Page 29 - 《摩擦学学报》2021年第6期

814 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

随着高速与重载铁路的快速发展，对轮轨系统服 介质下钢轨表面存在缺陷时疲劳裂纹的扩展情况，指
役性能的要求也逐步提高 [1-3] . 钢轨打磨是钢轨现场维 出横向的犁沟缺陷会促使表面出现网络状裂纹. 此
护的重要手段之一，主要分为预打磨、修复性打磨和 外，多种因素均会对钢轨的滚动接触疲劳损伤产生影
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[16]
预防性打磨等 [4-6] . 预打磨是对新铺设的钢轨在其运营 响 ，师陆冰等 研究发现第三介质(如砂粒)会加剧
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之前进行打磨，去除表面脱碳层和微小的缺陷，同时 钢轨疲劳损伤，赵相吉等 研究发现钢轨表面的硌伤
可以调整钢轨廓形，优化轮轨接触状态. 修复性打磨 坑与会加速疲劳裂纹的发展，此外，环境温度对钢轨
是对服役一段时间或出现损伤后的钢轨进行打磨，以 疲劳性能也具有明显影响 [18-19] . 钢轨的疲劳损伤对其
去除轨面疲劳损伤或修复钢轨廓形. 修复性打磨的打 服役安全性产生不利影响，然而，对于水介质下打磨磨
磨量较大，但仍不能完全去除较深的疲劳裂纹，在这 痕粗糙度及交叉磨痕对钢轨滚动接触疲劳损伤行为
种情况下预防性打磨应运而生. 预防性打磨通过制定 的影响研究尚未系统开展. 本文作者利用MMS-2A摩
好打磨周期，在钢轨损伤出现前或刚刚出现时就进行 擦磨损试验机研究了水介质下不同打磨磨痕粗糙度与
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打磨作业，以抑制损伤的形成和扩展 . 现场与实验室 交叉磨痕钢轨的滚动接触疲劳损伤行为，揭示磨痕粗
研究发现，钢轨打磨后会在钢轨表面形成明显的磨削 糙度和交叉磨痕对钢轨滚动接触疲劳损伤的影响规律.

沟痕 [8-9] ，在雨天等水态工况下，钢轨打磨磨痕会使得
1 试验材料及方法
轮轨接触面间的压力分布不均匀，可能会加速钢轨的
疲劳损伤，降低钢轨的服役可靠性和寿命 [10-11] . 1.1 试样制备
[12]
周坤等 通过打磨试验研究发现，打磨后钢轨粗 轮轨试样均为轮形试样，分别取自CL60车轮踏面
糙度可达1~15 μm. 现场打磨中要求打磨后钢轨粗糙 和U71Mn钢轨轨头处，取样位置及尺寸如图1所示，轮
[13]
度小于10 μm. Chen等 研究了干态下打磨磨痕粗糙 轨试样直径均为40 mm，车轮试样厚度为5 mm，钢轨
度对钢轨疲劳损伤的影响，结果表明干态下磨痕粗糙 试样厚度为10 mm. 轮轨材料的化学成分及力学性能
[14]
度对钢轨服役损伤的影响很小. Gao等 研究了水油 列于表1中.

Wheel tread Rail roller
Φ40 mm

Rail head
Wheel roller
Φ40 mm 5 mm

Fig. 1 Sampling position and scheme of wheel and rail rollers
图 1 轮轨试样取样位置及尺寸

表 1 轮轨材料化学成分与力学性能
Table 1 Chemical compositions and mechanical properties of wheel/rail materials
Weight fraction/% Mechanical properties
Materials
C Si Mn P S Fe σ b /MPa Hardness/HV 0.5
Wheel 0.57～0.65 0.17～0.37 0.50～0.80 ≤0.035 ≤0.035 Bal. ≥800 284
Rail 0.65～0.75 0.1～0.5 0.8～1.3 ≤0.025 ≤0.025 Bal. ≥880 291

为了模拟钢轨打磨磨痕，利用棕刚玉砂纸在钢轨 据现场打磨要求，打磨后钢轨粗糙度应不大于10 μm，
试样表面选择等距的3个区域进行打磨处理，打磨区 因此，本文中制备了粗糙度等级为1、4和7 μm的打磨
域中间为未打磨的光滑区域(粗糙度约为0.35 μm). 根 磨痕. 根据前期研究结果发现，打磨磨痕方向与轮轨