高速钢轨疲劳损伤破坏机理与寿命估算

With the rapid development of high speed railway, the rolling contact fatigue between the wheel and the rail has become an important factor influencing the safety of railway transportation. Based on the fatigue damage of steel rail for the high speed railway, this study analyzes the formation condition and expansion mode of rolling contact fatigue between the wheel and the rail through on-the site analysis, experiment research and theoretical calculation. A hydraulic servo fatigue test machine is used to perform fatigue test for various materials located at different positions of the steel rail to compare the crack propagation rate. The influence of stress intensity factor on the fatigue fracture of steel rail is discussed. Also, the wear- fatigue damage model is established to explore the method to control the fatigue fracture of rail for high speed railway and fatigue life estimation is implemented.

随着高速铁路的快速发展,轮轨滚动接触疲劳已成为影响铁路运输安全的重要因素。本研究针对高速铁路钢轨滚动接触疲劳损伤情况，通过现场分析、实验研究和理论计算相结合的方式，深入分析钢轨滚动接触疲劳的形成机理和扩展机制。利用电液伺服疲劳试验机对钢轨的不同位置、不同材料特性进行疲劳试验研究，对比其裂纹扩展速率、断裂韧度，探讨应力强度因子在钢轨疲劳断裂过程中的作用。与此同时，通过实验分析磨损对滚动接触疲劳损伤的影响，讨论轮轨滚动接触过程中疲劳和磨损的相互作用关系。最终将二者结合起来，建立磨损-疲劳耦合模型，用以描述钢轨的损伤行为和失效机理，实现钢轨的疲劳寿命估算。

随着高速铁路的快速发展,轮轨滚动接触疲劳已成为影响铁路运输安全的重要因素。本研究针对高速铁路钢轨滚动接触疲劳损伤情况，通过现场分析、实验研究和理论计算相结合的方式，深入分析钢轨滚动接触疲劳的形成机理和扩展机制。通过对广深铁路现场钢轨的测试分析可知，U75V钢轨具有较高的强度与硬度，但U75V钢轨裂纹扩展消耗能量小，它的裂纹扩展速率要大于U71Mn钢轨裂纹扩展速率，利用电液伺服疲劳试验机对钢轨特性进行疲劳试验研究，发现U75V钢轨的裂纹扩展速率更大；而U71Mn钢轨的断裂韧度较大，裂纹不容易扩展。另外通过滚动实验发现车速越高导致钢轨磨损越轻微，塑性流动减弱。但是车速越高，疲劳裂纹扩展越严重。硬度越小的材料，磨损表面的加工硬化程度越强，塑性变形层就越厚。随着材料硬度的增加，疲劳裂纹随之扩展加剧。因为高速钢轨损伤主要以疲劳为主，而U71Mn热轧钢轨有较好的抗疲劳性能，所以U71Mn更适合于高速铁路铺设使用。研究还讨论了轮轨滚动接触过程中疲劳和磨损的相互作用关系。研究最终将二者结合起来，建立磨损-疲劳耦合模型，用以描述钢轨的损伤行为和失效机理。