摘要：本文介绍了滚动接触疲劳裂纹的形成机理及影响、影响因素，并提出在现有运营条件下如何改善钢轨滚动接触疲劳的几种方法。
关键词：钢轨接触疲劳；剥离掉块；轨顶摩擦控制；轮轨润滑
引言
包神铁路，自陕西省神木市至内蒙古自治区包头市，营业线全长191.6公里，是神府东胜煤田煤炭外运的北通道。随着日益旺盛的矿产资源外运需求，包神铁路全年运量已达200Mt。随着铁路货运量的增大和列车速度的提高，铁路运输因接触疲劳导致车轮、钢轨的服役寿命严重降低，轮轨滚动接触疲劳所造成的破坏变得越来越严重，它不仅大大增加铁路的运营成本，而且直接危害行车安全。
世界各国对轮轨滚动接触疲劳进行了大量的分析研究，得出了关于接触疲劳基本一致的结论，即材料在循环应力作用下，经过一定的循环次数，产生局部永久性累积损伤，引起的一种表面疲劳破损现象，表现为接触表面产生麻点、剥落甚至断裂。长久以来接触疲劳被认为是受到循环载荷接触面的主要失效机制。
本文根据钢轨疲劳损伤特点和轮轨力作用方式试验研究了钢轨疲劳伤损的分类，以及延缓钢轨疲劳伤损的集中解决途径，对铁路运输安全具有重要作用。
1、钢轨滚动接触疲劳的分类
轮轨界面的滚动接触疲劳是特指在轮轨接触面上，由于反复作用导致在钢轨或者车轮表面或者次表面先形成微小裂纹并扩展，直至在接触表面形成大面积剥离，严重时甚至发生断裂。通过近些年来的观察发现，钢轨的滚动接触疲劳一般发生在曲线外侧高轨的轨头踏面以及轨顶角处，主要分为以下几类：
1.1鱼鳞伤
鱼鳞伤主要分布于曲线、坡道地段，直线也有，但很少。基本上是由于轮轨接触形成的疲劳裂纹。轮轨接触面表层金属发生塑性变形，使钢轨的几何形状发生变化。表现为轨头踏面压宽、碾边、垂直磨耗和侧面磨耗。钢轨塑性变形程度和磨耗速率，与轮轨接触应力和摩擦力成正比，与钢轨的硬度成反比。钢轨表面的塑性变形一方面使金属加工硬化，硬度提高，另一方面疲劳裂纹易在表面萌生和沿变形流线方向发展。当塑性变形达到一定深度时，在表面形成的疲劳裂纹将在接触剪应力作用下沿变形流线方向倾斜向下发展，当疲劳裂纹的扩展速率大于磨耗速率时，在钢轨的作用边（特别是曲线上股）出现程度不同的鱼鳞状裂纹和剥离掉块。这种鱼鳞状的剥离裂纹的方向与行车方向一致。在长大坡道、信号机前后线路上，列车爬坡、制动、启动，轮轨剧烈摩擦，使钢轨表面产生淬火马氏体金相组织，硬度高、韧性低，在轮轨接触应力作用下易产生龟裂和剥离。
鱼鳞伤带来的问题：（1）干扰探伤。其一，鱼鳞伤有的深度虽然不深（4-6MM），但由于伤损趋向良好，所以在仪器上显示的波形也很强，与早期小核伤的出波位置、位移量近似。同时由于鱼鳞伤连续分布，相同波形连续出现，严重干扰了人们的判伤，造成早期的小核伤漏检。其二，由于水平帽的存在，阻挡了超声波，对于水平帽下的核伤无法检测。近几年探伤漏检造成的核伤断轨绝大部分是由于钢轨表面存在鱼鳞伤。所以，区分鱼鳞伤和核伤的仪器检查波形是一个关键。（2） 鱼鳞伤进一步发展会形成核伤，直接造成钢轨折断。严重影响行车安全。因此，对于鱼鳞伤本身制订一定的伤损标准也很关键。
1.2剥离掉块
裂纹产生以后，裂纹一般是沿着与机车前进方向一致,与轨面成小锐角方向扩展,当裂纹扩展到一定程度后，由于向心部扩展受到阻力作用而改向表面扩展, 最后达到表面,形成材料的剥落，形状成薄块状掉块。鱼鳞纹是造成剥离的主要形式。
在滚动疲劳寿命中，润滑剂起到很重要的作用。正常情况下 ，在同一种油系列里，润滑油的粘度越高，滚动疲劳寿命也越长。事实上，在有润滑油状况下，钢轨表面的鱼鳞纹对于钢轨来说更有危害性。在车轮反复作用于钢轨的情况下，润滑油容易渗透进表面裂纹，由于润滑油的挤压效应，将产生一种类似于炸裂开来的效果，形成掉块，并加速裂纹的发展。
1.3核伤
裂纹形成后，走向与轨面成很大锐角甚至直角扩展，鱼鳞纹不断深入到钢轨表面以下，达到一定深度后形成纵向水平裂纹，发展造成轨头断裂，严重的甚至会扩展到轨腰以下，形成腹板裂纹，并最终导致钢轨严重断裂失效。如何避免鱼鳞纹朝着纵深扩展是我们首先应当考虑的一个问题，关系到铁路行车安全。
1.4其他类型
钢轨压溃、塌陷等形态也是由于钢轨接触疲劳而导致超过材料的韧性极限，从而形成破坏。近几年来，通过轮轨材料的改进，轮轨几何参数从理论上得到进一步改善，钢轨压溃等破坏形式的发生已明显降低很多。
2、延缓钢轨滚动接触疲劳的途径
总体来说，可以通过以下五个方面有效延缓钢轨滚动接触疲劳。
2.1改善钢轨材质
提高轮轨强度是主要的减缓滚动接触疲劳的措施之一，主要包括有表面机械处理以及化学改性等方法，国内外大量文献研究表明可从提高轮轨强度入手来减缓滚动接触疲劳。综合起来主要有以下几个方面：
(1)适当改变钢轨硬度的方法。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆富兰克林•卡普尔等人在基准材料为珠光体的钢轨(HV 270)的表面，利用涂层技术，提高了钢轨的抗疲劳效果。(2)钢轨中马氏体组织属于高碳马氏体组织，其基本特性是硬而脆且具有较大的裂纹敏感性，是造成钢轨突发性脆断的主要原因之一。减少轮轨材料中马氏体组织的产生有助于提高轮轨强度。
(2)铬、钒铬合金抗热疲劳能力非常强，因此有研究人员考虑将铬、钒铬合金加入轮轨材料中，以降低轮轨接触过程中因为产生大量热量而导致轮轨热疲劳发生，这一方法已证实对轮轨抗热疲劳有较好效果。
(3)稀土的作用。稀土可延缓钢轨钢表面疲劳裂纹的萌生和扩展、推迟表面剥离、减小裂纹贯穿角和裂纹稳定贯穿深度、缩小塑性变形范围和改善表面加工硬化的效果 。
2.2改善轨道结构
大量实践证明，通过合理设置曲线超高，合理设置轨底坡，加强轨道框架结构、及时调整各种联接零件等手段可以有效延缓钢轨疲劳伤损的发展。
（1）设置合理的曲线超高
曲线超高过小,列车通过时外倾,加大了作用在外股钢轨上的压力, 轮轨间摩擦力变大,加快了曲线的侧面磨耗;而曲线超高过大,列车通过时内倾,紧贴内股钢轨运行,加大了作用在内股钢轨上的压力,加大了列车内外轮走行距离差, 外股钢轨上车轮滑移加剧, 同样也加快了钢轨的侧面磨耗。所以,合理设置曲线超高,是减缓曲线侧磨速率的重要、有效措施。
（2）设置合理的轨底坡
设置合理的轨底坡，增大轮轨间接触的面积,从而延缓曲线磨耗的速度。在更换小半径曲线钢轨作业时, 可以将普通胶垫更换为坡形胶垫, 有效改善钢轨的受力方式,据统计,与原来采用普通胶垫的钢轨相比,钢轨的磨耗速度减缓了近1/3,起到了显著的效果。
（3）加强轨道框架结构
严格按规定设置轨距拉杆:在小半径曲线采用轨距拉杆, 以及防翻轨撑等加强轨道的框架结构强度, 轨距杆的分布位、数量又非常关键。《铁路线路修理规则》规定的每根25m轨上拉杆8～12根,现场确定为12根,每间隔4根轨枕设置一根轨距拉杆,而且拉力保持均衡,如果位置不均匀或拉力不均衡,必然造成有轨距杆的地方磨耗严重, 问题发现后,及时采取措施,制定安装标准,取得了较好的效果。规范曲线地段地锚拉杆安装标准:列车快速、重载、高密度的运行, 对线路的冲击力和破坏程度成倍增加, 使线路病害数量增多,病害变化速度加快,大力推行在小半径曲线地段安装地锚拉杆, 增强线路整体框架刚度和稳定性。对于小半径曲线而言, 缓和曲线每间隔5m 、圆曲线每间隔10m安装地锚拉杆,实践证明,安装地锚拉杆是保证曲线稳定的有效措施。
（4）及时调整各种联接零件
日常曲线养护过程中, 往往会因为轨枕位置不对、钢轨的不均匀磨耗,而调整局部地段的轨距挡板或尼龙后座, 导致整条曲线上轨距挡板、尼龙后座为非标配置,要求在换轨时必须及时将挡板、后座调整到标准配置,然后调整轨枕拨正曲线。否则,新换的钢轨方向不良, 从而加剧钢轨的侧面磨耗；同时缩短扣件涂油周期,轨枕螺纹道钉锈蚀,螺杆直径不足16mm或折断失效的应及时更换、改锚,以保持道床横向阻力均匀。
2.3改善车辆结构
卡克在很早前就注意到轮轨接触型面优化问题。他提出车轮踏面设计从锥形踏面到磨耗形踏面，从而减低了轮轨接触应力，提高了车辆动力学运行品质，有效地改善了轮轨系统抗滚动接触疲劳的性能。
2.4改善轮轨廓形管理
车轮磨损失效的形式主要有踏面磨耗到限和轮缘磨耗到限。原铁道部对机车车辆车轮踏面的使用与维修都有相应的标准,如《DF4型内燃机车段修规程》第3•11•6•8条中规定:踏面磨耗深度不大于7 mm；而采用轮缘高度为25 mm的磨耗型踏面时,踏面磨耗深度不大于10 mm。磨耗达到或超过这些标准,就会危及行车安全。早期的车轮踏面为锥型踏面，锥形踏面在使用初期磨损很快，当磨损到一定程度后，磨损速率开始减缓，踏面形状趋于稳定。通过长期观察和试验发现,如果在车轮踏面设计时就采用磨耗型的车轮踏面廓形,可有效地减轻轮轨接触应力,迅速降低轮轨磨耗,有效延长轮轨使用寿命。
2.5摩擦管理
在钢轨侧面和轨角部位的润滑，以及轨顶的摩擦控制都对减缓钢轨和车轮的磨耗具有非常显著的作用。由于轨顶实施摩擦控制而导致的轨道横向力降低，能缓解外轨轨角与轮缘之间的压力，进一步减缓钢轨轨侧和轮缘磨耗。美国联合太平洋铁路公司（Union Pacific Railway）曾在莫哈维工区内的特哈查比山区进行试验，对比仅单独使用轨侧润滑（GF）和同时实施轨顶摩擦控制和轨侧润滑（TOR+GF）对降低钢轨磨耗的效果。试验结果显示，引入轨顶摩擦控制可降低横向力14%～36%；此外，在原轨侧润滑基础上再加上轨顶摩擦控制，可获得额外的钢轨减摩效果，外轨侧磨及内轨垂磨均再降低50%～60%。这正是因为降低了的横向力舒缓了轮缘与外轨轨角间的轮缘力，从而达到钢轨进一步降低磨耗的效果。
3、结束语
随着重载线路运量的加大，由于钢轨的疲劳伤损导致的线路问题日益突出，针对国内外诸多实践及理论研究，如何借鉴行业内的应用经验，实施行之有效的治理措施，后期还需要我们根据自身线路情况加以试验及分析，对每一种实施措施进行详细的数据分析，以便对上述措施的作用开展进一步论证。
参考文献
[1]《铁路线路修理规则》2017版.
[2]《DF4型内燃机车段修规程》.
论文作者:康续
论文发表刊物:《防护工程》2018年第33期
论文发表时间:2019/2/25
标签：钢轨论文; 磨耗论文; 疲劳论文; 裂纹论文; 曲线论文; 鱼鳞论文; 表面论文; 《防护工程》2018年第33期论文;