钢轨滚动接触疲劳的进一步研究

第23卷,第3期 中国铁道科学V ol 123N o 13　2002年6月 CHI NA RAI LW AY SCIE NCEJune ,2002　文章编号:100124632(2002)0320006205钢轨滚动接触疲劳的进一步研究史　密　斯(皇家科技与医科大学,伦敦,英国) 摘　要:2000年底至2001年初大面积钢轨滚动接触疲劳引起了英国铁路断线。

钢轨滚动接触疲劳由三部分组成:轮轨接触面表面引起的初级裂纹;由接触应力场引起的浅角裂缝的发展;钢轨内部深层次大面积的应力场裂缝的延伸。

这三个因素在转换时就产生了开裂的可能。

另外自然磨耗或打磨产生的磨耗也可能促进裂纹的发展。

科研人员认为对钢轨滚动接触疲劳的认识和现在理解的现场实践和维修战略有待进一步研究。

关键词:钢轨;滚动接触疲劳;断裂;磨耗 中图分类号:U213:42 文献标识码:A　收稿日期:2002201208　作者简介:史密斯,英国人,英国设菲尔德大学教授,英国皇家工程院院士。

　该论文在2002年铁路高新技术国际学术报告会上宣读。

1　引　言 2000年10月17日,一列高速列车以185km ・h -1的速度从伦敦的K ing ′s Cross 驶往Leeds 的途中,在通过距伦敦17km 、半径为1460m 的曲线时发生出轨事故。

整个列车11节车厢的后面8节脱轨,2节几乎完全倾覆,另有1节客车和餐车严重损坏。

车上共有182人,4人死亡,70人受伤,其中有4人伤势严重。

不久就查明脱轨事故是由于曲线外侧钢轨的断裂引起的。

特别值得注意的是在第一个裂纹后面的35m 长的钢轨断裂成300块,裂纹继续向前延伸了44m ,另有长约54m 的类似裂纹。

很明显最初和随后的裂纹基本上是由于钢轨已经存在的疲劳裂纹引起的:虽然一开始的解释是“轨距线处裂纹”,后来使用的是“轨头龟裂”和更一般的说法“滚动接触疲劳”(RCF )。

这些事件发生以后,英国对所有的线路进行了全面仔细的大检查。

在很多看得出有明显裂纹的钢轨的地方设立了检查点。

马上进行了限速,有的甚至仅为8km ・h -1。

许多车次被取消了,时刻表被修改,旅行时间是原来的2倍到3倍,即使这样,还是不能保证正点。

公路上交通堵塞,因为人们都纷纷改由公路出行,而国内航班也都预订一空。

有一位记者这么写道“英国历史上还没有哪一次铁路事故———或者我猜想任何国家还没有哪一次铁路事故———会像Hatfield 事故这样引起如此严重的公愤、管理恐慌、政治混乱、责备与辩解。

事实上,除了战争与核事故,很难想象一场技术事故会造成如此深远而广泛影响。

”这种说法并不过分。

本文的目的不是要探讨这次事故在多大程度上受英国铁路私有化的影响。

1997年春天开始的英国铁路私有化将一个纵向整合的铁路系统转变成了一个由100多家经营者组成的分散的结构。

我们可以有充分的理由说铁路基础设施的管理权被交到了线路公司手里,而这个公司希望其像自己宣传的那样,以“铁路心脏”而闻名于世。

不过我们今天要探讨的只是围绕钢轨滚动接触疲劳产生的技术危机。

2　疲劳问题综述 在此有必要对150多年对金属疲劳研究中的一些重要方面作一个回顾。

早期铁路开始出现车轴、车轮、钢轨、锅炉和其他部件故障时,人们就开始对疲劳这种特殊的失效模式有了认识。

1842年,在凡尔塞附近发生了第一起铁路事故,造成很大的伤亡,事故是由于机车车轴断裂引起的,这次事故在很大程度上促使了人们对疲劳进行调查。

在随后的二十多年里,德国伟大的铁路工程师沃勒尔论证了循环应力幅值决定疲劳寿命,起码在钢材中存在一种有限的应力,在这种有限应力之下,疲劳寿命是无限的。

所谓的S/N 曲线,即循环应力幅与疲劳寿命和疲劳极限的关系,仍然是经典疲劳设计的依据。

疲劳的机理在20世纪尤其是最近50年里已经被阐明了。

现在大家知道疲劳是因为裂纹的产生与扩展造成的。

通过断裂力学有可能量化裂纹扩展,虽然初始阶段的量化仍然是探索性的。

但是可以肯定疲劳通常出现在自由表面,这主要是表面常具有某种应力集中的特征。

裂纹萌生但并不一定扩展,例如:在一个应力集中特别明显的地方产生裂纹,然后在裂纹从局部高应力区扩展到组合应力区时,因为应力降低,便停止了。

很显然类似情况对滚动接触疲劳是重要的。

疲劳只是几种同时存在的轨道状况恶化的机理之一,其他的还有如腐蚀、蠕变和磨损等。

这些机理的混合作用经常比一种模式的线性叠加更为复杂。

疲劳有多种标准测试,Suresh测试法是其中一种非常好的现代方法。

实际上,将我们有关疲劳的知识应用到实际当中会受到两个方面的限制。

第一点有些让人感到意外,在很多情况下,我们对某一特定部件所承受的实际服役负荷没有足够的了解,而且对常产生裂纹的复杂形状构件,我们却不知道关键的位置在哪儿。

这说明在实验室产生的数据与服役条件经常很难相符。

这些因素与疲劳过程的离散性耦合,意味着疲劳寿命预测经常有超过一个数量级的误差。

第二大难题是疲劳控制,也就是已经出现裂缝的部件继续使用及其剩余安全寿命的计算。

必要的步骤包括部件中裂纹的检测与大小的测量。

虽然目前有几种方式,但用起来不是很容易且产生的结果可能含糊不清。

特别是采用无损探伤测试技术穿过表面对裂纹延伸到整个材料的深度进行探测,效果仍然有限。

在很多人看来,无损探伤测试整个领域还只是一种工艺,而不是一门科学。

3　钢轨的滚动接触疲劳 造成个RCF裂纹产生的应力集中特征是轮轨之间的接触。

在接触斑下的条件通常是严峻的,而且由于轮轨表面的粗糙度,钢轨屈服应力常常被超过,至少是微量超过。

每个车轮每次通过都产生不可逆的影响。

“永久性线路”这一说法并不妥当,因为线路在不断地变化。

每次车轮通过的不可逆性,产生了磨损与疲劳过程,钢轨的寿命因此成了这两个失效过程之间的竞争。

在接触条件下产生的应力是复杂的,由接触斑附近的轮轨几何的具体细节决定,接触斑点主要由曲线特性、车辆悬挂特性、当然还有轮轨现有条件等因素决定的。

牵引力和离心力都增加了在接触区的剪应力,因此就可能产生裂纹。

图1是钢轨RCF发展的现象与结果的示意图。

7第3期 钢轨滚动接触疲劳的进一步研究图1　钢轨RCF裂纹的形成和扩展许多观察已经证实了裂纹是沿着运动的方向扩展,最初只是一个与轨头成约15°的窄倾角。

当裂纹向内扩展到一定深度,一般为10mm时,角度陡然增加到约70°,裂纹开始扩展到整个钢轨直到断裂。

在窄倾角扩展过程中,掉块会自动从轨头剥落,但是钢轨断裂的危险明显是裂纹的转向引起的,因此必须尽可能避免这一阶段出现。

裂纹发展的几个阶段可分解成几个独立的部分,每部分由不同的整体应力场的独立要素控制:(1)在紧贴踏面的地方,材料受到运动方向的剪力,其塑性由于循环啮合作用而消耗,沿着剪切面形成了倾斜的裂纹。

这些裂纹迅速萌生,但是其扩展速率也随着与表面距离的扩大而迅速减弱。

(2)裂纹又对由于接触产生的赫兹应力场有影响。

经过实验证明,可能由于有液体(雨水、雾或润滑物),或者是液焊作用,或者是水分润滑粗糙表面的作用,使裂纹开始发展速度(及深度)加快,因此促进了裂纹的滑动。

然后,接触应力场与接触点距离的逐步拉大,接触应力场衰弱,裂纹发展速度也相应减慢。

(3)同时裂纹对钢轨组合应力具有反作用力,组合应力指弯曲应力、制造残余应力以及无缝钢轨应力之和。

前者控制循环疲劳应力幅值,后两者只影响循环应力的平均值。

随着距离踏面深度的增加,组合应力影响加大并导致大裂纹的失稳扩展;而在距离踏面较浅的地方,组合应力可以忽略不计。

(4)图1最终草图所示的W型曲线就是所有这些作用的结果。

当然这条曲线的的精确形式会随着相关要素的不同而发生变化。

我们得出的重要结论是,如果一种裂纹扩展机制与下一种衔接的话,会出现某些“握手(交叉)”的地方。

那么,裂纹不扩展是可能的,只要扩展速率的最小值降到适当的门槛值以下。

下面我们再来考虑磨损与疲劳过程的相互作用。

虽然已经掌握了钢轨磨损速率的实验性现场数据,但是这些数据很分散,产生整体效果的不同参数是很难分开的。

但是,有一点是清楚的,高磨损速率“磨掉”裂纹的速度比疲劳裂纹形成的速度要快,而使用更坚硬的钢轨的目的是降低磨损速度。

因此,更坚硬的钢轨更容易产生疲劳开裂。

图2是一系列示意图,说明一定轨头磨损速率与前面所述的疲劳裂纹发展次序之间的相互作用。

图2　钢轨磨损与RCF之间的相互作用8中　国　铁　道　科　学 第23卷即使踏面的裂纹初始扩展速率足以产生裂纹,但由于裂纹的扩展速率会急剧下降,比初始疲劳裂纹扩展速率低的磨损速率能导致裂纹在表面一端的磨损速率超过裂纹尖端的扩展速率,这样产生了裂纹的净缩短。

因此,这样的裂纹不会发展到接触应力区或组合应力区。

第二张示意图说明的情况是,在裂纹的萌生与接触应力阶段之间,“握手(交叉)”发展速度正好高于磨损速度(A点),但是随着裂纹离开了接触区(B点),磨损速率比扩展速率快。

裂纹将像上面所说的那样停止扩展。

最后一张示意图显示扩展速度太低无法影响到“握手(交叉)”裂纹的产生。

上面的讨论假定磨损速率是轮轨间的自然速率。

但是现在已经证实对轨头进行打磨会产生一种人工的磨损速率。

虽然打磨最初是对轨头的断面进行整形,或者说改进钢轨的纵断面(例如消除波纹),很多国家也用它来控制或者至少减少滚动接触疲劳带来的影响。

一项理性的维修策略是要在建立这些示意模型考虑量化的因素。

在英国Hatfield事故之后,由Ove Arup项目管理领导组成了一个庞大的工作组,主要采用Pueblo与AE AT运输技术中心有限公司的技术。

项目的很大一部分包括了搜集从开裂的钢轨样品及导致其状况的运营参数数据。

这样一个庞大的观测数据库已经证明了其在产生建立模型的观点和产生量化的机械模型方面的价值。

全寿命疲劳模型正在研制当中,采用了在此介绍的许多理论,这些理论最初是由K apoor提出的。

该模型最终将结合钢轨、车轮、车辆以及线路等关键的实际运营变化,同时用适当的统计方式处理这些变量。

4　为了解钢轨疲劳需要进行的科学研究 虽然在过去20多年里,不同的国家进行了许多研究,获得了相当的关于钢轨滚动接触疲劳的信息,但是我们所掌握的知识在一些关键领域还存在缺口。

下面可能是一些主要缺口,在文章的最后我将谈一些实际的应用。

411　裂纹萌生与磨损 踏面的表层是直接承受负载条件的轮轨接触层。

磨损与疲劳的最初阶段基本上相同。

材料累积损伤并局部破坏。

如果要避免疲劳的话,钢轨磨损掉块脱离轨面的速度必须大于裂纹加深的速度。

目前磨损的量化是绝对值的大小,就像我们能量化初始裂纹的发展一样。

有一些参数还需要研究,如轮轨之间的初始粗糙度,流体静态压力对塑性发展细节的作用,以及对新旧轮轨断面的组合中产生的纵向和切向应力的影响。

412　接触应力下的裂纹扩展 当裂纹加深并不断向远离表面区域扩展,次表面的接触应力便开始控制其发展。