考虑表面微观粗糙度的轮轨接触表面微裂纹扩散研究

摘要

随着铁路客货运量的增大和列车速度的提高,轮轨滚动接触疲劳破坏现象已成为制约我国铁路技术发展的突出问题,尤其是高速重载线路,情况十分严重。它不仅大大增加了铁路的运营成本,而且直接危害行车的安全。因此,开展对微观粗糙度下的轮轨接触表面微裂纹的扩展行为的研究,有助于正确判断钢轨的伤损类型及原因,准确估算钢轨的接触疲劳裂纹的扩展寿命,对于维护高速铁路的安全服役、促进钢轨质量的改进和提高、合理使用钢轨和延长钢轨的使用寿命、节约铁路运营成本等具有重要的现实意义。
　　 本文针对微观粗糙度下的钢轨表面微裂纹扩展问题进行了研究。通过利用大型有限元程序ANSYS建立了考虑钢轨表面微观粗糙度情况下,具有表面微裂纹的轮轨接触二维有限元模型。通过计算,分别获得了有、无液态介质存在两种情况下的不同长度、不同位置处的钢轨表面微裂纹尖端处的应力及应力强度因子。并对两种情况下的疲劳微裂纹的扩展寿命进行了对比。论文主要结论有:
　　 (1)具有表面微观粗糙度的钢轨,表面无液态介质存在时,在车轮碾压过程中,微裂纹只在位于接触斑边缘附近处发生张开变形,在接触斑内其他位置时,不会出现张开现象,微裂纹是闭合的。且其最大的等价Ⅰ型应力强度因子KI*远小于钢轨材料的断裂韧度,说明此种情况下钢轨表面微裂纹不会立即扩展。
　　 (2)有液态介质存在时的钢轨,在车轮碾压作用下,位于接触斑内时的整个过程中,表面微裂纹均发生了张开变形,表面微裂纹的型式为Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹。钢轨表面有液态介质存在时的等价Ⅰ型应力强度因子KI*的最大值比无液态介质情况下的KI*的最大值大很多,约是它的4.3倍。
　　 (3)具有表面微观粗糙度的钢轨表面有液态介质存在时的裂纹扩展寿命比无液态介质时的裂纹扩展寿命要小很多,这也就解释了曲线段钢轨,为了减少轮轨间的侧磨,钢轨表面涂抹润滑油后,表面“龟裂”现象比直线轨严重得多的原因。