重载铁路预防性钢轨打磨方法的研究结题摘要

钢轨磨耗和滚动接触疲劳裂纹是影响钢轨寿命的主要伤损，这一现象在重载铁路尤其突出。钢轨磨耗和疲劳伤损是相互影响的，钢轨磨耗大，则疲劳裂纹不容易出现或者被控制在一定程度不会明显变化，钢轨磨耗小，特别是使用优质抗磨耗型钢轨时，则裂纹会迅速萌生和扩展并引发剥离掉块。这种情况下，就需要考虑人工磨耗即钢轨打磨或铣磨的作用。本课题根据理论研究、仿真分析、现场观测和金相分析，综合考虑裂纹和磨耗在发展过程中的相互影响，研究重载铁路小半径曲线钢轨的预防性打磨方法，来平衡钢轨主要伤损的发展，延长钢轨使用寿命。一方面，根据现场裂纹跟踪观测和仿真分析，研究磨耗和裂纹的发生位置、分布特征和既有轮轨关系，提出预防性钢轨打磨型面设计方法和建议的打磨型面。型面设计主要以降低轨距角疲劳裂纹、改善轮轨接触关系并兼顾车辆运行安全和曲线通过能力为依据，提出减少轨距角金属量的基准轮廓型面、减少轨距角和外侧角金属量的非对称型面。另一方面，根据裂纹萌生仿真预测、现场钢轨型面测量，钢轨取样和金相分析，研究钢轨裂纹和磨耗的发展情况和相互关系，引入最佳磨耗率的概念，以轮轨自然磨耗和人工磨耗来平衡裂纹扩展，提出预防性钢轨打磨周期和打磨量。研究发现，减少轨距角金属后的特殊钢轨型面在轨距角位置与车轮发生接触的频率降低，有利于减缓轨距角疲劳裂纹。新轨预打磨对钢轨的使用寿命和伤损萌生有很大影响。在钢轨上道至通过总重约100MGT时，裂纹首先在距离轨距边13-16mm处萌生，与列车运行方向呈60-70度角，之后轨顶面出现横向裂纹，轨距角和轨顶面的裂纹逐渐扩展，在表面相连，并进一步引发剥离掉块。而磨耗要在通过总重约100MGT以后特别是150MGT以后才快速发展，导致外轨因侧磨过大而下道。根据金相裂纹观测和磨耗发展规律，仿真发现500m半径曲线外轨的打磨周期约20MGT，打磨量0.45mm，预计寿命约为通过总重370MGT，现场500m曲线观测段外轨在约280MGT因侧磨过大、剥离掉块严重而下道，预防性打磨可提高曲线外轨寿命约32%。本研究从真实现场运输条件出发，对钢轨裂纹和磨耗的发展进行仿真和现场与实验室金相观测，掌握了裂纹和磨耗的发展规律，钢轨特殊型面设计方法和打磨技术参数分析方法，对高速铁路、重载铁路和城市轨道交通钢轨伤损养护维修和大型修理机械合理使用提供了依据。 2100433B

重载铁路的大运量、高密度、快速的运输特点容易使得钢轨表面或亚表面产生滚动接触疲劳伤损，减少了钢轨使用寿命，增加了养护成本，甚至影响行车安全。采用预防性钢轨打磨的方法，将裂纹和磨耗的相互影响综合考虑、合理设计轮轨型面，才能有效地减缓和控制疲劳裂纹对钢轨寿命的影响。本课题从理论研究、仿真分析、现场观测和金相分析几方面，根据轮轨几何关系、轮轨接触和疲劳裂纹萌生和扩展理论，结合重载铁路运输条件，研究预防性钢轨打磨型面，在实施打磨型面的基础上，分析重载铁路钢轨疲劳裂纹和磨耗的平衡点，提出预防性钢轨打磨方法，从而为现场管理钢轨滚动接触疲劳伤损，以最佳养护手段延长钢轨使用寿命，确保重载铁路列车运行安全，并降低钢轨养护成本提供理论依据。

随着列车运行速度和轴重的提高，轮轨出现的破坏现象变得越来越严重，严重影响重载铁路运输安全。项目围绕重载铁路钢轨损伤机理与预防减缓措施两个方面开展研究，取得了系列研究成果。 现场重载钢轨损伤主要为侧磨和表面疲劳剥离；重载钢轨轨顶区疲劳裂纹富集，侧磨区和非接触区几乎无宏观裂纹；裂纹扩展沿塑性变形方向，裂纹表面尖端出现二次分裂，沿深处主要为穿晶扩展。 研究了不同轴重和碳含量下轮轨材料滚动磨损与损伤性能。钢轨材料的不同可造成轮轨硬度、磨损率和表面损伤的明显差异；车轮材料的改变对车轮磨损行为的影响大于钢轨磨损行为，不同碳含量车轮试样的表面磨痕损伤形貌存在较大差异；车轮的磨损系数kw随轮轨相对滑动速度Vslip和接触应力P的增加整体呈现变大趋势，钢轨的磨损系数kr随轮轨相对滑动速度Vslip的增加整体呈现减小趋势；随速度增加，车轮试样表面损伤机制由疲劳裂纹和粘着磨损共同作用，钢轨试样磨损损伤机制转变为块状剥落。 激光表面淬火处理轮轨材料有助于提高表面的抗磨损性能，激光熔覆Co基合金涂层和Fe基合金涂层能显著提高轮轨材料的硬度和耐磨性，有利于降低材料的磨损与损伤，对减缓重载轮轨磨损有着重要的意义。 以轮径差函数为设计目标对重载线路75kg/m钢轨型面进行逆向求解，优化出满足轮径差函数的重载车轮型面，优化的车轮型面与75kg/m钢轨匹配时表现出较好的性能。通过建立重载货车动力学分析模型研究了重载铁路小半径曲线轮轨磨耗问题，分析了轨道结构参数与摩擦系数变化对重载轮轨磨耗的影响规律；研究了钢轨打磨列车动力学行为，分析了高速打磨过程中打磨磨屑行为；分析了润滑油、植物油、二硫化钼锂基脂、石墨钙基脂等润滑剂对轮轨摩擦与减磨性能的影响。 项目研究发表（接收）论文30篇，其中SCI论文5篇，EI论文12篇，申请发明专利2项（授权1项），培养博士生1名、硕士生9名（优秀硕士论文2篇），参加国际会议报告4次，国内会议报告6次。项目研究结果对我国重载铁路钢轨损伤的预防和减缓提供了重要的理论指导与技术支撑作用。

货运重载化是铁路发展的重要方向之一，我国于1992年底建成国内第一条双线重载运煤专线大秦铁路，到目前我国重载铁路运输技术创新已取得重大成就。列车运行要借助于轮轨之间的粘着力和制动力，因此重载运输将加剧钢轨损伤并降低其使用寿命。项目通过现场调查、模拟试验和理论分析，研究强摩擦力、高接触应力及环境多场耦合作用下重载铁路钢轨的损伤机理与形成演变规律，确定各种重载钢轨损伤的影响因素与作用机制，研究不同重载线路条件（轴重、曲线半径和速度）下轮轨材料硬度优化匹配并建立重载钢轨的分级使用制度，基于车辆-轨道耦合大系统仿真的重载轮轨服役行为环境条件研究重载铁路钢轨的损伤特性，通过研究优化适合我国重载铁路的钢轨打磨技术、轮轨型面、轨道结构参数（轨底坡、超高、轨距、轨下垫层刚度等）等措施来预防或减轻重载运输条件下钢轨的损伤与失效。研究成果将对预防和减轻我国重载铁路钢轨损伤提供重要的技术支持和理论指导。

1重载铁路与钢轨损伤 1

1.1重载铁路概述 1

1.2铁路钢轨的损伤及分类 12

1.3铁路钢轨的滚动接触疲劳裂纹 16

1.4重载铁路钢轨的主要疲劳损伤 20

2重载铁路轮轨关系 29

2.1轮轨接触理论 29

2.2几种主要轮轨接触状态计算方法 35

2.3重载铁路的轮轨结构及关系 42

3钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测原理 52

3.1钢轨疲劳裂纹的寿命阶段 52

3.2疲劳裂纹萌生的破坏原理 53

3.3临界平面法 56

3.4钢轨疲劳裂纹萌生的预测数学模型 63

4钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测流程 65

4.1仿真技术的应用 65

4.2计算荷载的多体动力学模型 65

4.3钢轨的材料模型 75

4.4几何模型 76

4.5有限元模型 78

4.6疲劳裂纹萌生寿命预测流程 84

5不同工况条件下的轮轨接触状态 87

5.1前后转向架的轮轨接触状态 87

5.2不同速度条件下的轮轨接触状态 92

5.3不同超高条件下的轮轨接触状态 96

5.4不同轨底坡条件下的轮轨接触状态 110

5.5不同摩擦系数下的轮轨接触状态 121

5.6本章小结 127 2100433B