CN105352832B - 一种干态下轮轨滚动接触表面疲劳实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干态下轮轨滚动接触表面疲劳实验方法，包括如下步骤：(1)轮形对滚试样由具有一定互补锥度的轮试样和轨试样构成；(2)在分置于两转轴之上的轮试样和轨试样施以径向压力，两转轴平行或近平行设置，轮试样和轨试样之间构成线接触；(3)设置冲角和滑差；(4)实时监测和输出被测轮试样和轨试样表面疲劳裂纹损伤程度。本实验方法结合了安定极限理论，通过再现实验对轮轨表面接触疲劳损伤进行研究，探究干态下影响表面疲劳裂纹萌生和扩展的因素，阐明表面疲劳裂纹的演变规律和影响因素，从而有利于找到减轻轮轨表面疲劳损伤的方法。

Description

一种干态下轮轨滚动接触表面疲劳实验方法

技术领域

本发明涉及材料实验技术，尤其是干态下进行铁路机车轮轨接触表面疲劳损伤实验的方法。

背景技术

铁路作为人类现在和将来的和谐友好绿色交通工具，它的优点众所周知。从1997年我国铁路第一次大面积提速至今，我国的主要干线铁路经历了六次大提速。车辆在正常行驶中既有滚动也有滑动，轮轨相互作用时会产生巨大的接触应力和蠕滑现象，随着列车速度的提高和轴重的增大，轮轨动态相互作用加剧，在一定程度上加速了轮轨磨损和滚动接触疲劳损伤的发生。若不及时维护，轮轨磨损和滚动接触疲劳损伤会恶化轮轨接触关系，加大车辆的整体振动和冲击，影响行车安全性、稳定性、乘客舒适度以及造成噪声；也会缩短车辆系统其它各个部分尤其是行走部件的使用寿命。

轮轨滚动接触表面疲劳裂纹损伤的主要发展过程表现为：由于轮轨接触斑切向力和法向力的共同反复作用，材料发生塑性变形，达到一定程度后塑性变形区由于加工硬化作用而不产生新的塑性变形，从而达到一种相对稳定状态。但同时每完成一次应力—应变接触循环后，会产生一个累积残余切应变，当累积残余切应变达到材料的裂纹萌生门槛值后，裂纹将开始萌生并逐步扩展。轮轨接触表面出现有规律的疲劳裂纹，呈密集分布，裂纹进一步发展形成轻微的剥离，随时间增长在轮轨表面形成严重的剥离损伤。或者当表面裂纹达到一定深度后，疲劳裂纹快速扩展，导致形成轨头横向疲劳裂纹和横向断裂，在高速行车下容易产生突然断裂，对行车安全形成巨大的隐患。为此，我国每年用于更换和维修由于磨损和滚动接触疲劳引起的伤损轮轨的费用巨大，大大增加了企业的维修工作量和运营成本。

由于高速铁路动车组具有行驶速度高、轴重轻的特点，轮轨磨耗相对较小，轮轨表面滚动接触疲劳成为主要损伤形式。近几年，现场不断发现的一些新型表面疲劳裂纹损伤，如在广深线上发现的钢轨表面斜裂纹，就属于接触疲劳裂纹的一种特殊类型。若不及时处理，一旦扩展到临界值就会引起钢轨的疲劳断裂，严重危及高速列车的行车安全。

尽管国内外对轮轨滚动接触表面疲劳损伤分析开展了大量的研究，但大多仍处于探索研究阶段。通过现场试验可以对表面疲劳损伤的形成过程加以探讨，但其周期长、费用高，且受到各种现实因素的影响；通过有限元仿真可以定量分析表面疲劳裂纹损伤的萌生扩展行为及机理，但有限元模型往往是简化的理想化模型，不能完全反映现场接触工况。目前，国内外滚动接触疲劳实验主要在第三介质(油、水等)下进行，这与实际轮轨接触状态相差甚远，其实验结果具有一定局限性。根据滚动磨损与疲劳损伤相互作用关系，发明一种干态下轮轨滚动接触表面疲劳的实验方法对研究轮轨滚动接触表面疲劳损伤问题是十分重要和必要的。

利用轮试样和轨试样进行干态下轮轨滚动接触表面疲劳实验有利于研究表面疲劳裂纹的萌生与扩展行为，适宜于逐个研究各因素对疲劳裂纹萌生与扩展行为的影响及规律，探讨其形成机理。而且，可以在短时间内进行多参数和重复的实验验证，减少偶然因素对实验结果的影响，相对于仿真计算，更能反映实际轮轨接触工况；相对于现场试验，则实验周期短、费用低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种干态下轮轨滚动接触表面疲劳实验方法，通过再现实验对轮轨滚动表面接触疲劳损伤进行研究，结合安定极限理论，探究干态下影响表面疲劳裂纹萌生和扩展的因素，以获得表面疲劳裂纹的演变规律，提出轮轨表面疲劳损伤寿命的综合评价方法，从而找到减轻表面疲劳损伤的方法。本实验方法有助于减少轮轨表面接触疲劳损伤而引发的各种问题，提升高速轮轨运行的安全性与经济性，对我国高速铁路的持续健康发展具有重要意义，且实验结果贴近实际，重复性好，实验费用低，周期短。

为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种干态下轮轨滚动接触表面疲劳实验方法，包括如下步骤：(1)将车轮材料与钢轨材料加工成轮形对滚试样，轮形对滚试样由具有一定互补锥度的轮试样和轨试样构成，轮试样和轨试样分置于两转轴之上，两转轴平行或近平行设置，轮试样和轨试样之间构成线接触；(2)在分置于两转轴之上的轮试样和轨试样施以径向压力；(3)设置冲角和滑差：控制两转轴的转速调节使轮形对滚试样间形成滑差；调节两转轴间的平行度实质产生微小夹角而构成冲角使轮形对滚试样间产生表面蠕滑；(4)实时监测和输出被测轮试样和轨试样表面疲劳裂纹损伤程度。

步骤(1)中，需加工的轮试样和轨试样的锥度依轮试样和轨试样之间所受横向力的大小来模拟施加，当轮试样和轨试样加工成不同锥度时可模拟不同的横向力。

步骤(2)中，不同滑差工况通过两转轴不同齿数齿轮对的匹配实现，当模拟纯滚动状态时，则将齿轮对拆下。

作为一种极端情况，所述轮试样和轨试样的锥度为零时，模拟施加的横向力为零。

步骤(3)中，当通过实时观察系统观测到被测试样表面出现整圈且呈规律分布的表面疲劳裂纹时，即判定被测轮试样和轨试样出现表面疲劳损伤。

本发明的工作过程是：

将车轮材料与钢轨材料加工成轮形对滚试样，轮试样和轨试样为线接触；加工完成后对试样表面进行抛光等预处理，以保证接触表面的粗糙度。加工的轮试样和轨试样分为带锥度试样和平试样两种，轮试样和轨试样所受横向力通过试样的锥度来模拟施加，轮试样和轨试样加工成不同锥度时可模拟不同的横向力。

实验时，所需施加的径向压力大小通过结合现场实际轮轨接触应力与轮试样和轨试样尺寸，利用安定理论计算得到。

不同滑差通过不同齿数齿轮对的匹配来实现，可模拟滑差为：0.17％、0.91％、2.38％、3.83％、4.55％、9.43％；当模拟纯滚动工况时，则将齿轮对拆下。

调节转动台的角度，通过螺母将转动台固定在底座上，则可模拟轮轨冲角；实验模拟冲角范围为-3°～+3°。

当通过实时观察系统观测到被测轮试样和轨试样表面出现整圈且呈规律分布的表面疲劳裂纹时，即认为被测轮试样和轨试样出现表面疲劳损伤。

在实验进行前后，需要对轮试样和轨试样的硬度、重量、粗糙度等进行一系列测量，并在实验过程中对磨屑进行收集，以及对磨损量进行测量，从各方面对其摩擦磨损行为进行研究。

与现有技术相比，本发明方法的有益效果是：

通过把轮试样和轨试样加工成带锥度试样和平试样两种，可在实验过程中模拟轮轨的横向力，探究横向力对表面疲劳裂纹损伤萌生与扩展的影响；通过轮试样和轨试样加工成不同锥度时可模拟横向力的大小。

调节转动台的角度，通过螺母将转动台固定在底座上，可在实验过程中模拟轮轨冲角，探究冲角对表面疲劳裂纹损伤萌生及扩展的影响；实验模拟冲角范围为-3°～+3°。

轮轨接触采用线接触方式，所需施加径向压力不仅结合现场实际轮轨接触应力与轮试样和轨试样尺寸采用线接触计算公式得到，同时结合安定理论，使轮轨接触状态分别处于弹性接触区、弹性安定区、塑性安定区和棘轮效应区来研究轮轨接触应力对表面疲劳裂纹损伤萌生与扩展的影响。

附图说明

图1是本发明实施例的轮试样和轨试样尺寸示意图。

图2是本发明实施所使用的轮轨滚动磨损试验机工作过程示意图。

图3是本发明实施例所使用的轮轨滚动磨损试验机示意图。

图4是本发明实施例车轮试样磨损率随循环次数变化图。

图5是本发明实施例实验后(65万转)车轮试样表面疲劳裂纹扫描电镜照片。

图6是本发明实施例过程中车轮试样表面疲劳裂纹损伤演变显微镜照片：其中，图a、b、c、d分别为9万转、21万转、42.5万转和65万转后的破坏情况。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

实施例

本发明方法的一种具体实施方式为：

选取车轮(材料CL60)踏面处材料加工成车轮试样，选取钢轨(材料U71MnG)轨头处材料加工成钢轨试样。轮试样和轨试样为轮形对滚试样，轮试样和轨试样接触采用线接触方式，具体尺寸为：最大外径40mm，锥度为1/5，内径16mm，试样厚度10mm，水平接触宽度5mm。图1为轮试样和轨试样尺寸示意图。轮轨材料加工完成后对试样表面进行抛光等预处理。

安定理论是对滚动接触疲劳进行预测经常使用的一个理论。安定理论认为轮轨材料存在一个安定极限值。当所受接触应力大于安定极限时，每一循环载荷的作用都会导致接触体局部材料出现附加的塑性变形累积，使得物体发生塑性流动，最终发生物体累积塑性塌陷或低周疲劳磨损。

材料安定极限值为：

σ_0.2为CL60车轮材料的屈服强度，σ_0.2≥400MPa，由此可计算得到车轮材料的安定极限值为923MPa。在线接触方式作用下，要使车轮材料所承受的接触载荷超过其安定极限值，所需法向力需超过235N。

图2示出，轮轨滚动磨损试验机工作过程如下：点击按钮开启伺服电机1，伺服电机1通过带轮系统2驱动下试样5，按设定转速均匀转动；同时，依次通过由三个齿轮组成的齿轮组3、万向节4、由两个齿轮组成的齿轮对7驱动上试样6转动，从而使车轮和钢轨试样按设定转速、滑差运行。

图3示出，用轮轨滚动磨损试验机进行实验，在轮试样和轨试样安装处通过螺母安装固定好车轮与钢轨试样，6a为轨试样，6b为轮试样(如图1所示)。承载轨试样的转轴设置在底座8上，承载轮试样的转轴设置在底座8上转动的转动台9上；通过加压螺栓施加400N径向力，当锥度为1/5时，实验过程中轮试样和轨试样所受横向力与法向力之比为1:5，计算得到轮轨横向力约为80N，此时车轮材料所承受的接触载荷超过其安定极限值，容易在表面出现疲劳损伤。车轮通过曲线(弯道端的轨道)时，冲角(轮对相对于曲线径向的摇头转动)会引起轮轨之间的横向蠕滑，且导致横向蠕滑力，从而影响表面疲劳裂纹的萌生与扩展。调节转动台的角度使转动台与底座存在0.62°的夹角，通过螺母和螺杆将转动台固定在底座上，模拟曲线半径300m的轮轨冲角。为更好地再现表面疲劳裂纹损伤，必须控制轮轨磨损率，因此将齿轮对7拆下，模拟轮轨纯滚动工况。

在实验过程中每隔一定循环次数暂停实验以便测量其轮试样和轨试样磨损率，利用实时观察系统观测轮试样和轨试样表面是否出现整圈且呈规律分布的表面疲劳裂纹。实时观察系统包括便携式显微镜观察系统与输出系统，实验过程中每隔一定循环次数暂停实验，在不拆下试样的前提下将便携式显微镜贴靠在所要观察的试样表面，匀速转动试样对试样表面进行观察，同时通过输出系统连接电脑在电脑上成像，并根据需要进行拍摄、测量和图像保存等步骤。钢轨试样转速为300r/min，实验最终循环次数65万次。

图4为车轮试样磨损率随循环次数变化图。由图可见，车轮试样磨损率呈先增长后平稳的趋势。这是因为轮轨初始接触时轮试样和轨试样硬度较小，磨损率大，随实验进行轮试样和轨试样表面产生加工硬化作用，硬度升高从而使得磨损率增长趋势变缓，到最后磨损率保持基本稳定。

图5为采用本方法进行实验后车轮试样表面疲劳损伤SEM照片。由图可见，实验后肉眼可见的斜线状表面疲劳裂纹萌生并明显扩展。轮轨接触表面受到径向压力、横向力和冲角的共同作用，其表面疲劳裂纹横向长度达1mm，车轮试样表面疲劳损伤相对严重。

图6为实验过程中车轮试样表面疲劳损伤演变显微镜照片。车轮试样接触表面受径向压力、横向力和冲角的共同作用，首先在表面形成塑性流动，材料局部弱化失稳从而导致微裂纹萌生，在这种周期性的循环载荷作用下微小裂纹迎滚动方向成一定角度进一步扩展形成肉眼可见的斜线状表面疲劳裂纹；随着实验的进一步进行，斜线状表面疲劳裂纹呈变浅趋势，数量有所减少。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明方法可以有各种更改和变化。凡在本发明方法的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种干态下轮轨滚动接触表面疲劳实验方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将车轮材料与钢轨材料加工成轮形对滚试样，轮形对滚试样由具有一定互补锥度的轮试样和轨试样构成，轮试样和轨试样分置于两转轴之上，两转轴平行或近平行设置，轮试样和轨试样之间构成线接触；(2)在分置于两转轴之上的轮试样和轨试样施以径向压力；(3)设置冲角和滑差：控制两转轴的转速调节使轮形对滚试样间形成滑差；调节两转轴间的平行度实质产生微小夹角而构成冲角使轮形对滚试样间产生表面蠕滑；(4)实时监测和输出被测轮试样和轨试样表面疲劳裂纹损伤程度；

所述步骤(2)中，径向压力的大小利用安定理论算出，结合现场实际轮轨接触应力与轮试样和轨试样尺寸，使轮试样和轨试样间所承受的接触载荷超过其安定极限值，在特定工况下进行轮轨之间的滚动接触表面疲劳实验；使轮轨接触状态分别处于弹性接触区、弹性安定区、塑性安定区和棘轮效应区来探究轮轨接触应力对表面疲劳损伤萌生及扩展行为的影响；

所述步骤(1)中，需加工的轮试样和轨试样的锥度依轮试样和轨试样之间所受横向力的大小来模拟施加，当轮试样和轨试样加工成不同锥度时可模拟不同的横向力；

所述步骤(2)中，不同滑差工况通过两转轴不同齿数齿轮对的匹配实现，模拟滑差为：0.17％、0.91％、2.38％、3.83％、4.55％、9.43％，当模拟纯滚动状态时，则将齿轮对拆下；

所述步骤(3)中设置冲角具体为：

承载轨试样的转轴设置在底座(8)上，承载轮试样的转轴设置在底座(8)上转动的转动台(9)上，调节转动台的角度，通过螺母将转动台固定在底座上，模拟轮轨冲角；实验模拟冲角范围为-3°～+3°；

在实验进行前后，需要对轮试样和轨试样的硬度，重量，粗糙度进行测量，并在实验过程中对磨屑进行收集，以及对磨损量进行测量，从各方面对其摩擦磨损行为进行研究；所述步骤(3)中，当通过实时观察系统观测到被测试样表面出现整圈且呈规律分布的表面疲劳裂纹时，即判定被测轮试样和轨试样出现表面疲劳损伤。

2.根据权利要求1所述的干态下轮轨滚动接触表面疲劳实验方法，其特征在于：作为一种极端情况，所述轮试样和轨试样的锥度为零时，模拟施加的横向力为零。