钢轨鱼鳞伤损量化评价方法

随着铁路运营朝着高速重载方向发展,钢轨与车轮之间以鱼鳞伤损为主的滚动接触疲劳变得越来越严重^[1]｡钢轨鱼鳞伤损会进一步发展为剥离脱落､掉块,甚至发展为核伤导致钢轨断裂,严重影响钢轨的使用寿命和行车安全,鱼鳞伤损是困扰铁路部门和各钢厂的一大难题^[2-3]｡

国内外对钢轨鱼鳞伤损进行了大量的研究,但是目前国内外对钢轨鱼鳞伤损没有统一具体的量化评判指标,还停留在定性分析的阶段,只是凭借肉眼观察来主观评判鱼鳞伤损的严重程度,难以对鱼鳞伤损初期萌生和后期发展的程度进行准确判断和评价,影响了钢轨鱼鳞伤损研究水平的发展｡本文简要介绍了鱼鳞伤损的特征和萌生扩展机理,并结合实际线路中钢轨使用情况,提出了鱼鳞伤损发展程度的量化评价方法,有效提高了钢轨鱼鳞伤损统计效率和精度｡

1 钢轨鱼鳞伤损

1.1 形貌特征

钢轨鱼鳞伤损是指钢轨铺设运行一段时间,在曲线上股和直线段间断性交替出现接触疲劳裂纹,见图1｡在轮轨交变应力的作用下裂纹会快速扩展,发展为钢轨剥离脱落和掉块^[4]｡

图1 鱼鳞伤损示意图

钢轨鱼鳞伤损裂纹分布密集,裂纹细短,通常伴随着一定的塑性变形和掉块现象,在发展初期宏观形貌主要为轨角处45°斜裂纹,这是轮轨切向力和法向力作用的结果｡在车轮的反复挤压下,裂纹顺着塑性流动方向扩展,最终相互贯穿造成轨角材料剥离,出现斜裂纹加剥离掉块的“混合型”伤损形式,见图2｡到鱼鳞伤损发展的后期阶段,钢轨轨头踏面和轨角处基本全部为剥离掉块｡

图2 钢轨“混合型”鱼鳞伤损

1.2 萌生扩展机理

钢轨鱼鳞伤损本质属于滚动接触疲劳缺陷(RollingContactFatigue)｡轮轨接触过程中,钢轨受到巨大的滚动接触应力作用,其个轨头踏面以下某一深度材料内部出现最大剪切应力分布,见图3｡

图3 钢轨接触应力示意图

特别是在小半径曲线区域,最大剪切应力会大大高于钢轨材料的屈服强度极限_[5-6]｡钢轨表层材料会出现微量塑性变形并且逐渐累积,随着轮轨循环作用,材料循环硬化到一定程度后出现塑性耗竭,钢轨沿车轮运动方向出现不可逆转的塑性流动,当塑性流动超过材料的变形极限时,钢轨表面出现众多微裂纹^[7],见图4｡

图4 钢轨鱼鳞伤损萌生示意图

钢轨表面鱼鳞微裂纹初始阶段以小锐角向内部延伸,到一定深度后,逐渐转向与踏面平行的方向继续发展,最终会以圆周状扩展到轨角,最终材料脱落形成鱼鳞剥离掉块^[8]｡

1.3 影响因素

影响鱼鳞伤损的因素很多,但从本质上来说,钢轨材料成分和微观结构是内因,而使用条件､工况及维护是外因,其主要影响因素有^[9-10]:(1)钢轨材质,材料是影响鱼鳞伤损的主要因素,合金组织稳定性和均匀性越好,材料的疲劳强度越高,钢轨鱼鳞伤损发展越轻微;(2)曲线半径,曲线半径越小,轮轨接触应力越大,当接触应力超过钢轨的接触疲劳裂纹萌生抗力时,将导致鱼鳞裂纹的形成和发展;(3)外部介质,水或油等液体介质容易渗进表面裂纹内部,在外在压力作用下,形成很大的内应力加速裂纹的扩展,(4)养护情况,线路养护和打磨可以使轮轨配合维持在良好的状态,减小轮轨接触应力,从而减缓鱼鳞伤损｡

2 鱼鳞伤损量化评价方法

结合钢轨长期线路跟踪经验和鱼鳞伤损形态^[11],得到鱼鳞伤损量化评价方法,采用单位长度上鱼鳞裂纹或者剥离掉块的数量来评价,对不同长度的裂纹和不同直径的掉块面积取不同的加权系数｡加权系数是根据线路伤损跟踪经验设定的,设定原则是尽可能准确的反映鱼鳞伤损情况｡提出了鱼鳞伤损量化指数R的计算方法,通过公式计算出钢轨鱼鳞伤损发展程度量化指数R,R数值的大小可直观反映钢轨鱼鳞伤损的发展程度,目前该方法正在逐步向武汉和郑州铁路局推广｡

2.1 鱼鳞伤损发展程度量化指数R

初期鱼鳞伤损主要以轨角处鱼鳞斜裂纹为主,选取整体上最具代表性的伤损区间,对一定长度L(L为100mm~200mm)的钢轨上的鱼鳞裂纹数量进行统计,其中根据不同裂纹长度H统计的裂纹数量分别为K₁(0mm≤H<10mm)､K₂(10mm≤H<20mm)､K₃(20mm≤H<30mm)､K₄(H≥30mm)｡

对于后期的剥离掉块,对一定长度L的钢轨上的鱼鳞掉块数量进行统计,其中根据不同掉块的最大直径D统计的掉块数量分别为N₁(0mm≤D<3mm)､N₂(3mm≤D<6mm)､N₃(6mm≤D<10mm)､N₄(D≥10mm)｡

则钢轨鱼鳞伤损发展程度量化指数R计算公式如下:

$$R=\frac{(K_1+K_2\times 1.2+K_3\times 1.5+K_4\times 2)+(N_1\times 5+N_2\times 8+N_3\times 10+N_4\times 20)}{L}$$

2.2 实际线路应用

对武汉､南昌､郑州铁路局线路进行了跟踪｡钢轨材质均为U75V,均为客货混运线路,在实际线路运营中,钢轨养护情况和力学性能相差不大,钢轨线路条件和使用时间是影响鱼鳞伤损的关键因素,其中小半径曲线处为鱼鳞伤损高发地段,因此跟踪路段均选为小半径曲线｡采用鱼鳞伤损量化评价方法进行评价,现场应用表明,该方法简单快捷,可准确反映鱼鳞伤损发展水平,大大提高了鱼鳞伤损统计效率和精度｡

南昌铁路局京九线某段运行3个月的钢轨,客货混运,线路弯曲半径为600m,观察钢轨处于初期鱼鳞伤损阶段,表现为鱼鳞状斜裂纹,未出现掉块,见图5｡采用鱼鳞伤损发展程度量化评价方法进行测量:对100mm长度上的裂纹进行统计,根据不同裂纹长度统计的裂纹数量分别为K₁=21､K₂=12､K₃=3､K₄=0｡

图5 钢轨初期鱼鳞裂纹

钢轨鱼鳞伤损发展程度量化指数R计算如下:

$$R=\frac{(21+12\times1.2+3\times1.5+0\times2)}{100}=0.399$$

郑州铁路局新荷线某段运行8个月的钢轨,客货混运,线路弯曲半径为700m,观察处于鱼鳞伤损中期扩展阶段,表现为鱼鳞状斜裂纹和剥离掉块的混合型伤损,见图6｡对110mm长度上的裂纹和掉块数量进行统计,裂纹数量分别为K₁=0､K₂=15､K₃=10､K₄=2;掉块数量分别为N₁=18､N₂=4､N₃=0､N₄=0｡

图6 钢轨混合型鱼鳞伤损

钢轨鱼鳞伤损发展程度量化指数R计算如下:

$$R=\frac{(0+15\times1.2+10\times1.5+2\times2)+(18\times5+4\times8+0\times10+0\times20)}{110}\approx1.45$$

武汉铁路局京广线某段运行16个月的钢轨,客货混运,线路弯曲半径为700m,处于钢轨严重鱼鳞伤损后期阶段,轨角及踏面处大量鱼鳞剥离掉块伤损,见图7｡对110mm长度上的掉块数量进行统计:N₁=45､N₂=17､N₃=6､N₄=2｡

图7 钢轨严重鱼鳞掉块

钢轨鱼鳞伤损发展程度量化指数R计算如下:

$$R=\frac{(45\times5+17\times8+6\times10+2\times20)}{110}\approx 4.19$$

可知,该线路R为4.19，钢轨处于钢轨严重鱼鳞伤损阶段｡鱼鳞剥离掉块已从轨角大范围扩展至踏面,线路工务人员已发现车轮驶过该处时出现异响和较大横向偏移,列车有蛇形失稳的趋势,目前正在准备更换该处的鱼鳞伤损钢轨｡

结合钢轨使用情况,根据统计计算得到的R值,可以准确评判钢轨鱼鳞伤损的发展程度,R值越高,钢轨鱼鳞伤损发展程度越严重｡可大致分类为:

\(0\leq 犚<0.5\),钢轨鱼鳞伤损初期阶段,有少量轻微鱼鳞斜裂纹;\(0.5\leq R<1.0\),钢轨鱼鳞伤损中期阶段,有较多鱼鳞斜裂纹及少量掉块;\(1.0\leq R<2\),钢轨鱼鳞伤损扩展阶段,有较多鱼鳞掉块及少量斜裂纹;\(R≥2\),钢轨严重鱼鳞伤损阶段,有较多鱼鳞掉块,严重影响行车安全,需及时更换钢轨｡

3 结论

(1)鱼鳞伤损的出现是由于轮轨之间的交变接触应力过大,材料内部最大剪切应力超过钢轨剪切极限,从而产生微裂纹,裂纹快速扩展形成表面鱼鳞伤损｡

(2)结合实际线路中钢轨使用情况,提出了钢轨鱼鳞伤损发展程度的量化评价方法,通过统计计算量化评价指数R的大小,可以方便直观的评价钢轨鱼鳞伤损发展的程度,提高了钢轨鱼鳞伤损统计效率和精度｡

(3)钢轨鱼鳞伤损与众多因素有关,在提高钢轨材料性能的同时,工务部门也要加强钢轨的维护和检查,对于量化评价指数R≥2的钢轨,应加强检查力度,及时进行打磨处理或者更换钢轨,保障铁路行车安全｡

文章来源：

原文名称：钢轨鱼鳞伤损及其量化评价方法

作者信息：费俊杰^１ 　周桂峰^１ 　徐　进^２ 　齐江华^１ 　周剑华^１ 　朱　敏^１

单位信息：(1 .武钢研究院 湖北 武汉:430080 ;2 .武汉铁路局工务处 湖北 武汉:430071)

文献出处： 武汉工程职业技术学院学报， 2016, 28(1)