淬火與熱軋對(duì)PD3鋼軌損傷的影響研究

摘 要：隨著我國(guó)重載鐵路的快速發(fā)展，輪軌磨損變得越來(lái)越嚴(yán)重，已成為影響鐵路運(yùn)輸安全的重要因素。研究根據(jù)赫茲接觸理論使用JD-1型輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)針對(duì)淬火和熱軋的PD3鋼軌試樣進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)研究和微觀形貌分析，為重載鐵路的鋼軌選擇提供依據(jù)。結(jié)果表明：淬火鋼軌硬度高，磨損表面損傷輕微，抗磨損性能越好；熱軋鋼軌硬度略低，磨損比較嚴(yán)重。所以，淬火鋼軌更適合重載鐵路使用。

關(guān)鍵詞：鋼軌 硬度 磨損

中圖分類號(hào)：TG142文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（c）-0007-02

客運(yùn)高速化和貨運(yùn)重載化是鐵路發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。全世界已建成時(shí)速200 km以上的高速鐵路總計(jì)達(dá)5640 km投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，而大秦線車輛軸重多數(shù)已經(jīng)達(dá)到25t[1]。列車運(yùn)行時(shí)，輪軌接觸斑面積極小，但卻要承受著幾十噸交變載荷，而且輪軌接觸時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生的較大的摩擦力，從而使得鋼軌在服役中容易產(chǎn)生一系列損傷[2]。

輪軌滾動(dòng)接觸問(wèn)題十分復(fù)雜，涉及多個(gè)學(xué)科的理論及知識(shí)，如輪軌材料、熱處理方式、滾動(dòng)接觸力學(xué)、摩擦學(xué)、等等[3-4]。其中鋼軌材質(zhì)問(wèn)題一直受到各國(guó)鐵路部門的高度重視。目前采取了各種方法與措施來(lái)提高鋼軌性能，如發(fā)展輪軌新材料，優(yōu)化輪軌型面匹配，以減少輪軌接觸應(yīng)力和改善軌道與車輛結(jié)構(gòu)性能來(lái)減少輪軌之間的動(dòng)力作用等[5]。本研究主要針對(duì)目前最常用的PD3鋼軌的熱處理方式進(jìn)行分析。

1 磨損試驗(yàn)

試驗(yàn)在JD-1型輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)可模擬車輪作用于鋼軌的各種工況[6]，為了讓實(shí)驗(yàn)室條件下輪軌間的相互作用過(guò)程與實(shí)際相似，試驗(yàn)按照赫茲接觸理論，使模擬輪軌平均接觸應(yīng)力和接觸區(qū)橢圓的長(zhǎng)短半軸之比與現(xiàn)場(chǎng)中的相同。小輪試樣均取自鋼軌軌頭，小輪直徑為62 mm，大輪直徑為1153 mm。模擬大輪材料的含碳量為0.62%～0.77%。模擬車速160 km/h；模擬大輪循環(huán)次數(shù)106；模擬軸重25t；摩擦系數(shù)0.2；所有滾動(dòng)試驗(yàn)均在干態(tài)下進(jìn)行。模擬小輪材料分別是PD3淬火、PD3熱軋鋼軌材料，材料成分如表1所示。

2 硬度分析

為了進(jìn)一步研究?jī)煞N材料試樣加工硬化的情況，在切面縱向上每間隔0.5mm取一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，共取12個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試三次，數(shù)據(jù)取平均值后分析。圖1是不同材料鋼軌切面由鋼軌心部到磨損表面的硬度曲線圖。

圖1中兩種材料鋼軌磨面都產(chǎn)生了明顯的加工硬化，并且越靠近磨面硬度值增加越快。鋼軌心部硬度由材料本身決定，PD3淬火鋼軌試樣硬度較大，PD3熱軋鋼軌試樣的硬度較小。隨著靠近磨損表面，每個(gè)樣品的硬度都有所增加。

3 表面形貌分析

為了進(jìn)一步分析，這里用光學(xué)顯微鏡對(duì)鋼軌試樣的磨痕全貌進(jìn)行對(duì)比。圖2是本試驗(yàn)方案模擬試樣全部橫向磨痕全貌。

從圖2中可以看出，PD3淬火鋼軌試樣表面較為光滑，磨痕相對(duì)淺且??；PD3熱軋鋼軌的試樣磨損程度要嚴(yán)重很多，試樣表面的磨痕深且大。這表明隨著鋼軌材料硬度的減小，磨痕深度變深，表面磨損逐漸加劇。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）淬火鋼軌硬度明顯高于熱軋鋼軌，有較好的抗磨損性能，實(shí)驗(yàn)后兩種材料表面硬度都有所增加，形成表面硬化層。

（2）PD3淬火鋼軌表面比較平滑，磨損較輕微；PD3熱軋鋼軌表面磨痕較深，磨損嚴(yán)重。

參考文獻(xiàn)

[1]金學(xué)松，溫澤峰，張衛(wèi)華，等.世界鐵路發(fā)展?fàn)顩r及其關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題[J].工程力學(xué).2004，21（5）：901-104.

[2]周清躍，張建峰，郭戰(zhàn)偉，等.重載鐵路鋼軌的傷損及預(yù)防對(duì)策研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2010，31（1）：27-31.

[3]Stock R， Pippan R. RCF and wear in theory and practice-The influence of rail grade on wear and RCF[J].Wear，2010，271（1/2）： 125-133.

[4]胡家杰.彎矩作用下鋼軌疲勞試驗(yàn)研究[D].西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[5]Jonas W Ringsberg.Life p rediction of rolling contact fatigue crack initiation[J].International Journal of Fatigue，2001（23）：575-586.

[6]W.Zhong， J.J.Hu， P Shen， C.Y. Wang，Q.Y. Liu.Experimental Investigation between Rolling Contact Fatigue and Wear of High-speed and Heavy-haul Railway and Selection of Rail Material[J].Wear，2011，271（9）：2485-2495.