1、2005年11月第6期(總第172期)潤滑與密封LUBRICATIONENGINEERING3Nov12005No16(serialNo1172)鋼軌滾動接觸疲勞研究張偉郭俊劉啟躍(西南交通大學摩擦學研究所四川成都610031)摘要:介紹了滾動接觸疲勞裂紋的萌生及擴展的形成機理、鋼軌滾動接觸疲勞的破壞分類、影響因素,從鋼軌新材料的開發、輪軌接觸幾何型面的優化和鐵路工況的改善等幾個方面提出了減緩鋼軌滾動接觸疲勞的措施。關鍵詞:鋼軌;輪軌接觸;滾動接觸疲勞;疲勞裂紋萌生中圖分類號:U213文獻標識碼:A文章編號:0254-(20056-AnItigueLiuQiyue(ISouthwestJiao

2、tongUniversity,Chengdu610031,China)Abstract:Theformechanismoffatiguecrackinitiationandfatiguecrackpropagationunderrollingcontactwasanalyzed.Theclassificationofrailrollingcontactfatigueandtheinfluencefactorofcontactfatiguewereintroduced.Somemeasureswereputforwardtoreducerailrollingcontactfatiguefromt

3、hedevelopmentofnewrailmaterial,theoptimizationofrailcontactgeometrysurfaceandtheimprovementofrailworkingcondition.Keywords:railwayrail;wheel/railcontact;rollingcontactfatigue;fatiguecrackinitiation高速鐵路和重載鐵路運輸向科學研究提出一系列挑戰,其中輪軌接觸疲勞損傷就是主要問題之一。在我國,高速、重載鐵路運輸因接觸疲勞導致車輪、鋼軌的服役壽命嚴重降低。隨著鐵路客貨運量的增大和列車速度的提高,輪軌滾動接

4、觸疲勞所造成的破壞變得越來越嚴重,它不僅大大增加鐵路的運營成本,而且直接危害行車安全。1994年我國以廣深線為起點,開行160km/h的準高速列車和200km/h的X2000擺式列車。廣深線開行運營以來,線路鋼軌出現大量的鋼軌斜裂紋。不同于一般的鋼軌接觸疲勞現象,廣深線鋼軌斜裂紋是沿著作用邊,迎行車方向向鋼軌中心擴展,然后在軌頭內部發展最終導致鋼軌斷裂,它直接威脅著列車的行車安全,因此危害巨大。目前鋼軌斜裂紋已成為廣深線鋼軌更換的主要因素之一。2000年10月17日,一列高速列車以185km/h的速度從倫敦駛往Leeds的途中,在通過曲線時發生出軌事故。整個列車11節車廂的后面8節脫軌,車上共

5、有182人,4人死亡,70人受傷,其中有4人傷勢嚴重。不久就查明脫軌事故是由于曲線外側鋼軌的3基金項目:國家自然科學基金項目(50323003)和西南交通大學校基金項目1收稿日期:2004-10-26作者簡介:張偉(1976-),男,碩士研究生,主要從事摩擦學及表面工程研究1E2mail:pippzwsina1com1斷裂引起的。很明顯最初和隨后的裂紋基本上是由于1鋼軌已經存在的疲勞裂紋引起的。世界各國對輪軌滾動接觸疲勞進行了大量的分析24研究,得出了關于接觸疲勞基本一致的結論,即材料在循環應力作用下,經過一定的循環次數,產生局部永久性累積損傷,導致接觸表面產生麻點、剝落甚至斷裂的過程。長久以

6、來接觸疲勞被認為是受到循環載荷接觸面的主要失效機制。滾動接觸疲勞(RollingContactFatigue)是在一對滾動接觸的接觸副相接觸過程中,由于接觸區的循環力作用,導致材料表面或次表面形成裂紋并發展以至于材料疲勞損傷失效。鋼軌和車輪的滾動接觸疲勞對于世界上許多國家的鐵路工業來說都是一個相當嚴5重的問題。1滾動接觸疲勞的形成機理111裂紋源及萌生機理到目前為止,滾動接觸疲勞的損傷機理還沒有形成一個統一的結論,甚至有的損傷機理還沒有被完全認識,因為一般試驗研究輪軌的滾動接觸疲勞幾乎不能完全模擬真實環境條件下的運行工況、輪軌幾何型面、邊界條件以及材料的彈塑性變形,只能單一地簡單地模擬某些因素

7、對輪軌接觸的影響,不過也得到了一些比較有用的結論,為以后更進一步研究輪軌滾動接觸疲勞提供了理論上以及試驗環節的依據。長期以來人們對疲勞現象進行了大量的試驗研究,一般將現已熟知的疲勞現象分為機械疲勞、腐蝕196潤滑與密封11總第172期疲勞和熱疲勞3大類。經驗表明滾動接觸疲勞的機械部件失效型式通常被分為次表面起源和表面起源。11111疲勞裂紋起源于表面關于滾動接觸疲勞的形成許多研究者進行了大量的工作,并得出一些結論。Bold等人認為滾動接觸疲勞發生在無潤滑條件的純剪切載荷作用下,因棘輪效應產生塑性累積變形,最后因累積變形達到材料的韌性極限,導致裂紋6產生。78KLJohnson以及AKapoor

8、,程。,極限,則形成表面材料開裂,由如此循環作用的不斷累積,在材料表面形成棘齒狀形貌,這一過程則稱為棘齒效應。而摩擦力成為產生棘齒效應的主要原因,它使表面材料產生極強的剪切應力,剪切應力一次又一次加強,最終形成裂紋。裂紋最初形成為很淺的小銳角裂紋,然后因循環作用逐漸以弧形狀裂紋向表面下擴展,弧形裂紋向下延伸,但不是一直向下延伸,它最終會以圓周狀重新又延伸到鋼軌材料表面,造成材料的脫落,也可以叫做剝落或者剝離。發生剝離現象的傷損鋼軌主要由這一過程造成的。圓周向下擴展的深度由垂向載荷以及鋼軌材料的抗塑性變形能力決定,一般為1152mm,最高的也達到45mm。由于表面材料的剝落,會在鋼軌裂紋周圍形成

9、應力集中,嚴重的甚至會引起另一種疲勞形式的產生,即在鋼軌表面下的次表面形成新的裂紋形核,由此兩種裂紋起源的疲勞交錯發生,進一步危害鋼軌的正常使用壽命。DIFletcher在實驗室內用雙盤試驗機模擬鋼軌與機車驅動車輪之間的接觸壓力和接觸滑動特性,進行了非潤滑滾動-滑動條件的試驗,以檢查剝離薄片或裂紋的早期發展。在不到125次非潤滑接觸循環后發現了小的損傷,在接近10000次循環后發現裂紋增長率和表面磨耗率之間建立了平衡,導致淺的穩態裂紋深度。由棘齒狀形成的最初裂紋增長,再加上由斷裂機理描述的剪切應力造成的裂紋,發現是兩者呈機械順序出現,性質上與觀察到的裂紋增長和穩態裂9紋深度相等。還有很多學者通

10、過實驗證明了滾動接觸疲勞起源于材料表面,文獻10通過滾動接觸疲勞裂紋發生的壽命預測,用了雙盤試驗和輪軌試驗說明了滾動接觸疲勞裂紋起源于鋼軌材料表面。Bower也傾向于裂紋發生在材料表面,在有摩擦力及潤滑條件存在的狀態下,當裂紋形成之后,在第三介質的影響下,會受到介質對裂紋的進一步擠壓,使得裂紋加劇擴展。就起源于表面的單一裂紋的形成,幾乎所有專家學者都支持棘齒效應導致材料塑性變形最終形成裂紋的說法,而HDGrohmann等人在最近還發現了一12種新型滾動接觸疲勞類型。他們在一些時速超過200km/h,發現了在軌頭踏面,疲勞裂紋在這。為了研究疲,他們采用了一種叫SFEAKUSRAIL的仿真工具來預

11、測裂紋形成以及擴展,接觸應力以及分布,并因此建立了一種新型的滾動接觸疲勞理論模型。13,14Dubourg等人用二維平面的方法研究了大量表面裂紋以及次表面的裂紋,試圖找出形成這些裂紋的原因,以及表面裂紋和次表面裂紋出現的位置,他們分別對直軌和彎軌上的表面裂紋以及次表面裂紋進行了研究,最后得到簡單的結果,認為過載或者重載是造成這些部位裂紋形成的原因,而進一步的分析結果認為是剪切應力在裂紋的形成上起到了很大作用。15KLJohnson在接觸理論中預言:當在干態摩擦狀態下,摩擦因數等于或高于013時,最大剪切應力就會發生在接觸表面。11112疲勞裂紋起源于次表面滾動接觸疲勞裂紋萌生還有相當一部分學者

12、認為起源于次表面,根據赫茲接觸理論,認為裂紋起源于最大剪應力處,與材料表面相距0178b(b是接觸橢圓面短軸的一半),最大剪應力的方向與z軸夾角成45°,裂紋在此次表面萌生并擴展。在裂紋起源于次表面方面的文獻中,EkbergA發表了很多較成熟的理16論。他認為次表面產生的裂紋比表面產生的裂紋具有更大的危害,而形成次表面裂紋最大的原因是材料內部缺陷。次表面裂紋一般起源于材料表面下35mm深處,最大也會到達表面下25mm左右。它形成的主要原因也是因為材料表面受到切向作用力而在材料表面及內部形成剪切應變的一個應力場,當材料內部的形變達到韌性極限則出現裂紋狀的空洞,最早發現的滾動接觸疲勞這一

13、內部裂紋空洞即為核狀的內17部裂紋。氫在輪軌材料中也起到一個很重要的角色。氫原子最初是單個分布于輪軌材料中,當材料受到循環作用后,內部壓力增高,材料溫度上升,會導致氫原子相互間結合成氫氣。當這種情況發生時,形成的氣孔周圍會產生巨大的應力集中導致材料失效。最后會形2005年第6期張偉等:鋼軌滾動接觸疲勞研究197成一種形似硬幣狀的裂紋,是形成大范圍的疲勞裂紋18擴展的主要原因。輪軌材料鋼在生產時就應該嚴格控制氫在鋼中的含量,以減少鋼內部硬幣狀裂紋的形成。到目前為止,滾動接觸疲勞裂紋到底是起源于表面還是次表面的問題依然沒有一個十分確切的結論,但是根據兩種不同的起源方式,相關研究人員和學者都得到了很

14、多有用的結論,并因這些結論,分析了影響RCF的因素,以及研究了大量的預防措施來減緩疲勞或者減少疲勞,在實際運用中,果。112一般講,沿,則在主裂紋的前面將發生反復的裂紋成核,即出現裂紋的不連續擴展;如果裂紋尖端處出現累積形變,則主裂紋的前沿線將進行連續延伸,而在其前面并無獨立的裂紋成核,這就是裂紋的連續擴展。關于疲勞裂紋的擴展機理有很多論述,到目前為止,以下兩種模型是比較常用的。第一種是比較公認的Laird2Smith在1962年提出的裂紋尖端反復鈍化和反復銳化模型,其實質是表明裂紋尖端范性形變直接導致裂紋擴展,如圖1所示。裂紋形成后,裂紋尖端由尖銳在一次循環拉伸過程變鈍,再由擠壓過程把裂紋兩

15、側表面壓合,從而使裂紋尖端銳化,完成一次拉伸擠壓過程,如此循環,造成裂紋擴展。另一種是裂紋不連續擴展模型,如圖2所示。在疲勞過程中的循環性形變,引起裂紋尖端塑性區部分累積損傷,并形成顯微空穴,這時裂紋兩側在拉伸應力作用下變鈍,未向前裂的裂紋與空穴間的部分受拉力作用而變窄,最后導致這兩部分連接,造成裂紋的向前擴展。113鋼軌滾動接觸疲勞的裂紋破壞形態分類鋼軌的滾動接觸疲勞一般發生在曲線外側高軌的軌頭踏面以及軌頂角處,因為以下兩個原因使得曲線外側鋼軌比曲線內側鋼軌更容易產生疲勞裂紋19為輪軌接觸幾何關系,使得外側高軌相對與車輪的接觸應力更大。就裂紋主要發生的區域以及根據裂紋的走向及造成對鋼軌的破壞

16、形態,可將鋼軌裂紋破壞形態基本分為以下幾大類。11311麻點剝落裂紋由于拉壓、循環載荷作用在材料表面形成,并因為裂紋形成處接觸點應力集中而導致裂紋處的材料呈小顆粒麻點狀脫落,鋼軌截面可V,但深度都相對較02生。麻點剝落一般成群發生,也稱為密集型斑脫,傷損處多為輪軌接觸帶,特別為鋼軌和車輪踏面處經常發現有這種形狀的麻點剝落破壞。傳統的打磨方法可以完全消除這種破壞,但是由于鋼軌的批量生產,有時會在新鋪的軌道上發現較多的點蝕發生,因此可以從考慮提高輪軌材料性能上來改善輪軌接觸受力,從而減少輪軌點蝕的發生。11312剝離裂紋產生以后,裂紋一般是沿著與機車前進方向一致,與軌面成小銳角方向擴展,當裂紋擴展

17、到一定程度后,由于向心部擴展受到阻力作用而改向表面擴展,最后達到表面,形成材料的剝落,形狀成薄塊狀。剝離多發生在鋼軌踏面,裂紋沿車輪走向但與車輪成一定角度發展成網狀,也就是傳統所說的魚鱗狀剝離裂紋,也稱龜裂,最后裂紋貫穿成塊,導致剝20離。淺層短裂紋是造成剝離的主要形式,見圖3。TB1778286鋼軌傷損分類標準中,傷損編號11表示由于鋼軌金屬接觸疲勞原因導致的踏面金屬裂紋21或剝離的傷損。圖3淺層短裂紋11313斷裂。其一,外側鋼軌在曲線段主要起到車輪的導向作用,使得外側鋼軌和車輪產生很大的剪切應力;其二,因裂紋形成以后,走向與軌面成很大銳角甚至直角20擴展,見圖4,鋼軌斜裂紋不斷深入到鋼軌

18、表面以下,到達一定深度后形成縱向水平裂紋擴展,造成軌頭斷裂,嚴重的甚至會擴展到鋼軌腰部以下,形成腹板裂紋,并最終導致鋼軌嚴重斷裂失效。如何避免裂紋朝著縱深擴展是鐵路部門首先應當考慮的一個問21題,關系到鐵路行車的安全。198潤滑與密封23總第172期圖4大角度長裂紋的走向11314其它方式目前鋼軌因疲勞直接導致的破壞形態主要有以上介紹的3種,除此之外,鋼軌壓潰、塌陷等形態也是,而形成破壞。,鋼軌壓。2影響滾動接觸疲勞的因素影響輪軌滾動接觸疲勞的因素很多,比如接觸面的光潔度、潤滑狀況、表面缺陷、環境因素等等情況,但從本質上決定材料接觸疲勞性能的還是材料本身的成分和微觀結構。下面對鋼軌滾動接觸疲勞

19、的影響因素進行探討。211材料自身材料自身的條件是影響滾動接觸疲勞的主要因素。很多文獻闡述并證實了這一觀點。鋼軌鋼的組織結構中各相的成分以及含量多少對滾動接觸疲勞會產生不同的影響,由于不同相(比如鐵素體、馬氏體、貝氏體、奧氏體、珠光體等)影響接觸疲勞的方式不一,而且當很多相共同存在時,這種影響就造成材料組織對滾動接觸疲勞的影響更不容易下定論。實踐證明,合金組織穩定性和均勻性越好,材料的疲勞強度越高。輪軌中存在非金屬夾雜物,輪軌加工過程中產生的空洞、裂紋和殘余應力,鋼軌接頭焊接時留下的殘余應力,接觸表面粗糙度和不平順等,這些缺陷難以完全消除,對輪軌滾動接觸疲勞影響很大。大小不一的非金屬夾雜物隨機

20、分布在材料內部及表面,它們脆性相對較大,在較大載荷下容易碎裂,若在材料內部,裂紋會從夾雜物內部或邊緣形成;若在輪軌接觸表面上,則形成凹凸不平的麻點,是造成應力集中的地方。表面裂紋以及內部形成的空洞或裂紋周圍在反復作用下產生高度的應力集中,當超過材料的屈服極限時,發生明顯的塑性流動最終導致斷22裂,是鋼軌產生損傷的主要原因之一。除了從鋼軌材料本身可以改善滾動接觸疲勞,鋼軌與輪箍材料的友好匹配也可以在某種程度上改善車輪與鋼軌之間的磨損,比如選擇固態互溶性低的兩種材料作為匹配材料,可調節因車輪與鋼軌之間傾向于粘著而發生的加劇磨損,從而降低或減緩滾動接觸疲勞的發生。212外部條件材料加工完成后不同的表

21、面光潔度,對滾動接觸疲勞也有比較大的影響。比如剛投入使用的鋼軌,表面未經過車輪碾磨,在使用過程中,首先會發生較大的表面塑性變形,形成表面裂紋;表面粗糙度不同,粗,滾動接觸疲勞,使鋼軌的疲勞壽命更符合預期的理論計算,降低因材料表面加工過程造成的損失。水或油被當作是引起表面裂紋擴展的主要原因。文獻24討論了潤滑劑下的RCF試驗,試驗結果表明:(1)在滾動疲勞壽命中,潤滑劑起到一個很重要的作用;(2)正常情況下,在同一種油系列里,潤滑油的粘度越高,滾動疲勞壽命也越長。事實上,在有潤滑狀況下,表面起源的裂紋對于鋼軌來說更普遍也更有危害性。在車輪反復作用于鋼軌的情況下,潤滑劑傾向于滲透進表面裂紋,由于潤

22、滑劑的擠壓效應,將產生一種類似于炸裂開的效果,25加速裂紋的擴展。3減緩滾動接觸疲勞的措施311提高輪軌強度提高輪軌強度是主要的減緩滾動接觸疲勞的措施之一,主要包括有表面機械處理以及化學改性等方法,國內外大量文獻研究表明可從提高輪軌強度入手來減緩滾動接觸疲勞。綜合起來主要有以下幾個方面:(1)適當改變鋼軌硬度的方法。FJFranklin等人在基準材料為珠光體的鋼軌(HV270)的表面,26利用涂層技術,提高了鋼軌的抗疲勞效果。(2)鋼軌中馬氏體組織屬于高碳馬氏體組織,其基本特性是硬而脆且具有較大的裂紋敏感性,是造成鋼軌突發性脆斷的主要原因之一。減少輪軌材料中馬氏體組織的產生有助于提高輪軌強度。

23、(3)鉻、釩鉻合金抗熱疲勞能力非常強,因此有研究人員考慮將鉻、釩鉻合金加入輪軌材料中,以降低輪軌接觸過程中因為產生大量熱量而導致輪軌熱疲勞發生,這一方法已證實對輪軌抗熱疲勞有較好效果。(4)稀土的作用。稀土可延緩鋼軌鋼表面疲勞裂紋的萌生和擴展、推遲表面剝離、減小裂紋貫穿角和裂紋穩定貫穿深度、縮小塑性變形范圍和改善表面2005年第6期27張偉等:鋼軌滾動接觸疲勞研究2191199加工硬化效果。312改善工作狀況車輛在運行中的輪軌接觸環境十分復雜,例如溫度、潤滑等因素影響而造成的輪軌運行工況的多變,而研究溫度、潤滑等影響因素的文獻數量比例占整個防止輪軌滾動接觸疲勞的文獻數第一位,足以說明這些因素在

24、輪軌滾動接觸過程中的重要性。而除了這些顯著影響輪軌接觸環境的因素外,還有很多其它因素也扮演著不同的角色,比如在雨天行車,軌面有樹葉、沙礫等等。中所產生的作用與影響,313優化輪軌型面JJKalker問題。他提出車輪踏面設計從錐形踏面到磨耗形踏28面,從而減低了輪軌接觸應力,提高了車輛動力學運行品質,有效地改善了輪軌系統抗滾動接觸疲勞的性能。4結束語隨著高速、重載鐵路的發展,鋼軌滾動接觸疲勞已成為影響鐵路運輸效率以及經濟效率提高的一大難題。鋼軌滾動接觸疲勞的破壞形式多種多樣,加強對鋼軌滾動接觸疲勞形成機理的研究,有效預防或減緩鋼軌滾動接觸疲勞損傷,具有十分重要的社會意義和經濟意義。從影響鋼軌滾動

25、接觸疲勞產生的因素來看,鋼軌新材料的開發、輪軌接觸幾何型面的優化、鐵路工況的改善等措施能減少或者減緩鋼軌滾動接觸疲勞的出現。參考文獻【1】史密斯1鋼軌滾動接觸疲勞的進一步研究J1中國鐵道科學,2002,23(3)1【2】OfficeforResearchandExperimentsoftheInternationalUnionofWays1Question:Rollingcontactfatigue,ReportNo1,Reviewofrollingcontactfatigueinrails119991751【9】FletcherDI1Equilibriumofcrackgrowthandwe

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34、研究技術的進展203為使環境行為與潤滑劑技術性能相互結合起來,許多國家都推廣采用了“生態標記”或“生態記號”,用此標記對環境兼容產品進行識別,以給用戶以安全可靠的感覺。(1)全球生態標記網絡(GEN)。其目的是創立一個交流信息和促進生態標記的論壇。到目前為止,西班牙、美國、加拿大、瑞典、芬蘭、挪威、日本、英國和中國的臺灣都已經是成員單位,印度和希臘也在申請中。(2)德國的“藍色守護神”。德國于1999立的世界上第一個生態標記計劃,(UBA)織、消費者協會、代表組成,慮。關于潤滑劑方面已經頒布的法規有:RALUZ48,用于鏈鋸油(1998年);RALUZ64,用于可快速生物降解潤滑劑和開關油(1

35、991年);RALUZ79,用于可快速生物降解液壓油(1996年)。(3)北歐國家(挪威、瑞典、芬蘭、冰島)環境標記“白天鵝”。北歐“白天鵝”標記聲稱自己是中立的、獨立的、世界上第一個多國家(跨國)生態標記系統。(4)加拿大的“環境選擇”標記。1994年,加9拿大潤滑劑產品銷售總量大致為1×10L,其中20×510L為植物基潤滑劑。(5)中國的生態標記計劃通稱為“中國產品環境標記鑒定委員會(CCEL)”,在約有13億人口的國內市場,這無疑具有非常重要的意義,該系統由國家環境保護局管理。4結束語綜上所述,綠色環保潤滑劑與普通的潤滑劑一樣,也是由基礎油和添加劑兩部分組成。目前現

36、有的基礎油有礦物油、合成油和植物油3種,礦物油性能雖好,但生物降解性差,達不到環境的要求;合成油的性能和生物降解性都好,但價格較貴,用戶難以接受;植物油的生物降解性好,但抗氧化性能和低溫性能較差。理想的高性能環境兼容的基礎油應該具有:高生物降解性和低毒性;優良的氧化穩定性;良好的低溫性能;成本比合成酯低;使用性能可與礦物油和合成酯匹敵。目前的幾種基礎油都達不到以上要求,但可通過生物技術改進植物油達到。而目前的添加劑在生物降,這就要,通過大量的實參考文獻1】黃文軒1潤滑劑添加劑應用指南1北京:中國石化出版社,20031【2】T曼格,W德雷澤爾(德國)編著,趙旭濤等譯1潤滑劑與潤滑1北京:化學工業出版社,20031【3】EranSZ1USDAisdesigningvegetablebasestocks1LubEng,1998,54(7):2123