CN100507501C - 钢轨接触疲劳试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨接触疲劳试验方法，旨在提供一种可对钢轨在不同线路条件的接触疲劳伤损特点进行试验研究试验方法。它通过试样轮(10)与陪磨样轮(20)之间的相对滚动进行，采用具有弧形外圆周面的试样轮(10)，通过改变试样轮轴(11)与陪磨样轮轴(21)之间的夹角α对直线条件、不同曲线半径条件下的钢轨接触疲劳进行模拟试验。

Description

钢轨接触疲劳试验方法

技术领域

本发明涉及金属材料接触疲劳性能的试验方法，特别涉及钢轨接触疲劳性能的试验方法。

背景技术

近年来，随着铁路运输的发展，车辆运行速度的提高、轮重和运量(行车密度)的增加，钢轨的接触疲劳伤损越发突出，并且还出现了新的接触疲劳伤损特征--“斜裂纹”伤损，导致多起断轨事故发生，并造成列车颠覆。因此钢轨的接触疲劳伤损严重危及行车安全。对此，钢轨的接触疲劳伤损越来越引起钢轨生产厂和铁路部门技术人员的关注，对其产生原因进行了大量的研究。这些研究主要集中在二个方面，一是实验室试验研究，二是根据线路钢轨的接触疲劳伤损状况，结合钢轨的使用情况进行分析研究。实验室研究主要是在通用的金属材料接触疲劳试验机上进行试验(如JPM-1型试验机等)，研究不同品种钢轨的抗接触疲劳性能。

目前，国内钢轨接触疲劳试验均按照GB10622-89《金属材料滚动接触疲劳试验方法》>进行。该方法是通过试样轮与陪磨样轮之间的相对滚动来进行磨损试验，试样轮与陪磨轮的接触面为平面，试样轴与陪磨轮轴在同一平面上。这种试验方法只能研究各种金属材料(包括钢轨)本身的抗接触疲劳伤损性能。它存在如下两方面的不足：(1)由于试样与陪磨轮接触面的接触状态与钢轨同车轮的实际接触状态有差异，因此不能模拟轮轨的实际接触状态进行试验；(2)试样轴与陪磨样轮轴在同一平面上且相平行，轴间不能调整夹角，因此不能进行钢轨在不同曲线半径条件的接触疲劳伤损试验。由于存在上述的不足，因此该试验方法不能试验研究和了解具体的线路运营条件与钢轨接触疲劳伤损的关系，不能为钢轨的合理选用和钢轨接触疲劳伤损的有效治理提供有力的依据，试验数据的针对性、实用性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种钢轨接触疲劳试验方法，通过该方法可对钢轨在不同线路条件的接触疲劳伤损特点进行试验研究。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的钢轨接触疲劳试验方法，通过试样轮与陪磨样轮之间的相对滚动进行，其特征是：采用具有弧形外圆周面的试样轮和陪磨样轮，通过改变试样轮轴与陪磨样轮轴之间的夹角α对直线条件、不同曲线半径条件下的钢轨接触疲劳进行模拟试验。

在上述技术方案的基础上，通过对所述试样轮轴施加夹紧力，可对不同制动力条件下的钢轨接触疲劳进行模拟试验，通过对所述试样轮轴施加垂直载荷，可对不同轮重条件下的钢轨接触疲劳进行模拟试验。

本发明的有益效果是，可对钢轨在不同线路条件的接触疲劳伤损特点进行试验，有助于清楚地了解列车速度、线路曲线半径、列车轮重、线路总运量等对钢轨接触疲劳伤损的影响。掌握钢轨在这些线路条件下的接触疲劳伤损特点，对钢轨的合理使用、钢轨的接触疲劳伤损治理，以及新品种钢轨的研究开发将会起到重要的指导作用。

附图说明

图1是现有钢轨接触疲劳试验中所采用试样轮与陪磨样轮的结构及配置方式的示意图；

图2是本发明钢轨接触疲劳试验中所采用试样轮与陪磨样轮的结构及配置方式的示意图；

图3是试样磨面接触疲劳伤损形貌照片；

图4是接触疲劳裂纹向试样里层的扩展形貌照片；

图5是试验例1试样的接触疲劳裂纹长度统计图；

图6是试验例2试样的接触疲劳裂纹长度统计图。

图中零部件、部位及相应标记：试样轮10、试样轮轴11、陪磨样轮20、陪磨样轮轴21。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1示出了现有钢轨接触疲劳试验中所采用试样轮与陪磨样轮的结构及配置方式。参照该图，试样轮与陪磨样轮为平面接触，不符合轮轨的实际接触方式。试样轮轴与陪磨样轮轴固定在一平面内，试样轮轴不能转动角度，不能与陪磨样轮轴间形成一定夹角，不能实现对不同曲线半径的试验。因此该试验方法不能试验研究和了解具体的线路运营条件与钢轨接触疲劳伤损的关系，不能为钢轨的合理选用和钢轨接触疲劳伤损的有效治理提供有力的依据，试验数据的针对性、实用性较差。

参照图2，本发明的钢轨接触疲劳试验方法，通过试样轮10与陪磨样轮20之间的相对滚动进行。采用具有弧形外圆周面的试样轮10和陪磨样轮20，通过改变试样轮轴11与陪磨样轮轴21之间的夹角α对直线条件、不同曲线半径条件下的钢轨接触疲劳进行模拟试验。

所模拟的曲线半径R与夹角α的关系式如下：

$\mathrm{\α}=\frac{\frac{17.5\×R\×{10}^3}{3000}+1500}{R\×{10}^3}$

注：α—试样轮轴11与陪磨样轮轴21之间的夹角

    R—曲线半径(m)

所述夹角α为0～4度。

所述试样轮10和陪磨样轮20弧形外圆周面的弧形半径R58～63mm。

试样轮10与陪磨样轮20的接触面为弧形，弧形半径为R58～63mm，弧形半径尺寸是依据轮轨接触的实际状态计算的。不同断面规格的钢轨其轮轨接触状态不同，弧形半径值不同。

试验中陪磨样轮20为主动轮，试样轮10为从动轮。试验中需要研究不同列车速度对钢轨接触疲劳伤损的影响时，根据设定的列车速度来计算试样的模拟转速，再通过陪磨样轮20的转速来控制和实现试样轮10所需的转速。

试验中试样轮10与陪磨样轮20是通过相对滚动进行摩擦磨损试验。当试样轮轴11与陪磨样轮轴21在同一平面相互平行时(即α＝0)，模拟研究的是列车在直线状态行驶时钢轨的接触疲劳伤损状况。当在水平方向转动试样轴，使试样轴与陪磨样轴在水平方向形成一定夹角α(也叫冲角)，此状态就能模拟研究列车在曲线上行驶时钢轨的接触疲劳伤损状况。调整试样轴与陪磨样轴之间不同的夹角α大小，实现对不同曲线半径的试验。

在上述技术方案的基础上，通过对所述试样轮轴11施加夹紧力，即可对不同制动力条件下的钢轨接触疲劳进行模拟试验。

试验中分别对试样轮轴11施加2kg～8kg的夹紧力进行试验，以研究不同制动力条件下试样的接触疲劳伤损特点

在试验中对试样轮轴11施以一定的夹紧制动力，迟滞试样轮10的转动速度，使试样轮10与陪磨样轮20间形成一定滑差，由此实现模拟列车行驶过程的滚动+滑动状态的试验，也模拟列车行驶中刹车状态对钢轨伤损的试验。

通过对所述试样轮轴11上施加垂直载荷，即可对不同轮重条件下的钢轨接触疲劳进行模拟试验。

所模拟轴(轮)重G与试验室试验载荷P_lab的关系式如下：

注：P_lab—试验载荷(kg)

$A_{\mathrm{railway}}=\frac{1}{2}\×(\frac{1}{300}+\frac{1}{625})=0.00247$

$A_{\mathrm{lab}}=\frac{1}{2}\×(\frac{1}{31}+\frac{1}{61}+\frac{1}{576.5})=0.02520$

G_轮重—列车轮重(kg)

K—系数，其值为0.3

所述垂直载荷为80～300Kg。

试验中向试样轮轴11施加不同的载荷，试样轮10与陪磨样轮20间的压力增大，此时就实现了不同轮重的试验。施加的载荷力大小是根据列车不同的轮(轴)重对钢轨产生的最大接触应力而计算，需满足σ_lab＝σ_railway，即试验时试样的最大接触应力与线路钢轨的最大接触应力相等准则。

试验例1：

本试验例是用本发明的试验方法，对不同车速条件的钢轨接触疲劳伤损特点进行模拟试验研究。将经试验后的试验样用线切割方式横向切开，经磨制后在金相显微镜和电镜下观察分析接触疲劳裂纹形貌特征和测量每条接触疲劳裂纹长度，由此来分析每个试样的接触疲劳伤损特点。试样的接触疲劳裂纹长度越长，表明接触疲劳伤损越严重。

图5结果表明了车速在200km/h以下时，随车速提高试样的接触疲劳裂纹长度增加，车速达300km/h时试样的接触疲劳裂纹长度明显减小。由此表明了车速在200km/h以下时随车速提高钢轨的接触疲劳伤损加重，车速在200km/h以上时随车速提高钢轨的接触疲劳伤损减轻。这一研究结果突破了以前的随车速提高钢轨接触疲劳伤损程度加剧的普遍观点。

表1 试验例1试验样用钢轨和试验参数

 

试样用钢轨	模拟车速(km/h)	模拟轮重(吨)	曲线半径(m)	制动力(kg)	试验周期(万转)
						U75V热轧钢轨	100160200300	25	1200	5	100

试验例2：

本试验例是用本发明的试验方法，对不同曲线半径条件的钢轨接触疲劳伤损特点进行模拟试验研究。

对试样的检验分析方法同试验例1。试样磨面的接触疲劳伤损形貌和裂纹扩展形貌与实施例1的试样相类似，这里不再例图。

表2 试验例2试验样用钢轨和试验参数

图6的结果表明，曲线半径1200m时的接触疲劳裂纹长度比曲线半径2000m和800m时短，表明曲线半径1200m时的接触疲劳伤损程度比2000m和800m轻。这一结果突破了以前的随曲线半径减小钢轨的接触疲劳伤损程度成递增加剧的普遍观点。

Claims (6)

1、钢轨接触疲劳试验方法，通过试样轮(10)与陪磨样轮(20)之间的相对滚动进行，其特征是：采用具有弧形外圆周面的试样轮(10)，通过改变试样轮轴(11)与陪磨样轮轴(21)之间的夹角α对直线条件、不同曲线半径条件下的钢轨接触疲劳进行模拟试验。

2、如权利要求1所述的钢轨接触疲劳试验方法，其特征是：所述夹角α为0～4度。

3、如权利要求1或2所述的钢轨接触疲劳试验方法，其特征是：所述试样轮(10)弧形外圆周面的弧形半径R58～63mm。

4、如权利要求1所述的钢轨接触疲劳试验方法，其特征是：所述试样轮轴(11)上施加夹紧力，对不同制动力条件下的钢轨接触疲劳进行模拟试验。

5、如权利要求1所述的钢轨接触疲劳试验方法，其特征是：所述试样轮轴(11)上施加垂直载荷，对不同轮重条件下的钢轨接触疲劳进行模拟试验。

6、如权利要求5所述的钢轨接触疲劳试验方法，其特征是：所述垂直载荷为80～300Kg。

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