钢轨滚动接触疲劳裂纹与磨耗共存关系的研究

Rolling contact fatigue (RCF) crack and wear coexist during the whole rail life under the high-frequency and heavy-load loading condition with the application of high-hardness rail. Since there are few theoretical explanation and quantitative analysis on the relationship between the crack - wear growth, there are no effective scientific instructions for rail maintenance which influence the rail life. Based on theoretical research, laboratory and filed tests in this project, the key process in RCF crack and wear growth will be analyzed and their coexist process will be explained theoretically. The research methods and analysis models for RCF crack - wear coexist and growth considering real vehicle-track, wheel-rail and crack conditions will established with the help of discretizing their coexist process together with rail profile iteration, stress and strain redistribution, fatigue and fracture accumulation and correction, full scale wheel/rail rolling tests and crack nondestructive tests. The coexist relationship between crack and wear in the whole rail life will be researched with above methods and models. Therefore, their mechanism and transfer conditions can be revealed. The balance relationship between crack and wear will also be presented quantificationally. The whole process of crack and wear growth in rail life can be understand. This research will provide theoretical reference for designing rail application and maintenance methods, guiding rail type selection, optimizing maintenance strategy and prolonging rail life. It will be significant for rail scientific application, track design and rail maintenance.

高频重载的荷载环境和硬质钢轨的广泛使用，造成钢轨滚动接触疲劳裂纹和磨耗共存现象突出。由于对两者的共存关系缺少理论解释和量化分析，使得钢轨养护维修缺乏科学指导，影响了钢轨使用寿命。本课题采用理论研究、实验室实验和现场试验结合的方法，掌握裂纹和磨耗发展的关键环节，提出裂纹和磨耗共存过程的理论解释和方法体系；通过将裂纹和磨耗连续发展过程分段离散化，采用磨耗型面迭代、应力应变重分布、疲劳与断裂累积与修正等方法，辅以轮轨实尺实验和无损检测，建立考虑真实条件的钢轨疲劳裂纹-磨耗共存发展分析模型；研究钢轨全寿命周期内裂纹和磨耗的共存关系，揭示两者的机理和转化条件，量化两者的平衡机制，掌握钢轨全寿命期间损伤发展过程。本课题的研究将为合理制订钢轨的使用条件和养护维修方法、指导钢轨选型和优化养护维修策略、延长钢轨的使用寿命提供理论依据，从而保障钢轨的科学使用、完善轨道设计方法、提升钢轨养护维修水平。

钢轨磨耗和滚动接触疲劳裂纹是影响钢轨寿命的主要伤损，在车轮荷载的反复作用下，钢轨表面材料发生塑性变形，进而出现疲劳、萌生裂纹，同时部分材料被磨损，引起材料磨耗、钢轨型面变化，二者同时存在、共同发展。随着货运列车轴重增大、客运列车速度增加，轮轨相互作用力增大，同时，钢轨硬度和材质相应提高，导致钢轨滚动接触疲劳裂纹与磨耗的共存现象更为突出。因此，本课题结合现场和实验室轮轮试验，考虑钢轨材料、车辆与荷载条件、轮轨蠕滑状态、轮轨接触条件等因素，建立了一整套考虑真实条件的钢轨疲劳裂纹-磨耗关系理论框架、方法及分析模型，解释了钢轨疲劳裂纹和磨耗的发展全过程，实现了对疲劳裂纹萌生和磨耗共存发展的全寿命预测。课题首先对我国主要材质和型面的钢轨进行轮轨滚动接触试验和一定线路条件下的现场磨耗和裂纹跟踪试验，掌握了不同材质、线路条件下的钢轨磨耗和型面变化特征以及裂纹扩展的特征和规律；结合现场与试验观测结果，采用X射线断层扫描技术，测量了不同通过总重、轨头不同位置的裂纹内部形貌，还原了真实裂纹形状和空间位置，并基于逆向工程理论，实现了裂纹形状三维数学表达，完成了裂纹的三维重构；基于连续系统离散化的思想，创新性地引入钢轨磨耗型面迭代和疲劳分段累积的思路，提出了分段迭代、应力应变重分布搜索、疲劳/断裂累积算法，建立了考虑磨耗发展的钢轨裂纹萌生寿命预测模型，将磨耗和裂纹萌生的过程统一起来，实现裂纹和磨耗共存状态的模拟。基于此，定量分析了钢轨全寿命周期内裂纹和磨耗的共存关系、相互影响特征和规律，总结了两者共存发展的机理和转化关系，量化了不同线路条件、不同硬度、摩擦系数、液体侵入等参数对疲劳裂纹萌生和磨耗的影响，揭示了钢轨疲劳-磨耗全寿命发展规律。对我国高速铁路、重载铁路和城市轨道交通钢轨的科学使用、提升钢轨养护维修水平提供了理论支持，具有重要的社会效益和经济效益。