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高速火车钢轨疲劳寿命的预测分析研究第一章：引言高速铁路作为一种重要的交通运输方式，其安全性是关乎人们生命财产安全的重要问题。
而钢轨作为高速铁路的基础设施之一，其疲劳寿命的预测分析则成为了维护高铁线路安全的关键。
本文将对高速火车钢轨疲劳寿命的预测分析研究进行探讨，以提高高铁线路的维护管理水平。
第二章：钢轨疲劳破坏机理钢轨在高速列车的运行中，承受着巨大的载荷和重复的往复应力，这使得钢轨内部会产生疲劳应力集中。
随着时间的推移，疲劳应力将逐渐积累并发展为裂纹，最终导致钢轨疲劳破坏。
本章将介绍钢轨疲劳破坏的机理，包括疲劳应力集中、裂纹扩展和疲劳破坏模式等。
第三章：钢轨疲劳寿命预测模型为了准确预测钢轨的疲劳寿命，需要建立合理的预测模型。
本章将介绍目前常用的钢轨疲劳寿命预测模型，包括基于极限状态理论的模型、基于统计学的模型和基于有限元法的模型等。
同时，还将讨论模型的优缺点，并提出改进的建议。
第四章：影响因素分析钢轨疲劳寿命的预测分析需要考虑多种因素的影响。
本章将分析对钢轨疲劳寿命影响最为显著的因素，包括列车荷载、运行速度、轨道几何条件、轨道质量和环境温湿度等。
通过深入研究这些影响因素，能够更加准确地预测钢轨的疲劳寿命。
第五章：预测模型的建立与优化建立有效的预测模型是准确预测钢轨疲劳寿命的关键。
本章将介绍预测模型的建立过程，包括数据采集与处理、特征选择、模型选择和参数调整等。
同时，还将讨论模型的优化方法，以提高预测的准确性和稳定性。
第六章：案例分析与验证为了验证所建立的钢轨疲劳寿命预测模型的有效性，本章将选取实际的高速铁路线路进行案例分析。
通过对比实际疲劳破坏情况与预测结果，验证预测模型的准确度和可靠性。
第七章：研究结论与展望本文结合钢轨疲劳寿命的预测分析研究，总结分析结果，并提出进一步研究的展望。
通过对钢轨疲劳寿命预测分析的深入研究，能够为高速铁路维护管理工作提供科学依据，保障高铁运行的安全和稳定性。
结论：通过对高速火车钢轨疲劳寿命的预测分析研究，我们可以得出以下结论：钢轨疲劳破坏是由于疲劳应力集中、裂纹扩展和疲劳破坏模式等因素引起的；目前常用的钢轨疲劳寿命预测模型有基于极限状态理论、基于统计学和基于有限元法的模型；影响钢轨疲劳寿命的主要因素包括列车荷载、运行速度、轨道几何条件、轨道质量和环境温湿度等；建立准确的预测模型需要考虑数据采集与处理、特征选择、模型选择和参数调整等步骤；通过实际案例验证，预测模型能够较为准确地预测钢轨的疲劳寿命。
钢轨轨底裂纹成因分析周伟【摘要】在某焊轨厂对75 kg/m钢轨进行焊接前,发现多支钢轨在轨底出现裂纹和掉块伤损.经对伤损钢轨取样进行研究分析,钢轨性能、冶金质量均符合相应技术标准要求.针对钢轨裂纹特征,采用某软件对钢轨焊接前堆垛中的受力状态进行分析.结果表明,钢轨出现轨底裂纹伤损的原因是:钢轨堆垛时未按要求放平,出现倾斜,造成一侧轨底角局部受力过大,从而产生裂纹伤损.【期刊名称】《四川冶金》【年(卷),期】2012(034)003【总页数】5页(P28-32)【关键词】钢轨;受力;伤损【作者】周伟【作者单位】中国铁路物资成都有限公司,四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】TG335供某线路使用的75 kg/m钢轨在焊轨厂进行焊接前，发现多支钢轨出现轨底裂纹伤损。
为研究钢轨出现底裂伤损的原因，对焊轨厂钢轨堆放状态环境进行了查看，并对伤损钢轨取样进行检验分析。
对钢轨底裂特征进行观测分析，轨底一侧出现严重的“月牙形”开裂，开裂裂纹沿钢轨纵向长度为200～250 mm，在轨底的横向宽度为37～40 mm，严重的伤损已出现开裂掉块。
伤损特征见图1、图2。
观察钢轨裂纹特征，均是从轨底下表面向轨腰方向开裂，并具有从轨底下表面向轨腰方向掰开的特征。
观察钢轨裂纹周边，未见有外伤痕迹。
观察裂纹断口，裂纹源均在轨底的下表面，且该部位没有外伤痕迹，见图3。
对2支裂纹伤损钢轨取样进行检验分析，分别编为1#、2#样轨。
在伤损轨的底裂相邻部位取拉伸和冲击试样，以及化学成分分析样，进行伤损钢轨的力学性能、化学成分分析。
采用线切割方法，分别在1#和2#样轨的断口裂纹源区及其附近取电镜观察分析样和金相试样，电镜分析断口特征和裂纹源部位是否存在异常夹杂物，分析金相组织。
伤损钢轨的化学成分分析结果见表1。
结果表明，化学成分符合钢轨相应技术标准要求。
轨底裂纹附近的拉伸和冲击性能检验结果见表2。
结果表明，抗拉强度达到钢轨相应技术标准要求。
普速铁路钢轨探伤及伤损原因分析摘要：近些年来，随着社会经济的发展，我国的铁路建设取得了重大成就。
铁路具有线路长、途经地区复杂的特点，因而在长期的使用过程中容易出现钢轨的伤损状况，因此，相关机构需要安排专业人员定期对铁路进行钢轨探伤工作，并对其中出现的伤损情况进行原因的分析，并按照合理的检修措施对钢轨进行维修和养护，提升普速铁路的使用质量。
文章主要就普速铁路的钢轨探伤及伤损原因进行了分析。
关键词：普速铁路；钢轨探伤；伤损原因分析1.普速铁路钢轨探伤技术类型现阶段的普速铁路钢轨探伤主要使用到了无损检测探伤技术。
无损检测探伤技术是在不破坏钢轨完整性以及各项力学性能的前提下，对其表面以及内部各项性能参数进行全面的测量，达到掌握其损伤程度的目的。
随着我国铁路运行压力的增大，普速铁路中的钢轨容易在较短的使用期间内出现损伤情况，因此无损探伤技术发挥了重要的应用价值。
目前，无损探伤技术逐渐受到各行各业的重视，成为设备检测与探伤的重要技术手段。
无损检测探伤技术主要有以下几种类型。
1.1超声探伤法超声探伤法主要是使用了超声波设备，利用声波在钢轨介质中的传播特性，通过设备中的数据信息判断声波的传输稳定程度，并根据其衰减特性以及数据的变化规律发现其中的损伤状况。
超声波伤损探测技术主要适用于结构内部的探测，是目前应用较为广泛的无损探测技术，相对于其他技术来说，具有多方面的优势，主要体现在操作简便，探测效率高，适用性强，但缺陷在于伤损显示不够直观，需要专业人员对声波反射数据进行分析，以此判断伤损位置及原因。
1.2磁粉探伤法磁粉探伤法主要是利用磁力与钢轨之前的相互作用进行无损探伤。
在探伤过程中，若是存在损伤部位，一部分磁力线会形成外漏的磁力场，漏磁场会吸附磁粉并附着在伤损部位，更好地帮助检测人员判断钢轨的伤损状况。
磁粉无损探伤法也具有一定的局限性，只适用于铁磁材料中非铁磁性损伤缺陷的检测，优势在于观测较为直观，操作难度较低[1]。
普速铁路钢轨探伤及伤损原因分析摘要：近年来随着铁路运输条件的变化，钢轨滚动接触疲劳伤损日益突出，不仅出现在曲线上股，还出现在下股和直线的轨距角及踏面中心部位，严重影响钢轨的使用寿命甚至危及行车安全。
列车运行过程中会不断与钢轨发生冲击、弯曲、挤压与摩擦作用，钢轨在受力的重复作用下，极易出现各类伤损，伤损不及时得到处理便会快速的扩展，进而引发钢轨折断，导致列车脱线事故。
所以，保证铁路安全运输的主要措施就是开展钢轨探伤工作，及时发现并处理存在的安全隐患。
关键词：铁路；钢轨；伤损随着我国铁路运输高速化、重载化进程的推进，轮轨服役环境日益严苛，钢轨表面各类伤损也越来越严重。
据统计，我国每年轮轨更换和维修费用高达 80 多亿人民币，由轮轨突发性破坏造成列车脱轨事故的损失更是无法统计。
研究发现，当列车在异常启动或紧急制动状况下，当牵引力和制动力超过了粘着力时，车轮和钢轨接触面间容易发生打滑或者纯滑动现象,该状况会导致轮轨出现较高的接触温升，温升达到一定时会使车轮和钢轨材料产生相变,从而导致轮轨表面产生裂纹,造成钢轨表面的擦伤和剥离破坏。
随着铁路提速的发展和钢轨生产技术不断现代化，各国都先后制定了新的钢轨标准，对钢轨质量提出了更高要求，使得钢轨向强韧化和纯净化方向发展。
一、铁路伤损类型1、轨头磨耗和压溃。
钢轨与车轮接触面表层金属发生塑性变形、碾堆、疲劳磨损等，使轨头断面的几何形状发生变化，表现为钢轨轨头全长部位的侧面磨耗、垂直磨耗、踏面压宽和碾边：磨耗和压溃，使钢轨的强度下降和疲劳伤损增加，同时也使轨距发生变化，恶化了列车运行状态。
，2、剥离与剥离掉块。
钢轨轮轨接触面的全长部位出现程度不同的鱼鳞状裂纹，然后逐渐扩展呈薄片状剥离和剥离掉块，鱼鳞状裂纹方向和行车方向有关。
剥离伤损经常发生在小半径曲线上股轨头轨距角部位。
当轮轨接触压应力超过钢轨屈服强度时，将导致接触面表层金属塑性变形，疲劳裂纹在塑性变形层表面萌生和沿变形流线方向扩展。
钢轨配件的疲劳寿命预测与损伤评估方法研究随着铁路运输的发展，钢轨作为铁路线路的基础设施之一，其安全性和可靠性变得越发重要。
然而，由于长期受到列车荷载和环境因素的作用，钢轨配件会逐渐受到疲劳损伤，这对铁路线路的安全性和可靠性构成了威胁。
因此，钢轨配件的疲劳寿命预测与损伤评估方法的研究变得至关重要。
钢轨配件的疲劳寿命预测是指利用数学和物理模型来预测钢轨配件在一定运行里程下的疲劳寿命。
通过这种方法，我们可以提前发现钢轨配件的疲劳损伤情况，从而采取相应的维修措施，避免潜在的安全隐患和延长钢轨的使用寿命。
一种常用的疲劳寿命预测方法是基于应力历程法。
该方法通过分析钢轨配件在实际运行过程中所受到的荷载和应力，建立数学模型来预测疲劳失效的位置和时间。
这种方法的关键是准确的记录和分析应力历程，其中应力波动是疲劳寿命失效的主要因素之一。
另外，材料振动法也是一种常用的疲劳寿命预测方法。
该方法通过将钢轨配件暴露在恒定的振动频率下，以模拟列车荷载作用下的振动情况，进而研究材料在振动下的疲劳性能。
通过测量振动频率和幅度，可以预测钢轨配件的疲劳寿命。
除了疲劳寿命预测外，钢轨配件的损伤评估也是研究的重点之一。
损伤评估是指根据钢轨配件的实际损伤情况，对其进行定量和定性的评估，以确定是否需要进行维修或更换。
这需要建立合理的损伤评估指标和方法。
一种常用的钢轨配件损伤评估方法是采用无损检测技术。
无损检测技术通过使用声波、磁场、激光等非侵入性手段，对钢轨配件进行快速而准确的检测，以评估其损伤程度。
这种方法可以及时发现钢轨配件的微小缺陷和裂纹，从而及时采取相应的维修措施。
此外，图像处理技术也可以应用于钢轨配件的损伤评估。
利用高分辨率的图像设备，可以对钢轨配件表面的损伤进行精细的检测和分析。
通过图像处理算法，可以提取出钢轨配件的损伤特征并进行定量评估。
总结而言，钢轨配件的疲劳寿命预测与损伤评估方法的研究对确保铁路线路的安全性和可靠性至关重要。
机械材料的疲劳断裂与寿命预测技术研究引言在现代工程领域中，机械材料的疲劳断裂是一个重要的研究方向。
由于长期受到交变载荷的作用，机械材料容易发生疲劳断裂，导致工程结构的损坏和事故的发生。
为了保障工程结构的安全可靠运行，研究机械材料的疲劳断裂机理和寿命预测技术具有重要意义。
1. 疲劳断裂机理研究疲劳断裂是指材料在受到连续交变载荷作用后，在远远小于其静态强度的情况下发生的断裂现象。
研究材料的疲劳断裂机理有助于了解材料在连续交变载荷下的行为规律。
1.1 疲劳裂纹形成与扩展疲劳断裂的过程可以简化为裂纹的形成和扩展两个阶段。
当材料受到交变载荷时，应力集中在表面或内部缺陷处，导致裂纹的形成。
随着交变载荷的作用，裂纹会逐渐扩展，并最终导致材料的断裂。
1.2 影响因素分析疲劳断裂的发生受到多种因素的影响，包括应力水平、载荷频率、材料的应力应变特性等。
对这些影响因素进行深入分析，有助于预测材料的疲劳寿命。
2. 寿命预测技术研究为了准确预测机械材料的寿命，科学家们提出了多种寿命预测技术，包括经验公式法、统计学方法和损伤力学方法等。
2.1 经验公式法经验公式法是最简单且使用最广泛的预测疲劳寿命的方法之一。
该方法基于经验公式和试验数据，通过拟合曲线预测材料的寿命。
然而，该方法的准确性较低，无法考虑材料的微观结构和应力分布等因素。
2.2 统计学方法统计学方法是通过统计学模型分析大量试验数据，对材料的疲劳寿命进行预测。
这些模型可以准确预测大批量试样的平均寿命，但对个体试样的寿命预测精度较低。
2.3 损伤力学方法损伤力学方法通过建立材料的损伤演化模型，结合应力应变分析，预测材料的疲劳寿命。
该方法能够考虑材料的微观结构和损伤断裂机理，预测结果较为准确。
3. 寿命预测的应用寿命预测技术在工程领域中有着广泛的应用。
例如，在飞机设计中，预测飞机结构的疲劳寿命，可以为飞机制造商提供改良设计和维修保养策略的依据；在汽车行业，预测发动机零部件的寿命，可以为汽车制造商提供产品质量保证和售后服务的支持。
钢轨生产表面缺陷分析与改进钢轨是铁路交通重要的基础设施之一，其质量直接关系到铁路运输的安全和稳定。
钢轨的生产质量和表面缺陷对于铁路交通的安全和运行至关重要。
本文将针对钢轨生产中的表面缺陷进行分析，并提出一些改进措施，以提高钢轨的质量和安全水平。
一、钢轨表面缺陷的类型钢轨的表面缺陷主要包括裂纹、夹渣、气孔、夹砂等。
1. 裂纹裂纹是钢轨表面最常见的缺陷之一，主要分为疲劳裂纹和热裂纹两种。
疲劳裂纹主要是由于车轮与钢轨之间的接触疲劳所导致，而热裂纹则是由于钢轨在冷却过程中发生温度梯度过大所引起的。
2. 夹渣夹渣是指在钢轨表面和内部夹杂有氧化物或炉渣等杂质，主要是由于生产过程中未能及时清除或过滤掉这些杂质所导致的。
3. 气孔气孔是指钢轨内部存在气体气泡所形成的孔洞，主要由于生产中未能完全排除气体或钢液中存在气体导致的。
钢轨表面缺陷的存在对铁路运输的安全和稳定造成了严重的影响。
1. 表面裂纹会导致钢轨的寿命大大缩短，严重时可能引发断轨事故，对铁路运输的安全构成威胁。
2. 夹渣、气孔、夹砂等缺陷会导致钢轨的强度和硬度降低，容易引发损坏和断裂，影响铁路的正常运行。
三、改进措施针对钢轨生产中存在的表面缺陷，需要采取一系列的改进措施，以提高钢轨的质量和安全水平。
1. 完善生产工艺流程设立严格的工艺标准和流程，加强钢轨生产过程中的监控和控制，确保每一个环节都能够达到规定的要求。
加强生产工艺中的检测和测试，及时发现和处置存在的缺陷。
2. 提高原材料质量加强对原材料的选择和管控，优化钢材的化学成分和物理性能，提高原材料的质量。
加强对原材料的检测和筛选，确保原材料不带有夹渣、气孔和夹砂等缺陷。
3. 强化设备维护定期对生产设备进行维护和保养，保证设备处于良好的工作状态。
设立严格的设备检查制度，及时发现和修复设备的故障和缺陷，确保设备的稳定运行。
4. 加强人员培训加强对生产人员的培训和教育，提高生产人员的技术水平和质量意识。
建立健全的员工激励机制，激发员工的积极性和创造性，确保员工能够按照规定的要求进行生产作业。
U75V钢轨疲劳裂纹扩展行为研究的开题报告
一、课题背景：
U75V钢轨作为铁路线路上的重要构件，其安全性问题一直备受关注。
钢轨在使用过程中会受到多种因素的影响，如运输载荷、温度变化、车
辆频率等，这些因素都会影响钢轨的耐久性能。
钢轨裂纹是钢轨疲劳失
效的主要形式之一，其对铁路行车安全和铁路建设的长期稳定运营都会
产生严重影响，因此开展U75V钢轨疲劳裂纹扩展行为研究具有重要意义。
二、研究内容：
本课题拟从U75V钢轨材料组织性能、载荷条件、磨损情况等多个
方面入手，研究U75V钢轨疲劳裂纹扩展行为的规律。
1、采用扫描电镜等方法对U75V钢轨的组织结构进行观察和分析，探究组织结构与钢轨裂纹扩展行为的相关性。
2、在实验室条件下，通过疲劳试验进行疲劳应力历程加载，研究
U75V钢轨在实际运行条件下的疲劳裂纹扩展行为规律。
3、采用数值仿真方法对U75V钢轨的应力分布及应力集中区域进行模拟分析，得出U75V钢轨在载荷条件下的裂纹扩展规律。
4、结合实验数据和数值仿真结果，综合分析U75V钢轨疲劳裂纹扩展行为的影响因素，探究影响因素之间的相互关系及作用机理。
三、研究意义：
通过本课题的研究，深入了解U75V钢轨疲劳裂纹扩展行为的规律，为提高U75V钢轨的使用寿命和安全性能，优化铁路线路运行和维护管理提供科学依据。
同时，本课题的研究方法和分析手段也具有良好的推广
价值，可为其他材料的疲劳裂纹扩展行为研究提供参考。
钢轨中残余应力的产生、影响及调控研究现状
王建军;李宏光;王庆超;董润洲;杨志南;张福成
【期刊名称】《燕山大学学报》
【年(卷),期】2024(48)1
【摘要】近年来随着我国高速、重载铁路的快速发展,列车速度的提升、轴重的加大对钢轨服役性能的可靠性提出了更高的要求。
如果钢轨中的残余应力过大且处于不利的分布状态,容易促进疲劳裂纹的形成,并加速扩展,从而严重影响其服役性能。
本文汇总了当前针对钢轨中残余应力的测量方法,并论述了钢轨中残余应力的产生原因及其对综合性能的影响机制。
同时,依据钢轨生产的工艺流程,从预弯、冷却、矫直、回火等方面出发,综述了国内外研究者在钢轨残余应力演变及其调控领域所取得的成果。
最后,对钢轨残余应力演变与调控技术的发展进行了展望。
【总页数】10页(P1-10)
【作者】王建军;李宏光;王庆超;董润洲;杨志南;张福成
【作者单位】燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心;燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室;华北理工大学冶金与能源学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG142
【相关文献】
1.核电设备的焊接残余应力研究现状及\r调控措施
2.残余应力对裂缝扩展的影响(关于钢轨断裂韧性研究报告之二)
3.钢轨内残余应力的产生及其危害
4.焊接残余应力检测与调控技术研究现状
5.矫直工艺对热处理钢轨残余应力的影响
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第37卷第7期2009年7月同济大学学报(自然科学版)JO URNAL OF TON GJI UNIVERSITY(NATURAL SCIEN CE)Vol.37No .7 Jul.2009文章编号:0253-374X(2009)07-0914-05DO I :10.3969/j.issn.0253-374x.2009.07.013收稿日期:2008-06-23基金项目:教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(200802471003)作者简介:王建西(1979)),男,博士生,主要研究方向为钢轨伤损管理.E -m ail:qianxi-2008@许玉德(1965)),男,教授,博士生导师,工学博士,主要研究方向为轨道管理、检测数据分析及钢轨打磨技术.E -mail:xuyude2000@gm 影响钢轨疲劳裂纹萌生寿命的主要因素分析王建西1,许玉德1,王志臣2(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海201804; 2.石家庄铁道学院,河北石家庄050043)摘要:建立了钢轨3维弹塑性有限元计算模型,分析了接触斑内应力-应变场特点.分析结果表明,在接触斑内钢轨处于三向压缩应力状态,有较大的静水压力;认为静水压力影响滚动接触疲劳裂纹萌生寿命.以临界平面法为基础,提出了考虑静水压力影响的滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型,分析了轮载和摩擦系数对疲劳裂纹萌生的影响.结合具体算例分析表明:随着静水压力增大,静水压力对滚动接触疲劳裂纹影响在增大;随着轮载和摩擦系数增加,滚动接触疲劳裂纹萌生寿命迅速减少.关键词:钢轨;滚动接触疲劳;裂纹萌生;静水压力;临界平面中图分类号:U 213.4文献标识码:AAnalysis of Major Influencing Factors ofRolling Contact Fatigue Crack Initiation Life ofRailsWANG Jianx i 1,XU Yude 1,WANG Zhichen2(1.Key La boratory of Roa d and Tra ffic Engineering of the Ministry of E duca tion,Tongji University,Shangha i 201804,C hina;2.Shijia zhuang Ra ilway Institute ,Shijia zhua ng 050043,C hina )Abstract :I n order to analyze the stress -strain field c hara cteristics of rails,a three -dimensional elastic -plastic rail m odel is established by finite element m ethod.The results show that the stress -strain field of rail at the contact patch is in a three -compression -stress state,with much greater hydrostatic stress.Rail rolling contact fatigue (RCF)crack initiation life is very sensitive to hydrostatic stress.Based on the critical plane a pproach,a new prediction model is established by taking into the consideration the effects of hydrostatic stress on the rolling contact fatigue crac k initiation life.An analysis is made of the effects of wheel load and fric t ion coefficient on the basis of the m odel.U 71Mn rail steelis investigated in detail to validate the proposed approac h.The results show that,as the hydrostatic stress increa ses,the effects of hydrostatic stress on the rolling contact fatigue c rack initiation life become grea ter and as the wheel load and the friction c oefficient inc rease,fatigue life to crac k initiation decrea ses significantly.Key word s :rail;rolling c ontact fatigue;crac k initiation;hydrostatic stress;critical plane列车牵引、制动和运行都要靠轮轨滚动接触作用来实现.而轮轨接触斑面积只有100多mm 2.这么小接触斑上不仅承受着数十吨竖向载荷,而且由于轮轨接触面之间存在相对滑动和转动,使钢轨又承受了纵向力和横向力作用.在这种复杂的受力环境中,钢轨产生了各种各样的伤损,如磨损、剥离掉块、压溃和断轨.断轨是这些伤损中最严重的情况.引起断轨和剥离掉块的重要原因是钢轨萌生滚动接触疲劳裂纹.在高速铁路发达的欧洲,每年由于滚动接触疲劳裂纹造成的断轨事故达几百次[1].在准高速线路广深线上,截至2003年7月已检查发现有近27%线路出现了滚动接触疲劳裂纹[2].在提速重载线路津浦线,提速后滚动接触疲劳伤损大幅度增加[3].钢轨滚动接触疲劳伤损不仅直接影响铁路运营成本,而且还影响列车运营安全.随着铁路向高速、重载和高密度方向发展,钢轨滚动接触疲劳越来越成为铁路线路养护维修中一个突出问题.因此,很多国家都进行了比较深入的研究.Kapoor 根据试验观察结果提出了钢轨由于棘轮效应萌生裂纹的模型[4].Smith 分析了钢轨接触疲劳伤损现象,指出了滚动接触疲第7期王建西,等:影响钢轨疲劳裂纹萌生寿命的主要因素分析劳进一步研究方向[5].Ringsberg 利用Coffin -Manson 公式和SWT 公式进行了疲劳裂纹的预测分析[1].金学松等人对轮轨滚动接触疲劳问题进行了定性分析[6].影响滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的主要因素是轮载和摩擦系数.分析这些主要因素对滚动接触疲劳裂纹萌生寿命影响规律,将有助于研究剥离掉块和断轨产生原因,有助于确定预防性钢轨打磨的打磨参数.同时,在静水压力作用下微裂纹会闭合,提高钢轨的抗疲劳性能.而静水压力对滚动接触疲劳裂纹萌生的影响还少见有文献分析过.本文通过对钢轨轨头应力应变分析,提出了考虑静水压力影响的滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型,分析了影响滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的主要因素,为制定减缓滚动接触疲劳的养护维修合理方法提供理论上的支持.滚动接触疲劳裂纹发展过程可以分为裂纹萌生阶段和扩展阶段.根据试验和工程实际,把钢轨中出现0.5mm 裂纹时的疲劳寿命视为裂纹萌生寿命.1 钢轨应力应变分析模型轮轨接触表面接触压力和接触斑的大小按H er tz 理论计算,忽略了轮轨接触时塑性变形对接触压力和接触斑的影响.轮轨接触面之间存在相对滑动和转动使钢轨又承受了纵向力作用.假定轮轨接触斑处于全滑动状态,根据库仑摩擦定理:纵向力和法向接触压力成正比,这样纵向力分布可以通过法向接触压力计算.为了反映群载作用下轮载之间的相互影响,先建立多跨连续梁模型,计算出前后两辆车相邻的2个转向架中最不利轮位处的位移u 和转角U ;然后,利用子模型技术取最不利轮位所处的一跨钢轨建立子模型,把在连续梁模型中计算的位移和转角加到子模型两端面上,进行弹塑性状态下钢轨应力)应变计算.图1给出了轮轨接触子模型有限元网格.在轨枕支承点用弹簧模拟垫板、道床和路基的弹性支承.由于塑性变形主要产生在接触斑附近,为了减小应力集中的影响和提高计算效率和精度,将接触斑附近一定范围的轨头进行细划分网格.在该模型中采用非线性各向同性随动硬化模型来描述塑性状态下应力)应变的关系[7].图1 轮轨接触子模型有限元网格Fig.1 Finite element mesh fo r submodel2 滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型2.1 临界平面法裂纹萌生寿命预测方法人们提出了很多不同的裂纹萌生寿命预测方法.其中,临界平面法是基于裂纹产生和扩展的物理观察基础上的,有很大优越性.但对于临界平面法中选何种物理量作为疲劳参量人们认识并不一致.Jang 等提出了基于应变能的疲劳参数F p[8]F p =òR m ax ó$E /2+J $S$C (1)式中:òó为M acCauley 括号,òRmax ó=0.5(R max +R max );R max 为裂纹面上的最大正应力;$E 为裂纹面上正应变幅值;$S 和$C 分别为裂纹面上剪应力幅值和剪应变幅值;J 为材料参数.把F p max 值所在的平面定义为临界面,也就是临界平面,是疲劳裂纹萌生和扩展平面.这种方法考虑了平均应力对裂纹萌生寿命影响,把裂纹产生(临界平面上剪应力(应变))和扩展(正应力(应变))的物理量通过能量的方式有机地联系起来.文献[9]指出,尽管观察到裂纹在最大拉应力面上出现,但张拉型裂纹萌生寿命公式预测结果与试验相差比较大,剪切型裂纹萌生公式预测结果与试验有很好的一致性.同时,通过应力分析表明,接触斑内多处于受压状态,裂纹萌生更多地是由于剪应力和剪应变所引起的.因此,接触疲劳裂纹萌生寿命预测公式为F p m ax =(S c f )2G (2N f )2b +S c f C c f (2N f )b +c(2)式中:S c f 为疲劳强度系数;C c f 为疲劳延性系数;b 为疲劳强度指数;c 为疲劳延性指数;G 为剪切模量;N f 为滚动接触疲劳裂纹萌生寿命,即轮载作用次数.2.2 静水压力影响系数915同济大学学报(自然科学版)第37卷拉应力会促使晶间变形、加速晶界破坏;而压应力能阻止或减小晶间变形,随着静水压力的增大,晶间变形越困难,从而提高了金属的塑性[10].在压应力作用下微裂纹闭合,而拉应力作用下会促使微裂纹扩展.文献[11]指出,在一定外力作用下微裂纹的闭合又能导致材料刚度的部分恢复,也就是单元体的减小有利于单元体强度的提高.在轮轨滚动接触中,接触斑内静水压力很大,提高了钢轨的塑性,提高了抗疲劳能力.因此,在滚动接触疲劳裂纹萌生寿命中应考虑静水压力对滚动接触疲劳裂纹萌生寿命影响.式(2)是基于应变能疲劳伤损公式.现代伤损力学研究也表明应变能密度释放率是控制伤损现象的主要变量.因此,从应变能角度分析静水压力对滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的影响.物体内弹性总比能为W =Q R ijd E ij=Qs ijd e ij+D ij :D ij QR h d E h =121+C E s ij :s ij +3(1-2C )E R h 2(3)式中:R ij ,E ij 分别为应力分量和应变分量;s ij ,e ij 分别为应力偏张量分量和应变偏张量分量;R h ,E h 分别为静水压力和体积应变;D ij 为微分算子;C 为泊松比;E 为弹性模量.vonMises 当量应力R eq 为R e q =32s ij :s ij 1/2(4)则弹性总比能为W =(1+C )R 2eq 3E 1+9(1-2C )2(1+C )R hR eq2(5)由上面分析知,静水压力越大,单元体体积越小,晶间变形越困难,从而提高了金属塑性,这样相当于静水压力做负功,使单元体能量减少;反之亦然.这样把弹性总比能修改为W =(1+C )R2e q3E1+9(1-2C )2(1+C )R3h R h R 2e q(6)定义静水压力影响系数U h 为U h =1+9(1-2C )2(1+C )R 3hR h R 2e q-1/2(7)由上面分析可知,静水压力主要影响塑性部分,则含静水压力影响的滚动接触疲劳裂纹萌生公式为F p m ax =(S c f )2G(2N f )2b +U h S c f C c f (2N f )b +c(8)3 结果与讨论以U71Mn 60kg #m -1钢轨和LM 型车轮踏面为例,分析滚动接触疲劳裂纹萌生寿命影响因素.U 71M n 钢材料参数采用文献[12]试验数据,材料疲劳参数根据文献[1].表1为U 71M n 钢材料性能,R 0.2为屈服强度.表1 U71Mn 钢材料性能Tab .1 Mechanical p roperties fo r rail steel U71Mn参数E /GPa C R 0.2/M Pa S c f /MPa C c f /%bc数值2150.29484.546815.45-0.089-0.5593.1 静水压力影响在接触压力作用下,接触斑内钢轨承受很大的压应力.图2为(在轮载为78.4kN,摩擦系数为0.3,列车行驶方向沿x 轴正向)纵断面最大主应力的应力图.从图中可以看出,在接触斑下方都是处于三向压缩的应力状态,只有在接触斑的后缘有部分拉应力区,但由于已经不在接触斑内,应力值比较小.在三向压缩的应力状态下,静水压力使微裂纹闭合,提高了材料的塑性,因此在滚动接触疲劳裂纹萌生寿命计算中应考虑静水压力的影响.图2 最大主应力图Fig.2 Maj or principal stress图3为静水压力对滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的影响.从图3a 可以看出,随着轮载增加,静水压力成增加的趋势,但不是单调递增;图3b 是考虑静水压力影响后滚动接触疲劳裂纹萌生寿命与没有考虑静水压力影响的滚动接触疲劳裂纹萌生寿命两者的比较.图中,P 0为最大接触应力;L 为摩擦系数;N f 和N c f 分别为考虑静水压力和没有考虑静水压力影响后滚动接触疲劳裂纹萌生寿命.从整体来看,随着轮载值的增加,静水压力对滚动接触疲劳裂纹萌生寿命影响在增大.对比图3中a,b,可以看出滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的改变量变化趋势与静水压力的变化趋势一致,即静水压力越大,对滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的影响越大,滚动接触疲劳裂纹萌生寿命改变量就越大.916第7期王建西,等:影响钢轨疲劳裂纹萌生寿命的主要因素分析图3 静水压力对滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的影响Fig.3 Effect of the hyd ro static stress onthe crack initiation life3.2 轮载影响重载是货运的发展趋势.但随着货运向重载方向发展也使钢轨伤损大量增加[3].图4为随着轮载变化滚动接触疲劳裂纹萌生寿命变化情况.随着轮载增加,滚动接触疲劳裂纹萌生寿命在减少;并且在轮载比较大时,滚动接触疲劳裂纹萌生寿命减少程度快;在轮载比较小时,滚动接触疲劳裂纹萌生寿命随轮载增加减少的程度慢,近似有条渐近线.也就是在轮载值比较大时,轮载增加对滚动接触疲劳裂纹萌生寿命影响大;在轮载值比较小时候,轮载增加对滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的减少影响相对较小.这也是重载运输中疲劳伤损比较严重的原因之一.因此,在静轮载比较大的线路中,更要提高线路平顺性,减少由于线路不平顺造成过大动载而加速钢轨的伤损发展.图4 轮载对滚动接触疲劳裂纹萌生寿命影响Fig.4 Effect o f the wheel lo ad o n thecrack initiation life3.3 摩擦系数影响列车的行驶离不开纵向力,但纵向力又是造成钢轨伤损的重要原因.图5为滚动接触疲劳裂纹萌生寿命随摩擦系数的变化情况.从图中看,随着摩擦系数增加,滚动接触疲劳裂纹萌生寿命变化成先缓慢后剧烈,转折点大约在摩擦系数为0.1处.即在摩擦系数L >0.1时,随着摩擦系数增大,滚动接触疲劳裂纹萌生寿命减少的速率大,图中表现为滚动接触疲劳裂纹萌生寿命变化得比较陡;在摩擦系数L <0.1时,随摩擦系数增大,滚动接触疲劳裂纹萌生寿命减少的速率要小,图中表现为滚动接触疲劳裂纹萌生寿命变化得比较缓.而且这种变化趋势随着轮载值增加,发生了较大变化.当轮载值比较大时,随着摩擦系数增加,滚动接触疲劳裂纹萌生寿命减少的速率基本不变,且比较大.图5 摩擦系数对滚动接触疲劳裂纹萌生寿命影响Fig.5 Effect o f the frictio n co efficient onthe crack initiation life4 结论根据钢轨轨头应力应变情况,建立了考虑静水压力影响的滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测模型,分析了影响滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的因素,得出以下结论:(1)在接触斑内,钢轨处于三向压缩状态,有比较大的静水压力;在接触斑后缘出现了比较小的拉应力区,但应力值较小.(2)静水压力对滚动接触疲劳裂纹萌生寿命影响比较大,应该在滚动接触疲劳分析中考虑静水压力对滚动接触疲劳裂纹萌生寿命影响.随着静水压力增大,静水压力对滚动接触疲劳裂纹萌生寿命影响也在增大.(3)随着轮载增加,滚动接触疲劳裂纹萌生寿命在减少.在轮载比较大时,随轮载增加滚动接触疲劳裂纹萌生寿命减少速率大;在轮载比较小时,随轮载增加,滚动接触疲劳裂纹萌生寿命减少速率比917同济大学学报(自然科学版)第37卷较慢.(4)随着摩擦系数增大,滚动接触疲劳裂纹萌生寿命在减少,且随着摩擦系数增大,滚动接触疲劳裂纹萌生寿命减少的速率也在增大.参考文献:[1]Ringsb erg J W,Loo M orrey M,Josefson B L,et al.Predictionof fatigu e crack initiation for rollin g contact fatigue[J].International Journal of Fatigu e,2000,22(3):205.[2]刘学文,邹定强,邢丽贤,等.钢轨踏面斜裂纹伤损原因及对策的研究[J].中国铁道科学,2004,25(2):82.LIU Xuew en,ZOU Dingqiang,XING Lixian,et al.Cau se ofrail tread oblique crack and 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aterials,2002,34(12):809.#下期文章摘要预报#水泥改性乳化沥青混凝土力学性能与微观机理杜少文,王振军研究了不同水泥用量对乳化沥青混凝土抗压强度和抗压回弹模量.抗折强度和抗折回弹模量等力学参数的影响.使用红外光谱、X衍射和扫描电子显微镜研究了水泥乳化沥青胶浆以及混凝土界面的微观结构特征.结果表明,加入水泥后,乳化混凝土力学参数有较大提高,并随着水泥用量增加而增大;水泥与乳化沥青之间没有发生明显化学反应;水泥与乳化沥青中的水相发生了水化反应,水化产物与水泥在水中的水化产物相同;呈网状的水化产物与沥青通过物理复合形成的水泥沥青胶浆,增大了沥青胶浆的黏度,改善了胶浆与集料界面黏结,提高了混凝土的力学性能.918。
