钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响研究.pdf
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1、第45卷第8 期2023年8 月铁道学报JOURNALOFTHECHINARAILWAY SOCIETYVol.45No.8August2023文章编号:10 0 1-8 36 0(2 0 2 3)0 8-0 110-0 8钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响研究刘永乾1,任尊松,吴潇,王军平(1.北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京10 0 0 44;2.中铁物总运维科技有限公司,北京10 0 0 36)摘要:为研究钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响,基于国内某重载铁路小半径曲线和运行车辆建立实参数轨道-车辆多体动力学仿真模型,对钢轨打磨前后轮轨接触几何关系、轮轨接触应力和
2、轮轨蠕滑力进行分析,现场测试打磨前后车辆通过该曲线的轮轨力,结合Burstow钢轨损伤函数模型对该曲线轨面裂纹萌生寿命进行分析。结果表明:钢轨打磨后,轮轨接触点集中问题得到缓解,轮轨接触应力、轮轨蠕滑力减小和轨面裂纹法向分力减小,实测轮轨力减小,相同载荷下对应的载荷循环数增大。各项指标较打磨前更有利于抑制钢轨滚动接触疲劳的萌生及扩展,轨面裂纹萌生寿命明显延长。打磨后3.5个月轨面裂纹未见明显发展,仿真计算结果与实际情况吻合良好。关键词:钢轨打磨;滚动接触疲劳;轮轨关系;损伤函数;裂纹萌生寿命中图分类号:U216.8Influence of Rail Grinding on Rolling Co
3、ntact Fatigue of Rail on(1.School of Mechanical,Electronic and Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;2.China Railway Materials Operation and Maintenance Technology Co.,Ltd.,Beijing 100036,China)Abstract:In order to study the influence of rail grinding on the rolling co
4、ntact fatigue of rail on small radius curve,amulti-body dynamic simulation model of rail-vehicle with real parameters was established based on the small radius curveand the running vehicles of a heavy-haul railway in China,to analyze the wheel-rail contact geometric relationship,wheel-rail contact s
5、tress and wheel-rail creep force before and after the rail grinding.The wheel-rail force of the vehiclepassing through the small radius curve before and after grinding was tested in the field,followed by an analysis of thecrack initiation life of the rail with the Burstow rail damage function model.
6、The results show that with the alleviation ofproblem of wheel-rail contact points centralization,the wheel-rail contact stress and creep force,the normal componentof force of rail surface crack and the measured wheel-rail force are reduced,while the corresponding load cycle numberincreases under the
7、 same load.Compared with those before grinding,these indexes are more conducive to inhibiting theinitiation and propagation of rail rolling contact fatigue,and the initiation life of rail crack is significantly prolonged.Noobvious development of rail surface crack is found 3.5 months after grinding,
8、which shows good consistency between thesimulation results and the actual situation.Key words:rail grinding;rolling contact fatigue;wheel-rail relationship;damage function;crack initiation life轮轨滚动接触疲劳(RollingContactFatigue,R CF)一直是铁路维护领域的重要难题之一1,随着铁路货运需求的逐年增大,该问题日益凸显。为减缓轮轨滚动接触疲劳问题,国内外学者从多角度进行了大量研收稿
9、日期:2 0 2 2-0 4-0 8;修回日期:2 0 2 2-0 5-31基金项目:国家自然科学基金(117 90 2 8 1)第一作者:刘永乾(1990 一),男,内蒙古赤峰人,博士研究生。E-mail:通信作者:任尊松(196 9一),男,四川南部人,教授,博士。E-mail:zsren 文献标志码:ASmall-radius CurveLIU Yongqian-2,REN Zunsong,WU Xiao,WANG Junpingdoi:10.3969/j.issn.1001-8360.2023.08.012究。肖乾等2 分析了摩擦系数对接触斑内疲劳指数的影响,研究了不同轮轨摩擦系数时踏
10、面损伤分布的特征。刘亮等3 建立裂纹扩展寿命预测模型,分析了轮轨摩擦系数、裂纹倾斜角、钢轨磨耗速率等因素对轨面疲劳裂纹扩展寿命的影响。钟雯等4 基于广深线PD3与U71Mn钢轨疲劳损伤情况研究了轨面疲劳裂纹扩展的特性。Donzella等5 通过建立有限元模型研究了轮轨滚动接触疲劳和磨耗之间的竞争机制,认为第8 期轨面切向应力超过弹性极限时裂纹萌生最快。Bobmer等6 通过研究发现轮轨表面的热-机械耦合作用会影响轮轨材料的弹性极限,降低机械接触应力和摩擦热应力可以减缓轮轨表面剥离掉块。同时,钢轨打磨是去除钢轨滚动接触疲劳的最重要手段。2 0 13年以来,我国铁路系统引进国外先进经验,结合国内线
11、路和车辆的实际情况提出了个性化钢轨廓形设计打磨方法7 ,通过实施钢轨打磨去除钢轨疲劳损伤、改善轮轨关系、减小轮轨蠕滑、减小接触应力、降低钢轨磨耗速率,达到延长钢轨使用寿命的目的8-10 1。而钢轨打磨对钢轨滚动接触疲劳的影响目前尚无相关研究。产生钢轨滚动接触疲劳的主要原因是大蠕滑情况下轨面切向载荷超过材料安定极限,材料发生塑性流动并萌生滚动接触疲劳裂纹【,裂纹在接触载荷的作用下沿材料流动方向朝钢轨内部扩展,当裂纹扩展到轨面以下约2 mm时,法向接触载荷逐渐代替切向载荷,成为裂纹继续扩展的主要推动力12 。裂纹扩展过程中,多条裂纹相互贯通形成剥离掉块13。本文基于国内某重载铁路小半径曲线和运行车
12、辆建立实参数轨道-车辆多体动力学仿真模型,对钢轨打磨前后轮轨接触几何关系、轮轨接触应力和轮轨蠕滑力进行了分析,现场测试打磨前后车辆通过该小半径曲线的轮轨力,结合Burstow钢轨损伤函数模型对该曲线轨面裂纹萌生寿命进行分析,以研究钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响。重载铁路典型小半径曲线打磨前钢轨滚动接触疲劳见图1。511-566+3701R500-02-7020-75-72105-8SH一图1小半径曲线打磨前钢轨滚动接触疲劳1仿真结果分析1.1轨道-车辆动力学仿真模型钢轨滚动接触疲劳的萌生发展主要取决于轮轨接触几何、轮轨蠕滑和轮轨力,为分析钢轨打磨前后相关因素的变化,通过多体动力学软
13、件建立轨道-车辆多体动力学模型,模型中转向架主要部件包括轮对、侧架、轴箱、摇枕等14,运动学拓扑关系和动力学模型见图2。刘永乾等:钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响研究轮对26DOF4L6DOF6DOFTZupPw刚体;一O铰;一约束;一W一弹性元件;阻尼。(a)运动学拓扑关系(b)动力学模型图2 C80货车运动学拓扑关系及动力学模型模型中钢轨廓形采用该重载铁路小半径曲线打磨前后实测钢轨廓形,见图3,打磨前上股钢轨非工作边和下股钢轨两侧存在塑性流动,打磨后廓形得到修复。0-10-20-30(a)上股-40-40-30-20-10钢轨横坐标/mm(a)上股0(b)下股-10u/-20-3
14、0-40-40-30-20-10钢轨横坐标/mm(b)下股图3打磨前后曲线上、下股钢轨廓形111车体摇枕16DOF侧架1、2侧架3、46DOFO轮对1摇枕2轮对3轮对46DOF46DOFO16DOFZwPw标准廓形打磨前廓形打磨后廓形010标准廊形打磨前廓形一打磨后廓形010O6DOF203020304040112研究对象为半径为R500m的曲线,全长为6 13m,缓和曲线长为110 m,超高为10 0 mm,车辆通过速度为7 0 km/h,车轮踏面采用实测C80车轮踏面,轨道不平顺采用该线实测轨道不平顺数据。美国V级谱和实测轨道不平顺对比见图4和图5,由图4和图5可知,美国V级谱左右股横向和
15、垂向不平顺幅值比较接近,左右股振幅为5 10 mm,而实测线路横向和垂向不平顺随机性较大,与实际情况更吻合。15左股10右股u/业50-5铁道学报15左股右股10/业垂505-10-150100200300400500600700750距离/m(a)美国V级谱15105第45卷左股右股-10-150100200 300 400500600700750距离/m(a)美国V级谱15左股右股10u/50-5-10-150100200300400500600700750距离/m(b)实测数据图4横向不平顺1.2轮轨接触几何及接触应力轮轨接触几何关系是影响轮轨接触点分布的直接因素,轮轨接触点集中分布会导
16、致轨面接触应力集中,加速疲劳产生和发展。打磨前后钢轨廓形与车轮踏面匹配轮轨接触几何关系见图6,由图6 可知,打磨后曲线上股轮轨接触点横向分布宽度由打磨前约7 mm增加至约2 0 mm,分布均匀无跳跃;曲线下股轮轨接触点横向分布宽度由打磨前约15mm增加至约2 5mm,分布区域由集中在钢轨内侧变为均匀分布在轨顶。打磨后轮轨接触点集中问题得到明显改善。打磨前后轮轨法向力均方根值、接触斑面积和最大法向接触应力见表1。打磨后上股轨顶和轨侧法向力显著减小,下股轨顶法向力略有增加。打磨后上股轨顶接触斑面积增大、轨侧接触斑面积减小,说明曲线上股主要接触位置向轨顶移动,曲线上股轮轨接触由0-5-10-1504
17、09388-61260-3-Cw/z100-10接触带宽:车轮:11.+左轨:5接触点YO:左轮:10.4左轨:10-20-80403020w/z100-10接触带宽:左轮:91左轨:2.8接罐黑:左轮1.告差轨二9-20-80图6 打磨前后轮轨接触几何关系表1打磨前后轮轨法向力、接触斑面积和最大法向接触应力变化项目打磨前/后上股轨顶上股轨侧下股轨顶轮轨法向打磨前力/kN打磨后接触斑面打磨前积/mm打磨后最大法向接触打磨前应力/(kNmm-)打磨后轨顶和轨侧形成的两点接触转变为更合理的贴合式接触;下股轨顶接触斑面积显著增大,轮轨接触点集100-40(a)打磨前6-912-400y/mm(b)打
18、磨后115.7102.6100.1104.21.771.48200300距离/m(b)实测数据图5垂向不平顺有轮:10.0 右轨:3.7岩轮:-15.8 右轨:-2 4.9040y/mm630-369-12存羚:18.0 存垫:11.7岩轮:-3.6 若轨:-11.34080331143.312.11.010.784005006007007501280107.4109.5106.5160.31.541.04第8 期中问题明显缓解,同图6 结果一致。打磨后上股轨顶、轨侧和下股轨顶最大法向接触应力分别减小了16.3%、2 2.7%和32.4%,有利于抑制轨面裂纹的萌生及扩展。1.3轮轨蠕滑力及轨面
19、裂纹法向分力表2 为打磨前后曲线上、下股轮轨滑力均方根值,分析可知打磨后上股轨顶、轨侧纵向蠕滑力减纵向蜻滑力横向蠕滑力位置打磨前/后打磨前上股轨顶打磨后打磨前上股轨侧打磨后打磨前下股轨顶打磨后15FNV回1050-5-10-150图7 打磨前后上、下股轨顶纵向滑力F为进一步分析轮轨蠕滑力对轨面裂纹扩展的影响,对打磨前后轨面裂纹受力情况进行分析见图8,裂纹方向与图1中钢轨实际情况一致,F法为合蠕滑刘永乾等:钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响研究表2 打磨前后轮轨蠕滑力均方根值合蠕滑力F/kNF,/kNFx1=8.25F,1=14.52Fx2=6.58Fy2=13.81Fx3=4.26F,
20、3=2.11Fx4=1.35Fy4=0.85Fx5=1.14Fys=14.81Fx6=9.17Fy6=12.21A100距离/m113小,下股轨顶纵向蠕滑力增大;上股轨顶、轨侧和下股轨顶横向蠕滑力均减小;上股轨顶合滑力减小8.38%,上股轨侧合蠕滑力减小6 6.32%,下股轨顶合蠕滑力增大2.8 3%。表2 所示各滑力中,上、下股轨顶纵向蠕滑力Fx2和Fx与打磨前F和Fxs相比方向相反,见图7。其他蠕滑力与打磨前同向,此处不再展示。F合变化率/%F合/kNF合1=16.7 0F合2=15.30F合3=4.7 5F合4=1.6 0F合5=14.8 5F合6=15.2 7200300裂纹法向分力F
21、法/kNF法1-8.38F法2F法3-66.32F法4F法52.83F法6F含2F400450FF法I(a)曲线通过示意图(b)上股轨顶F法F力F合在裂纹法向上的分力。分析可知,打磨后上股轨顶Fx2与Fxl方向相反、F合2 小于F合1,使F法2 小于F法1;上股轨侧F合4减小且与F合3同向,使裂纹法向分力减小;下股轨顶Fx6与Fxs方向相反,即使F合6 大于F合5,F法。仍然小于F法5。因此,打磨后上、下股轨面裂纹法向分力减小,有利于抑制轨面裂纹的萌生及扩展。2实测数据分析2.1轮轨力安定理论利用轮轨切向力和法向力来评价轮轨的承载能力,可以快速直观地比较不同条件下轮轨滚动接触疲劳,定性分析轨面
22、裂纹萌生和发展的可能性15 为/F2+F2/FFxsF法5(c)上股轨侧(d)下股轨顶图8 打磨前后曲线上、下股轮轨蠕滑力分析式中:为牵引系数;F,和F,,分别为纵向和横向蠕滑力;F,为法向力。切向力和法向力与轮轨横向力和垂向力相关,可通过测量后两者计算得来。钢轨打磨前后分别测量了货车通过时的轮轨横向力和垂向力,见图9、图10。由图9和图10 可知,上股横向力最大幅值由8 7.6 3kN下降至6 4.53kN,下降26.36%;2 0 k N以上的占比由36.94%下降至19.15%,减少17.7 9%。下股横向力最大幅值由95.74kN下降至7 5.44kN,下降2 1.2 0%;40 kN
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