影响钢轨疲劳裂纹萌生寿命的主要因素分析_王建西

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:A

Analysis of Major Influencing Factors of

Rolling Contact Fatigue Crack Initiation Life of

Rails

WANG Jianx i 1,XU Yude 1,WANG Zhichen

2

(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 steel

is 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