不同軸重下輪軌損傷行為研究

劉吉華，翟玉江，陳水友，劉啟躍

（1.五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020；2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)研究所，四川 成都 610031；3.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430079）

不同軸重下輪軌損傷行為研究

劉吉華1,2，翟玉江1，陳水友2,3，劉啟躍2

（1.五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020；2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)研究所，四川 成都 610031；3.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430079）

利用MMS-2A摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展輪軌滾動(dòng)接觸模擬試驗(yàn)，探討研究了輪軌試樣在不同軸重下的損傷特性. 結(jié)果表明：軸重的增加使得輪軌間摩擦系數(shù)變大，車(chē)輪和鋼軌的磨損加劇，其主要磨損機(jī)制由輕微剝落向嚴(yán)重剝落發(fā)展. 隨著軸重的增加，輪軌試樣斷面累積塑性變形厚度以及疲勞裂紋萌生的概率都顯著增大. 在相同軸重下，鋼軌試樣累積的塑性變形厚度較大，疲勞裂紋萌生的概率也大. 隨著軸重的增加，輪軌試樣疲勞裂紋擴(kuò)展速率變大，疲勞損傷明顯加重.

軸重；磨損；輪軌材料；塑性變形；疲勞

輪軌之間的接觸是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程[1-2]，而隨著鐵路運(yùn)輸不斷向高速化和重載化發(fā)展，輪軌間的磨損和疲勞損傷現(xiàn)象變得日益嚴(yán)重[3-6]. 多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)軸重對(duì)輪軌磨損和疲勞損傷的影響以及重載工況下輪軌的損傷特性展開(kāi)了大量研究. Grassie等[7]研究了瑞典現(xiàn)場(chǎng)重載線路鋼軌的滾動(dòng)接觸疲勞損傷情況，并且討論了鋼軌打磨技術(shù)對(duì)減輕鋼軌損傷的作用. 丁昊昊等[8]研究了不同接觸應(yīng)力和不同滑移速率下輪軌的損傷情況，并且建立了其磨損轉(zhuǎn)變圖，結(jié)果表明隨著輪軌間接觸應(yīng)力的增加，輪軌試樣的磨損和疲勞損傷變得更嚴(yán)重. 鐘雯[9]在JD-1輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)上研究了U75V熱軋鋼軌在三種軸重下的損傷行為，結(jié)果表明軸重越大，鋼軌磨損越嚴(yán)重. 郭火明等[10]研究了重載工況下車(chē)輪熔覆對(duì)輪軌磨損與損傷性能的影響，結(jié)果表明隨著軸重的增加，輪軌試樣摩擦系數(shù)和磨損率顯著增大，輪軌表面損傷變得越來(lái)越嚴(yán)重. 國(guó)內(nèi)外的研究成果多集中于研究軸重增加引起輪軌間接觸應(yīng)力增加，會(huì)造成輪軌磨耗的增加，以及輪軌試樣表面的疲勞損傷，而對(duì)結(jié)合輪軌材料特性分析其疲勞損傷機(jī)理的深入研究?jī)?nèi)容較少，而且車(chē)輪和鋼軌上的疲勞微裂紋對(duì)列車(chē)的安全運(yùn)行影響更大[11]，疲勞裂紋的發(fā)展容易引發(fā)車(chē)輪崩裂和鋼軌斷裂，容易導(dǎo)致災(zāi)難性事故的發(fā)生.

為了進(jìn)一步分析軸重對(duì)輪軌磨損和疲勞損傷的影響，本文在MMS-2A摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上開(kāi)展輪軌對(duì)磨試驗(yàn)，通過(guò)分析輪軌試樣的磨損量、表面磨痕情況，斷面塑性變形以及疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展機(jī)理等分析軸重對(duì)輪軌材料磨損和疲勞損傷的影響.

1 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)在MMS-2A輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行. 為了確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可行性，實(shí)驗(yàn)按照赫茲接觸理論[3]，使實(shí)驗(yàn)室條件下模擬輪軌試樣間的平均接觸應(yīng)力和接觸區(qū)橢圓的長(zhǎng)短半徑之比與實(shí)際工況相同. 試驗(yàn)中上試樣為鋼軌，下試樣為車(chē)輪，根據(jù)赫茲接觸理論計(jì)算可以得出車(chē)輪試樣表面圓弧半徑是14 mm，而鋼軌試樣圓孤半徑為∞，輪軌試樣尺寸與取樣位置如圖1所示.

圖1 輪軌試樣尺寸和取樣位置

試驗(yàn)參數(shù)：主動(dòng)輪車(chē)輪試樣（下試樣）轉(zhuǎn)速為400 r/min，滑差率為3.83%，從動(dòng)輪鋼軌試樣（上試樣）轉(zhuǎn)速為384.68 r/min，試驗(yàn)時(shí)間是24 h. 試驗(yàn)?zāi)M3種軸重分別為16 t、21 t和25 t，在試驗(yàn)機(jī)上對(duì)應(yīng)的垂向載荷分別是110 N、150 N和180 N. 鋼軌試樣取自U75V熱軋鋼軌軌頭，而車(chē)輪試樣則是高速車(chē)輪材料，輪軌材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1.

表1 輪軌材料化學(xué)成分表（單位：%）

試驗(yàn)?zāi)M直線工況輪軌接觸狀態(tài)，試驗(yàn)在干態(tài)下進(jìn)行. 利用維式硬度儀（MVK-H21，Japan）測(cè)量試樣的硬度值，得到車(chē)輪和鋼軌材料硬度分別為275.5 MPa和314.39 MPa(HV0.5)；利用電子分析天平（JA4103）通過(guò)稱(chēng)重法測(cè)量試樣的磨損量；利用光學(xué)顯微鏡（OM，OLYMPUS BX60M）和掃描電子顯微鏡（SEM，JSM-7001F）對(duì)試樣進(jìn)行微觀分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 滾動(dòng)磨損行為分析

圖2為不同軸重下輪軌間摩擦系數(shù)圖. 由圖可知：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，輪軌間摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先增大的趨勢(shì)，一定循環(huán)次數(shù)后趨于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，只是每個(gè)軸重下穩(wěn)定的摩擦系數(shù)是不一樣的，軸重越大，摩擦系數(shù)越大. 這是因?yàn)檩嗆壴嚇娱g的實(shí)際接觸作用是發(fā)生在其表面的微小凸起部分，摩擦力產(chǎn)生于其微小凸起部分的彈性或塑性變形，軸重增大，使得輪軌接觸面積增大（如圖3），從而導(dǎo)致此時(shí)輪軌間的真實(shí)接觸面積也增大，因此表現(xiàn)的摩擦系數(shù)明顯變大[12].

圖2 不同軸重下輪軌間的摩擦系數(shù)

圖3 不同輪軌試樣的宏觀磨痕圖

圖4為不同軸重下輪軌試樣磨損量圖. 由圖4可知：在同一軸重下，車(chē)輪試樣的磨損量明顯大于與之匹配的鋼軌試樣，即在相同接觸應(yīng)力作用下，鋼軌試樣的耐磨性要優(yōu)于車(chē)輪試樣，這是因?yàn)殇撥壴嚇佑捕纫黠@大于車(chē)輪試樣硬度（314.39＞275.50），硬度高的材料耐磨性越好.隨著軸重的增加，輪軌試樣的磨損量都呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì)，車(chē)輪試樣磨損量線性增加的速率大于鋼軌試樣的速率，即車(chē)輪磨損率大于鋼軌磨損率（磨損率定義為磨損量與滾動(dòng)距離之比）. 同時(shí)，觀察輪軌試樣表面磨痕如圖5所示. 由圖5可知：在低軸重時(shí)（16 t），此時(shí)輪軌間接觸應(yīng)力較小，疲勞微裂紋不容易形成，形成以后也不容易擴(kuò)展（如圖6-a所示的薄剝落裂紋），車(chē)輪磨痕表面呈現(xiàn)較多量的小剝落掉塊，同時(shí)有部分剝落材料黏附在試樣表面，而鋼軌試樣磨痕表面則以薄片剝落為主，即車(chē)輪和鋼軌試樣材料剝落均較輕微. 隨著軸重增加，輪軌間的接觸應(yīng)力增大，疲勞微裂紋迅速形成，并且容易向材料內(nèi)部擴(kuò)展（如圖6-b所示較深的剝落裂紋），疲勞微裂紋擴(kuò)展連接在一起就會(huì)發(fā)生大面積剝落，而且剝落塊厚度也較大. 因此隨著軸重增加，剝落塊的厚度和面積均有明顯變大的趨勢(shì)，即剝落磨損越來(lái)越嚴(yán)重. 剝落越嚴(yán)重，輪軌試樣的磨損量也就越大.

圖4 不同軸重下輪軌試樣磨損量圖

圖5 不同軸重下輪軌試樣表面磨痕的SEM圖

圖6 疲勞微裂紋擴(kuò)展方式

2.2 損傷行為分析

在循環(huán)載荷作用下，輪軌試樣接觸區(qū)會(huì)經(jīng)過(guò)彈性、彈性安定、塑性安定和棘輪效應(yīng)4個(gè)階段[13-14]，當(dāng)接觸應(yīng)力超過(guò)塑性安定極限或者棘輪效應(yīng)門(mén)檻值，輪軌接觸區(qū)材料進(jìn)入了棘輪效應(yīng)階段. 輪軌材料在棘輪效應(yīng)階段會(huì)產(chǎn)生塑性變形的累積，塑性變形的不斷累積會(huì)使得疲勞裂紋萌生發(fā)展[15-16]. 圖7為不同軸重下輪軌試樣縱斷面累積的塑性變形情況. 由圖7可知：在循環(huán)載荷的作用下，輪軌試樣縱斷面均累積了一定的塑性變形，隨著軸重的增加，車(chē)輪和鋼軌試樣累積的塑性變形厚度明顯增大.

輪軌試樣塑性變形是輪軌間接觸摩擦力引起的試樣表層材料的塑性流動(dòng)，隨著軸重的增加，輪軌間接觸摩擦力會(huì)顯著增大，盡管試樣的磨損會(huì)加重，但其次表層材料發(fā)生塑性變形的速度也會(huì)增加，因此累積的塑性變形厚度也會(huì)逐漸增大. 同時(shí)對(duì)比每個(gè)輪軌系統(tǒng)中車(chē)輪和鋼軌的累積塑性變形厚度可知：鋼軌試樣的累積塑性變形厚度均要比車(chē)輪試樣的塑性變形厚度大. 由圖8中車(chē)輪和鋼軌在不同放大倍數(shù)的顯微組織可知：車(chē)輪顯微組織中含有更多的先共析鐵素體，但其珠光體片層間距較大，珠光體結(jié)構(gòu)中鐵素體相和滲碳體相厚度均比鋼軌中的厚. 在循環(huán)載荷作用下，車(chē)輪試樣由于存在較多量的先共析鐵素體而率先發(fā)生塑性變形，但其珠光體片層間距較大，而且滲碳體厚度也加大，其塑性變形的傳播速度會(huì)受到一定的限制，而且鋼軌材料顯微組織更為均勻，因此車(chē)輪和鋼軌試樣塑性變形累計(jì)的速度可以認(rèn)為差別不大. 鋼軌試樣由于具有較高的硬度，磨損較為輕微，因此最終累積下來(lái)的塑性變形厚度反而比車(chē)輪試樣還要厚.

圖7 不同軸重下輪軌試樣塑性變形情況

圖8 輪軌試樣顯微組織圖

郭俊[17]研究表明輪軌材料累計(jì)的塑性應(yīng)變?cè)叫?，材料棘輪效?yīng)引起的疲勞裂紋不容易形成. 大量的研究結(jié)果[18-20]還表明，疲勞裂紋萌生根本起源于局部不均勻塑性變形. 比較圖7中輪軌試樣的累積塑性變形情況可知：隨著軸重的增加，輪軌試樣累計(jì)的塑性應(yīng)變?cè)龃?，輪軌試樣上疲勞微裂紋萌生的概率會(huì)顯著增大；在同一軸重下，鋼軌試樣累計(jì)塑性應(yīng)變較大，鋼軌試樣上疲勞裂紋萌生的概率要比與之匹配的車(chē)輪大. 疲勞裂紋萌生以后會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，最終顯示如圖9所示.

由圖9可知：隨著軸重的增加，輪軌間的接觸應(yīng)力增大，疲勞裂紋的長(zhǎng)度和深度都有增大的趨勢(shì)，即車(chē)輪和鋼軌的疲勞損傷都有變嚴(yán)重的趨勢(shì). 同時(shí)比較同一軸重下車(chē)輪試樣和鋼軌試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展情況可知：在低軸重下，此時(shí)輪軌間接觸應(yīng)力較小，疲勞裂紋萌生后幾乎沿著平行于試樣表面的方向擴(kuò)展，只是鋼軌試樣的開(kāi)裂更深更長(zhǎng)，即鋼軌試樣疲勞損傷更嚴(yán)重. 在高軸重下，此時(shí)輪軌間的接觸應(yīng)力很大，疲勞裂紋的擴(kuò)張長(zhǎng)度明顯變長(zhǎng)，角度也變大，尤其如圖9-e中車(chē)輪試樣疲勞裂紋情況，其中縮小圖是裂紋的全貌.

圖9 不同軸重下輪軌試樣疲勞裂紋擴(kuò)展情況

在亞共析鋼或者共析鋼組織中，鐵素體相是較軟相，容易發(fā)生塑性變形，形成鐵素體線，疲勞裂紋萌生后容易沿著鐵素體線擴(kuò)展(如圖6所示)，這是因?yàn)槠诹鸭y沿著鐵素體線擴(kuò)展需要較小的能量而穿過(guò)鐵素體線擴(kuò)展則需要消耗較大的能量[21]. 同時(shí)曾東方等[22]還研究表明大的珠光體晶粒和較大的珠光體片層間距不容易使得材料在塑性變形時(shí)釋放能量，裂紋萌生后產(chǎn)生的能量不能通過(guò)塑性變形釋放則需要發(fā)生擴(kuò)展.

比較圖8中車(chē)輪和鋼軌試樣顯微組織可知：車(chē)輪材料組織中含有較多量的先共析鐵素體相，珠光體晶粒較大，珠光體片層間距較大，相對(duì)而言鋼軌試樣的組織結(jié)構(gòu)比車(chē)輪試樣更為均勻. 對(duì)于輪軌試樣的損傷往往從磨損和疲勞損傷的角度分析；磨損主要是指輪軌摩擦過(guò)程中造成的磨損量，而疲勞損傷的表現(xiàn)則主要是疲勞裂紋的擴(kuò)展長(zhǎng)度和深度. 在低的接觸應(yīng)力下，疲勞裂紋在車(chē)輪材料中萌生的概率較小，而且大量先鐵素體相的存在能顯著緩解裂紋萌生后的應(yīng)力集中，加上車(chē)輪試樣相對(duì)嚴(yán)重的磨損，使得車(chē)輪試樣的疲勞損傷明顯比鋼軌試樣更輕微. 在高的接觸應(yīng)力下，接觸應(yīng)力的增加顯著提高輪軌試樣疲勞裂紋萌生的概率，此時(shí)輪軌材料中的先鐵素體相會(huì)迅速發(fā)生變形達(dá)到變形極限，抵抗疲勞裂紋擴(kuò)展則需要依靠珠光體相. 鋼軌材料的珠光體相更均勻，珠光體片層間距也更小，因而疲勞裂紋擴(kuò)展速率更小，因此鋼軌試樣表現(xiàn)的疲勞損傷相較車(chē)輪試樣則更輕微.

3 結(jié)論

軸重的增加會(huì)顯著加重輪軌試樣的磨損. 在循環(huán)載荷的作用下，輪軌試樣斷面累積塑性變形厚度以及疲勞裂紋隨著軸重的增加顯著增大；在相同軸重下，鋼軌試樣累積的塑性變形厚度較大，疲勞裂紋萌生的概率也較大. 在軸重較低時(shí)，相對(duì)嚴(yán)重的磨損能夠?qū)④?chē)輪試樣表層材料萌生的疲勞裂紋磨除，而鋼軌試樣疲勞裂紋則繼續(xù)向試樣心部擴(kuò)展；在軸重較大時(shí)，大的接觸應(yīng)力會(huì)使得疲勞裂紋擴(kuò)展速率和磨損速率變快，此時(shí)鋼軌更優(yōu)的材料特性使得其疲勞損傷更為輕微. 研究結(jié)果對(duì)輪軌材料匹配的優(yōu)化，減輕輪軌材料的損傷，提高列車(chē)運(yùn)行的安全性都有一定的指導(dǎo)意義. 也為我國(guó)不同線路的輪軌材料選擇提供了一定的理論依據(jù)，在下一步的研究中，可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)輪軌損傷特性，全方位開(kāi)展輪軌材料匹配研究.

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[責(zé)任編輯：韋 韜]

Research on Wheel-track Damage Behaviors Under Different Axle Loads

LIU Ji-hua1,2, ZHAI Yu-jiang1, CHEN Shui-you2,3, LIU Qi-yue2
(1. School of Rail transportation, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;2. Tribology Research Institute, State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031, China; 3. Wuhan Metro Group Co., Ltd., Wuhan 430030, China)

A MMS-2A wear test machine is used to investigate the effect of axle loads on the damage characteristics of wheel and rail materials. The results indicate that the increase of axle load increases the friction coefficient significantly which results in the aggravation of wheel/rail wear. The main wear mechanism changes from slight spalling to severe spalling. With the increase of axle load,the thickness of cumulative plastic deformation and the fatigue crack probability increase significantly. On the other hand, for the wheel and rail specimens at a same axle load, the thickness of cumulative plastic deformation and the fatigue crack probability of the rail specimens are much greater than that on the wheel. With the increase of axle load, the fatigue cracks grow much faster,resulting in significant the fatigue damage.

axle loads; wear; wheel/rail materials; plastic deformation; fatigue

U211.5

A

1006-7302（2017）04-0040-09

2017-05-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51475393）

劉吉華（1988—），男，江西贛州人，講師，博士，主要研究方向?yàn)檩嗆壞Σ翆W(xué)、材料摩擦磨損.