钢轨脱碳层对钢轨波浪形磨耗的影响机理及其控制措施研究

The effects of rail decarburized layer on rail corrugation have been revealed in engineering practice. However, the mechanical properties of rail decarburized layer as well as the mechanisms of its effects on corrugation have not been well understood. These properties and mechanisms are urgently needed to be investigated under the background of large mileage of new lines of rail transit are going to start operation in China and decarburized layer exists on the new rails. This project will focus on the study of the effects of rail decarburized layer on rail corrugation and corresponding countermeasures using study methods of field investigation, laboratory test, theoretical analysis and simulation. Firstly, the constitutive relation of the decarburized rail material will be obtained using micro-/nano-indentation technique, and the hardening, wear and damage mechanism of the decarburized material in wheel/rail rolling contact will be studied via twin-disc tests. Secondly, the dynamic behavior in the rail-wheel contact patch with the presence of rail decarburized layer will be investigated using a 3D transient wheel/rail rolling contact simulation. Then, the effects rail decarburized layer on the initiation and development of rail corrugation will be studied according to establishing a corrugation model that takes rail decarburized layer into consideration. Finally, based on the understanding of the mechanism of rail decarburized layer on corrugation, the countermeasures, mainly rail grinding techniques, will be investigated.

钢轨表面脱碳层对钢轨波磨的影响已在工程上被发现，但对钢轨脱碳层材料的力学性能以及脱碳层对波磨的影响机理尚认识不清。由于脱碳层存在于新钢轨的表面，在我国大量轨道交通新建线路即将投入运营的背景下，急需开展相关的科学研究。本项目采用现场测试、试验研究和理论模拟研究的手段，围绕钢轨脱碳层对钢轨波磨的影响机理和控制措施展开研究。首先借助微纳米压痕技术获得钢轨脱碳层材料的本构关系，并通过轮轨对滚试验进行钢轨脱碳层的硬化规律、耐磨性和损伤机理的研究。其次，通过三维轮轨瞬态滚动接触模型进行钢轨脱碳层对轮轨接触斑内动态行为影响的研究。然后通过建立可考虑脱碳层影响的波磨理论模型，研究并揭示钢轨脱碳层对钢轨波磨发展的影响机理。最后，在掌握脱碳层对钢轨波磨影响机理的基础上，研究通过钢轨打磨等方法对与脱碳层相关的钢轨波磨进行抑制的防治措施。

针对钢轨表面脱碳层对轨道交通新建线路钢轨波磨的影响已在工程上被发现但其对波磨的影响机理尚认识不清的现状，本项目采用试验研究、理论模拟和现场测试的手段，围绕脱碳层材料的力学性能及其对钢轨波磨的影响机理和控制措施开展了以下六个方面研究：钢轨脱碳层材料本构关系试验研究、钢轨脱碳层在滚动接触中的耐磨性与损伤机理试验研究、钢轨脱碳层对轮轨接触斑内动态行为的影响研究、钢轨脱碳层对钢轨波磨发展的影响机理研究、与脱碳层相关的钢轨波磨的预防和治理措施研究、具有脱碳层钢轨上波磨发展的现场调查及跟踪。.项目组根据申请书制定的研究计划，开展了相应研究内容，达到了研究目标。项目的主要成果和结论如下：.(1) 采用纳米压痕技术成功获取了脱碳层不同深度位置处的材料力学性能，掌握了弹性模量和硬度在脱碳层内的变化规律，结合有限元反演建立了脱碳层材料本构关系；.(2) 试验研究了脱碳层的耐磨性和磨损机理；发现当脱碳层增加到一定厚度时，裂纹扩展速率急速增加，裂纹在脱碳钢轨上主要沿着铁素体线或铁素体与珠光体的交界处扩展；.(3) 掌握了脱碳层对接触斑内法、切向接触应力、等效应力和摩擦功的影响规律；通过数值模拟确定了钢轨磨耗速率随脱碳层厚度的增加的规律；.(4) 建立了可考虑脱碳层的钢轨波磨发展模型，研究了脱碳层厚度、硬化过程、钢轨初始不平顺波长、轮轨共振频率等多因素对钢轨波磨发展的影响，揭示了脱碳层对钢轨表面平均磨耗和波浪形磨耗发展的影响规律；.(5) 发现了严格控制新钢轨预打磨后的残留不平顺波长和脱碳层残留厚度是预防钢轨波磨发展的关键因素；.(6) 通过对某新建高速铁路在不同的脱碳层残留条件下钢轨波磨发展的现场跟踪调查，掌握了有脱碳层影响条件下的钢轨波磨发展情况，佐证了本项目试验和理论研究的结论。.通过本项目的研究掌握了脱碳层材料的本构关系，从磨损机理和动力学角度揭示脱碳层对波磨的影响机理，推进了对钢轨波磨现象的科学认识，为工程上进行防治指明了关键措施。.