关于钢轨伤损特性试验的研究

张辉

摘 要：目前高速铁路与重载铁路的损伤形式是存在较大差异的，疲劳与磨损是其各自的主要损伤形式，所以钢轨在选材上的要求是相当复杂的。双轮滚动试验，在针对我国钢轨材料下，研究在不同线路环境上的钢轨材料的伤损规律，通过研究钢轨磨损与疲劳之间的对抗平衡，分析轴重、车速、摩擦状态等因素，制定钢轨的分级制度，确定不同工况下的轮轨材料，达到防治钢轨损伤的目的，对我国铁路钢轨材料的选用起到指导作用。

关键词：磨损；疲劳；双轮试验；钢轨材料

1 概述

钢轨伤损：钢轨是轨道结构的重要部件，由于机车车辆的动力作用、自然环境和钢轨本身的质量等原因，常会出现钢轨伤损。钢轨伤损是指钢轨在车辆运营过程中，发生裂纹、折断及其他影响和限制钢轨使用性能的伤损[1]。

钢轨伤损的分类：钢轨伤损种类很多，常见的有轨腰螺栓孔裂纹、轨头核伤、磨耗等，归类主要分为钢轨接触疲劳和伤损钢轨磨耗两种。钢轨磨耗是指钢轨发生在小半径曲线的波浪形磨耗和侧面磨耗。在小半径曲线上，侧面磨耗发生在外股钢轨上，在曲线上运行的列车，轮轨的摩擦与滑动时造成外轨侧磨的根本原因。钢轨波磨，即钢轨波浪形磨耗，指的是钢轨投入运行后在钢轨轨头或侧面出现的有一定规律的周期性的波浪形不均匀磨损和塑性变形[2]。

钢轨双轮伤损特性试验研究现状：钢轨伤损特性试验多利用赫兹模拟准则进行实验室钢轨磨损再现实验研究，试件分别从钢轨和车轮上裁取，采用双轮滚动接触方式，实验设备主要为摩擦磨损试验机，上试样轴和下试样通过两速电动机带动转动，试验采用赫兹模拟准则进行，是为了确保实验条件下模拟轮轨试件间的平均接触应力和接触椭圆的长短轴之比与现场中的相同[3]。试验研究方面涉及硬度、重量、车速、轴重、曲率半径、材料及试件锈蚀情况等因素。试验通过称重得出磨损量、电子显微镜观察试件的接触表面等方法获得试验结论，实验设备及试件形式与图1类似。

2 赫兹接触理论在滚动试验中的应用

2.1 赫兹接触理论

H.R.赫兹在1881年最早研究了玻璃透镜在相互接触的力下发生的弹性变形。他假设：（1）接触面呈椭圆形；（2）相接触的物体可被看作是弹性半空间，接触面上只作用有分布的垂直压力；（3）接触区发生小变形。凡满足以上假设的接触称为赫兹接触。外加压力与接触应力呈非线性关系，并与材料的弹性模量和泊松比有关。

2.2 试件尺寸确定

3 实验结果处理与结论的得出

3.1 硬度测量

在实验过程中，可以通过硬度仪器对试件的硬度进行测量，试件实例如表1所示。

3.2 磨损量测量

磨损量的测量主要通过称重试件质量实现，可使用TG328A型机械式光电分析天平对磨损前后轮轨试样的质量进行多次称量，称重结果质量差的平均值作为轮轨试样的磨损量。

3.3 轮轨滚动剥离特性

剥离特性的研究主要通过扫面电镜进行观测分析实现，对横断面微观形貌及摩擦副磨痕表面通过使用扫描电子显微镜（SEM）进行观测分析，并结合EXD谱对摩擦副主要磨损机制进行探讨。

3.4 结论的得出

在通过多面方面的结果分析以后得出结论：（1）轮轨的硬度比

增大，摩擦副的总磨损量也随之增大。（2）钢轨硬度随着钢轨材料含碳量的增大而逐渐升高，磨损量随硬度增大而减小，车轮磨损量随硬度增大而增加，且磨损表面逐渐平滑。

4 钢轨伤损特性试验的意义

研究钢轨磨损的问题越来越重要，磨损问题不仅影响到列车行车安全，还大大的增加了铁路运输成本。在不同的工况下，轮轨各自表现出不同的性能；在相同工况下，不同材料的摩擦副，也表现出迥然不同的性能。加强对滚动接触疲劳形成机理和重载及高速钢轨磨损问题的研究，并研究轮轨材料在不同工况下的合理材料匹配，对有效预防或减缓钢轨磨损和滚动接触疲劳损伤，提高铁路运输的安全稳定性有着重要的意义[5]。

5 结论与展望

结论：列车运行速度的提高，促使接触疲劳裂纹更易扩展。列车轴重和铁路运量的增大，钢轨磨损愈加严重。所以改善轮轨损伤的问题己成为迫切需要研究的重要课题。文章对双轮滚动对磨的钢轨伤损特性试验进行了研究，钢轨伤损特性试验涉及到轮轨材料的合理匹配、机车的运行速度、机车的轴重、轨道的几何形位、新型打磨技术的研发等问题，对诸如此类问题的研究有重要意义。

展望：随着我国重载与高速铁路的快速发展，轮轨由于滚动接触疲劳与磨损引起的失效损伤变得越来越严重，已成为影响铁路运输安全的重要因素。诸如双轮对磨等类型的钢轨伤损特性试验在对钢轨的伤损机理的研究将起到越来越重要的作用。其应该具备以下特征：（1）对现实中轮轨接触进行再现模拟，方便，容易操作和施行；（2）可以融入硬度、重量、车速、轴重、曲率半径和材料等多方面因素，可以对钢轨伤损特性进行多方面研究；（3）实验试件尺寸小，取材廣泛，节省实验经费，便于安装和人员操作；（4）试件的尺寸的确定和试件的制备更加规范化，更符合现实中轮轨对磨的各项参数。（5）更多的与有限元软件模拟结合在一起解决实际问题。

参考文献

[1]郝瀛.铁道工程[M].北京：中国铁道出版社，2000.

[2]张伟.钢轨滚动磨损性能试验研究[J].润滑与密封，2007，1（1）.

[3]刘启跃.钢轨磨损特性试验研究及分级使用建议[J].润滑与密封，2008，11.

[4]C. Hardwick. Wheel and rail wear-Understanding the effects of water and grease[J].Contents lists available at Science Direct Wear，2013，4.

[5]范俊杰.现代铁路轨道[M].北京：中国铁道出版社，2001.