高速铁路钢轨硌伤疲劳扩展模拟试验研究

2022-10-11周韶博尹利钧杨光李英奇刘佳朋赵鑫

铁道建筑 2022年9期

周韶博尹利钧杨光李英奇刘佳朋赵鑫

1.中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081；2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都610031

高速铁路钢轨硌伤已引起铁路工务部门的普遍重视［1-2］。钢轨硌伤多由车轮碾压异物产生，在钢轨表面形成凹坑，影响轨道纵向平顺性，其尖锐边缘还可能造成车轮踏面伤损。凹坑在轮轨载荷持续作用下进一步发展为滚动接触疲劳伤损，危及行车安全。凹坑的深度和几何形状均影响硌伤的疲劳扩展，现场典型的钢轨硌伤有圆锥形、方锥形、球形、长条形4种［3］。

文献［4］通过数值计算得出了包含硌伤在内的轨头表面缺陷发展为隐伤的关键尺寸是6~8 mm。文献［5］通过试验发现硌伤凹坑内的裂纹会在水润滑作用下急剧扩展，裂纹角度越大越容易向内部扩展。文献［6］通过测试发现硌伤坑底部的材料抗疲劳性能最差。文献［7］对某钢轨踏面的硌伤进行了分析，发现硌伤后的钢轨基体组织产生了微裂纹和严重塑性变形。文献［8］发现硌伤坑尺寸的增大会增加钢轨产生滚动接触疲劳的风险。

本文通过实验室条件下小比例钢轨试样表面预制硌伤的滚动疲劳试验，模拟研究不同几何形状和深度钢轨硌伤的疲劳扩展规律和特征，为高速铁路钢轨硌伤合理限值的确定提供试验基础和数据支撑。

1 试验材料及方法

试验采用GPM-30双盘式（Twin-disc）摩擦磨损试验机（图1）。该型试验机可通过控制转速、接触压力、蠕滑率、润滑条件等参量模拟不同工况下金属材料纯滚动以及滚滑复合状况下的摩擦磨损行为。

图1 GPM-30试验机和轮轨试样安装

选用我国高速铁路使用的ER8车轮及U71MnG钢轨材料，主要合金元素及含量见表1。ER8车轮、U71MnG硬度分别为261、277 HV0.5，伸长率分别为17.5%、15.0%。

表1 试验用轮轨材料主要合金元素及含量 %

轮轨圆盘形试样分别取自车轮轮辋中部及钢轨轨头上部，如图2所示。试验机上下主轴转速相同，通过设置轮轨试样直径差来模拟轮轨间黏着饱和状态的恶劣工况。车轮试样直径取60.00 mm，钢轨试样直径取59.52 mm，相应蠕滑率为-0.8%。轮轨试样厚度均为20 mm，钢轨试样上设有厚5 mm的凸台（图3）。

图2 轮轨试样取样位置示意（单位：mm）

图3 轮轨试样尺寸及接触示意（单位：mm）

试验中模拟的高速铁路动车组轴重17 t，轮径920 mm，钢轨轨顶圆弧半径为300 mm，轮轨材料杨氏模量取206 GPa，泊松比取0.28；采用Hertz接触理论计算可得接触斑最大法向应力为1 150 MPa；相应实验室轮轨试样所需施加试验力为2 699 N。试验机主轴转速设置为900 r/min，为加速钢轨试样硌伤的裂纹萌生和扩展，采用油润滑条件。试验总循环达到50万转（约10 h）或伤损发展导致机器振动超过25 dB时停机。

采用机床压制方式在钢轨试样表面预制硌伤，如图4所示，从左到右依次为圆锥形、方锥形、球形、长条形硌伤。每个试样圆周上均匀预制8或16个硌伤（轮盘U5为16个，其余为8个）。Hertz理论计算钢轨试样承受的最大剪应力位置在接触表面以下0.745a~0.785a处（a为接触斑短轴半长），深约0.23 mm。结合文献［9］试验结果，预制硌伤深度取0.1~0.3 mm。试样硌伤深度见表2。其中轨盘U5上有8个硌伤预定深度为200 μm，另8个为250 μm。

表2 预制硌伤试样硌伤深度 μm

图4 预制硌伤压头示意（单位：mm）

试验前后使用MVK-H21显微硬度计、电子天平、OLS4100激光共焦显微镜、金相显微镜等仪器分别对试样表面硬度、质量、表面形貌及凹坑深度、局部滚动接触疲劳（Rolling Contact Fatigue，RCF）伤损的剖面金相组织和形貌进行观察。

2 试验结果及分析

2.1 加工硬化与磨耗

试验前后各组轮轨试样的表面维氏硬度和质量损失测试结果见图5。可知：轨盘试样硬度增加值为6~12 HV0.5，轮盘试样硬度增加值为11~27 HV0.5；试验前后的质量损失则均在20 mg以内，钢轨试样略高于车轮试样。与干态试验结果相比［10］，轮轨试样的加工硬化和磨损都较为轻微，这与油态下试样间的摩擦因数显著较小有关。

图5 试验前后各组轮轨试样表面硬度和质量损失

2.2 表面形貌和硌伤深度

试验过程中，多数硌伤没有扩展形成显著的疲劳裂纹和剥离掉块伤损，硌伤坑的深度都显著减小，见图6、图7。图7中x为车轮滚动方向，z为垂直于钢轨表面方向。

图6 各典型硌伤试验前后表面形貌

图7 各典型硌伤的深度变化曲线

由图6、图7可知：试验后，圆锥形和方锥形硌伤的宽度和深度都明显缩小，在沿滚动方向的切向力作用下被拉长为椭圆形，形似一条沟槽；球形硌伤坑边缘在滚动接触载荷下发生钝化，随着滚动循环次数增加被逐渐磨平；长条形硌伤坑在试验过程中发生闭合，演化为一条横向的细线。

2.3 局部滚动接触疲劳伤损

根据钢轨试样伤损特征将硌伤疲劳扩展形成的局部RCF伤损分为表面裂纹、浅层剥离和深层掉块。

图8（a）和图8（b）分别为U3-3#方锥形硌伤试验前后的表面形貌。可知：该硌伤在试验后出现了表面裂纹和轻微剥离，硌伤坑尺寸在试验后显著缩小，但在凹坑边缘有多处不同方向的疲劳裂纹分布，且裂纹走向不一。试验后凹坑的纵向剖面金相照片见图8（c）。可知：方框区域有不规则的细微裂纹和空穴，次表面的空穴是硌伤凹坑受塑性变形影响未完全闭合而形成的；在硌伤中后位置有沿滚动方向扩展的多个疲劳裂纹，扩展深度达150 μm。

图8 U3-3#方锥形硌伤表面形貌和纵向剖面金相照片

图9（a）和图9（b）分别为U1-1#圆锥形硌伤试验前后的表面形貌。可知：硌伤坑发生了浅层的剥离掉块。试验后凹坑的纵向剖面金相照片见图9（c）。可知：裂纹起源于硌伤坑的后缘，沿25°方向斜向下扩展，主裂纹最大深度达872 μm，且底部分叉后较大的枝裂纹已转向向上扩展；主裂纹在扩展中产生了3处较严重的枝裂纹，沿60°方向向上扩展，与起源于表面的裂纹交汇，将引发更严重的剥离掉块。

图9 U1-1#圆锥形硌伤表面形貌和剖面照片（单位：mm）

图10为U2-8#长条形硌伤试验前后表面形貌和试验后凹坑纵向剖切后的金相照片。可知：裂纹同样起源于硌伤凹坑的后缘，沿28°方向向下扩展，主裂纹最大深度达到1 625 μm；疲劳部位已经发生两次较大的剥离掉块；与圆锥形硌伤疲劳裂纹相似，该硌伤主裂纹的扩展过程中也产生了多个向上发展的枝裂纹。

图10 U2-8#长条形硌伤表面形貌和剖面照片（单位：mm）

3 统计分析

试验中4类共56个硌伤中，有14个硌伤进一步发展为局部RCF伤损，见表3。可知：球形硌伤在试验中产生的局部RCF伤损最少，仅有1个；3个方锥形硌伤导致的RCF伤损均为表面裂纹类型；圆锥形和长条形硌伤各发展出5个局部RCF伤损。整体来看，发生RCF伤损的硌伤初始深度集中在150 μm以上，圆锥形和长条形硌伤更容易发展出局部RCF伤损。

表3 钢轨试样局部RCF伤损信息汇总

硌伤的滚动疲劳发展与硌伤的深度、几何形状密切相关。钢轨硌伤是钢轨表面的一种缺口伤损，在滚动循环中，缺口不承受外力而将其传递至缺口前方材料，会产生应力集中。应力集中的程度用理论应力集中系数（因子）Kt表示，Kt=σmax/σn，其中σmax和σn分别为集中应力和名义应力。缺口越尖锐，Kt值越大，表明应力集中现象越显著，同时缺口试样的疲劳极限下降也越多［11］。4种硌伤形式中，相同深度下球形硌伤的Kt最小，圆锥形硌伤的Kt最大，方锥形和长条形硌伤介于二者之间，相应地在试验中产生不同程度的应力集中和局部材料疲劳极限下降。此外，硌伤坑外形越尖锐，深度越大，硌伤坑内部和边缘材料的塑性应变也越大［12］，进一步影响硌伤坑内部材料疲劳裂纹萌生。

球形硌伤坑为半径2 mm的部分球面。在深度较小时，硌伤坑内部材料的变形轻微，整体协调变形使得硌伤坑边缘被压延、钝化并趋于消失；当深度增加至150 μm以上时，塑性应变加速累积，局部强度和残余应力的提高使其无法通过协调变形而变得平整，但应力和应变分布仍相对均匀，不易产生疲劳裂纹。

对于圆锥形和方锥形硌伤，底部尖角和棱边位置非常尖锐，可能在预制硌伤时产生裂纹［7］，硌伤后的残余应力和应变也显著高于其他硌伤形式。硌伤深度较大时，这2种硌伤在滚动疲劳试验中倾向于闭合，但底部和棱边位置因难于变形而形成空穴和微裂纹（参见图7），在滚动载荷和油楔效应作用下产生局部RCF伤损。这种硌伤凹坑顶部闭合而内部存在空穴和微裂纹的伤损状态，可能是钢轨隐伤的一种产生方式。

长条形硌伤模拟条形铁钉类异物的硌入，其两端与圆锥形、方锥形的尖端相似；试验中深层的剥离掉块多起源于长条形硌伤的两端位置。此外，由于长条形硌伤较长，两端位于钢轨试样接触面的边缘［参见图10（a）］，与接触面中心的硌伤形式相比缺少横向约束，其横向塑性变形叠加也对伤损发展有不利影响。

油润滑条件不仅降低了表面的摩擦因数，减轻了磨损的影响，而且由于润滑油进入凹坑和疲劳裂纹内部而引起的油楔效应，加速了硌伤伤损的滚动疲劳发展。此外，考虑到尺寸效应的影响，为模拟实际大小高速铁路钢轨硌伤的演化行为，应结合干态试验和数值模拟手段开展实尺钢轨硌伤疲劳扩展的研究。