基于非稳态荷载的重载铁路钢轨三维裂纹群扩展路径演变规律研究

In the heavy haul railway, there is a great relationship between the spalling or breaking of rail and the propagation path of fatigue crack. It is not effectively to analyze the crack propagation path evolution that used the ideal semi-elliptical crack morphology and steady-state loading. The true 3D crack morphology is a curved surface in pace with the crack propagation path evolution. When the measured irregularities are applied to the track, the load-contact patch-time three-dimensional process of the vehicle's unsteady rolling is obtained by the modified rain flow counting method. The fatigue damage is nonlinearly accumulated, then the crack initiation position and main direction is studied under unsteady load. The rail sample from site will be carried on metallurgical analysis for researching the cracks’ length and depth in each section by using the digital image recognition principle. The real space shape of the crack will be reconstructed based on 3D morphological theory, and the mathematical model is established. According to the location and main direction of the crack initiation and the of the extension, the real shape of the 3D multiple cracks will be placed into the rail head finite element model and the non-steady load is applied. The extended finite element and the fracture mechanics are used to study the 3D crack propagation path. It will be explored that the mechanism of the bifurcation and transformation of the crack propagation path, and the causes of the spalling and breaking of the rails. The research results can provide scientific basis for the rail damage management of heavy haul railway.

重载铁路钢轨剥离掉块及断轨与疲劳裂纹的扩展路径有很大关系，采用理想化的半椭圆裂纹形貌与稳态荷载无法对裂纹扩展路径演变进行有效的分析。三维裂纹的真实形貌是一个随着路径演变而形成的空间曲面。对轨道施加实测不平顺后，采用修正的雨流计数法得到车辆非稳态滚动通过时的荷载-接触斑-时间三维历程，对疲劳损伤进行非线性累积，研究非稳态荷载下的钢轨疲劳裂纹萌生位置及其扩展主方向。将现场取样的各阶段钢轨进行金相分析，利用数字图像识别原理研究三维裂纹在各个截面上的长度、深度等特征，并基于三维形态学重构裂纹的真实空间形貌，建立数学模型。依据裂纹萌生的位置与扩展主方向将三维裂纹群的真实形貌置入轨头有限元模型并施加非稳态荷载，结合扩展有限元与断裂力学研究三维裂纹群扩展路径演变规律，分析三维裂纹之间的影响作用，揭示裂纹扩展路径分叉与转变的机理，探寻钢轨剥离掉块与断轨的原因，为重载铁路钢轨损伤管理提供科学依据。

为探寻小半径曲线钢轨上的裂纹扩展路径演变规律及三维形貌，本课题通过对现场运营中的小半径曲线钢轨进行分阶段取样与切割，并对试样的横截面与纵截面进行金相分析。基于图像识别与分析原理，经过灰度化、二值化、去噪声、归一化等一系列处理手段，将光信号金相分析图转换成数字坐标形式，提取出每幅金相图中的裂纹及钢轨型面边界。通过编制MATLAB程序，计算所有二维裂纹形貌中的占比最大的主裂纹的扩展特征，包括扩展角度、扩展长度与扩展深度等特征。基于所得到的二维裂纹的形貌与扩展特征，重构得到三维裂纹形貌应为半（椭）球体上的部分曲面经过钢轨型面切割后所得到曲面形貌。将重构后的三维裂纹（群）形貌置入钢轨中，采用与现场取样同样的方法进行切割，结果显示，所得到的横截面与纵截面都与现场金相分析图有着极高的吻合度；裂纹二维形貌长度与深度随通过总重未呈现增长趋势（甚至有所减小），这是因为小半径曲线钢轨的型面磨耗严重。三维裂纹（群）的真实形貌应为现存的裂纹加上被磨掉的部分。为分析钢轨型面变化规律，在多体动力学软件建立了与实际运营参数相一致的车辆-轨道动力学模型，基于修正的Archard磨耗理论，分析小半径曲线钢轨在各个服役阶段的型面演化与磨耗规律，研究影响钢轨型面的主要参数。结果表明，侧磨是决定小半径曲线外轨型面演变的一个重要因素，钢轨磨耗及轮轨接触状态在整个钢轨服役寿命期间主要分为三个阶段，在阶段I里，磨耗从轨距角位置开始产生，并向轨顶与轨侧扩展，此时轮轨接触主要为轨距角-轮缘根部单点接触；当磨耗扩展至侧磨位置时，进入阶段II，轮轨接触以两点接触为主，轨顶和轨侧各一个接触点，侧磨呈线性发展；当侧磨发展至一定程度时，进入阶段III，侧磨速率开始加快，轮轨接触状态恶化，主要以多点接触为主。仿真所得到的钢轨在各个阶段的型面与现场所测的型面基本一致。采用提高轨底坡的方法可以适当延缓磨耗的速率。结果还表明，由于LM型车轮型面外部向上凹进而轮缘根部向下凸起，因此不适合与低轨肩的60N钢轨型面共同应用在小半径曲线上，否则会造成外轨磨耗急速增长。本研究结果有助于在不同阶段研究钢轨裂纹扩展时裂纹形貌的正确建模，以及通过钢轨表面裂纹排列形貌粗略预测裂纹在钢轨内部的扩展状况。