑力、蠕滑率等参数和屈(a)上股服极限抗拉强度，等实际参数，利用损伤函数模型计算打磨前后曲线上、下股钢轨滚动接触疲劳损伤系数的累积分布，并映射到钢轨表面18 ，见图13,图13中左侧坐标为笛卡儿坐标系，右侧纵坐标为损伤系(b)下股数累积分布。车轮踏面根据实测车轮轮缘高度分布情况采用标准LM踏面车轮（轮缘高度2 7 mm）、轮缘高度30 mm车轮和轮缘高度34mm车轮。由图13可知，打磨后上、下股钢轨滚动接触疲劳损伤系数显著降低。上股钢轨疲劳损伤打磨前分布在钢轨横向0 35mm范围内,最严重的是轨顶0 10mm和轨侧32 35mm两个区域（两点接触），平均损伤系数分别约为0.310-4和1.6 10-4；打磨后主要分布在钢轨横向10 35mm范围内，轨顶10 20mm和轨侧32 35mm范围内平均损伤系数分别减小为0.2 510*和1.2 10 4。下股钢轨疲劳损伤打磨前主要集中在钢轨横向15 2 5mm范围内，平均损伤系数约为1.510-；打磨后主要分布在钢轨横向-5 15mm范围内，平均损伤系数减小为0.5105。打磨前后曲线上、下股钢轨平均损伤系数对应的(2)载荷循环数见表3，结合图1和表3分析打磨前后钢轨表面实际疲劳损伤情况。可知，曲线上股轨顶打磨前载荷循环数为3.310*,轨顶鱼鳞纹和掉块明显；打磨后载荷循环数增加至410*,裂纹萌生寿命平均延长2 1.2%，轨顶无明显鱼鳞纹。曲线上股轨侧打磨前载荷循环数0.6 310 4,打磨后增加至0.8 3104,裂纹萌生寿命平均延长31.7%。曲线下股轨顶打磨前载荷循环数6.6 7 10 4,在钢轨内侧偏向轨距50100115根据弹塑性材料的力学特性，剪切流动应力Ki为 150,+o150200磨耗数T,(3）(4)250300角处出现严重疲劳损伤；打磨后载荷循环数增加至20104，裂纹萌生寿命平均延长199.8%，仅在轨顶局部出现轻微裂纹。因此，钢轨打磨可以有效提高轮轨载荷循环数，抑制滚动接触疲劳发展，延长轨面裂纹萌生寿命。11610-3040钢轨横向坐标/mm(a)打磨前上股10-20-3040钢轨横向坐标/mm(b)打磨后上股10钢轨横向坐标/mm(c)打磨前下股104048502010010-20:30.40.50钢轨横向坐标/mm050100150200250300350400450钢轨纵向坐标/mm(d)打磨后下股图13打磨前后钢轨滚动接触疲劳损伤系数分布表3平均损伤系数对应的载荷循环数打磨前/后上股轨顶打磨前3.30打磨后4.004结论（1)打磨后上、下股轮轨接触范围增大，轮轨接触点集中问题缓解。上股轨顶接触斑面积增大、轨侧接触斑面积减小，轮轨接触由轨顶和轨侧形成的两点接触转变为更合理的贴合式接触；下股轨顶接触斑面积增大。打磨后上股轨顶、轨侧和下股轨顶最大法向接触应力分别下降16.3%、2 2.7%和32.4%，有利于抑制轨面裂纹的萌生及扩展。（2)打磨后上股轨顶合蠕滑力减小8.38%，上股轨侧合蠕滑力减小6 6.32%，下股轨顶合蠕滑力增大铁道学报10-42.83%；同时打磨后上、下股轨顶纵向蠕滑力反向，使2.0裂纹法向分力较打磨前减小，有利于抑制轨面裂纹的萌生及扩展。1.0（3打磨后实测轮轨横向力和垂向力减小，使得轮轨切向力和法向力减小，且切向力减小幅值大于法0向力，牵引系数u减小，同样有利于抑制轨面裂纹的萌钢轨纵向坐标/mm生及扩展，与仿真结果吻合良好。10-42.52.01.51.00.50钢轨纵向坐标/mm10-54.03.53.02.52.01.51.00.5钢轨纵向坐标/mm010-54.03.53.02.52.01.55001.00.50104上股轨侧下股轨顶0.636.670.8320.00第45卷（4)打磨后上、下股钢轨平均损伤系数降低，在相同载荷下对应的载荷循环数增大，上股轨顶、轨侧和下股轨顶裂纹萌生寿命分别平均延长2 1.2%、31.7%和199.8%。打磨后3.5个月，轨面裂纹未见明显发展。参考文献：1 金学松，沈志云.轮轨滚动接触疲劳问题研究的最新进展J.铁道学报，2 0 0 1,2 3（2）：92-10 8.JIN Xuesong,SHEN Zhiyun.Rolling Contact Fatigue of Wheel/Rail and Its Advanced Research Progress J.Journal of theChina Railway Society,2001,23(2):92-108.2肖乾,方骏,王磊.摩擦系数对高速列车车轮瞬时滚动接触疲劳的影响J.中国铁道科学，2 0 16,37（3）：6 8-7 4.XIAO Qian,FANG Jun,WANG Lei.Influence of Friction Coef-ficient on Wheel Transient Rolling Contact Fatigue of HighSpeed TrainJ.China Railway Science,2016,37(3):68-74.3刘亮，王文健，郭俊，等.钢轨踏面斜裂纹扩展寿命的预测J.机械工程材料，2 0 12,36（1）：2 6-30.LIU Liang,WANG Wenjian,GUO Jun,et al.Prediction ofPropagation Life of Oblique Crack on Rail SurfaceJ.Materials for Mechanical Engineering,2012,36(1):26-30.4 钟雯,赵雪芹,王文健，等.PD3与U71Mn钢轨疲劳裂纹扩展特性研究J.中国机械工程，2 0 0 8，19（14）：17 40-17 43.ZHONG Wen,ZHAO Xueqin,WANG Wenjian,et al.Study onGrowth Behavior of Fatigue Crack of PD3 and U71 Mn RailJ.China Mechanical Engineering,2008,19（14):1740-1743.5 DONZELLA G,FACCOLI M,GHIDINI A，e t a l.T h eCompetitive Role of Wear and RCF 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