Page 57 - 《摩擦学学报》2020年第5期

612 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

1 500 结果说明，切向接触应力对钢轨疲劳裂纹的萌生位置
Normal contact stress
Tangential contact stress (frictionless)
1 200 Tangential contact stress (full sliding) 影响较大，而在实际铁路运营过程中，受线路条件的
Contact stress/MPa 900 疲劳裂纹多出现在钢轨表层位置.
Tangential contact stress (stick-slip)
影响，车轮无摩擦的状态极少出现，因此，现场观测的

当车轮处于无摩擦状态时，轮轨法向接触应力占
600
300 据主导地位，此时疲劳裂纹的萌生位置位于钢轨表层
以下16 mm处，这与文献[19]中“较大的轮轨法向力会
0 引起次表层滚动接触疲劳裂纹，且其形成位置一般在
−8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8
x/mm 轮轨表面以下4~25 mm处”的描述一致. 当切向接触应
Fig. 8 Distribution of wheel-rail contact stresses 力逐渐增大时，疲劳裂纹萌生位置逐渐由钢轨内部向
图 8 轮轨接触应力分布 表面转移，其类型则由次表层滚动接触疲劳裂纹转变
为表层滚动接触疲劳裂纹. 通过与既有文献的上述对
4.1 疲劳裂纹萌生位置分析
比，验证了本文疲劳裂纹萌生位置预测结果的正确性.
在反复车轮荷载作用下，当质点最大损伤指数超
4.2 裂纹的萌生寿命分析
过0.5后，会萌生出宏观裂纹，此时，车轮在三种滚滑
三种车轮滚滑状态下，荷载循环次数与质点最大
状态下，计算得到的钢轨质点损伤指数分布规律如图9
损伤指数之间的关系如图10所示.
所示. 由图10可见，车轮处于全滑动、黏着-滑动和无摩
由图9可见，当车轮处于全滑动状态时，钢轨疲劳 擦状态时，钢轨疲劳裂纹萌生寿命的预测结果分别为
裂纹的萌生位置在接触斑的后端，且位于钢轨表层； 0.45×10 次、1.73×10 次和2.05×10 次循环车轮荷载. 在
7
7
7
当车轮处于黏着-滑动状态时，裂纹的萌生位置同样 文献[20]中，对钢轨疲劳裂纹萌生寿命的预测结果是
在接触斑的后端，且位于钢轨表层；而当车轮处于无 0.13×10 次循环荷载，预测结果差异较大的主要原因
6
摩擦状态时，疲劳裂纹的萌生位置转移到钢轨表层以 是本文采用静态荷载进行计算，而文献[20]中采用了
下16 mm处. 结合三种轮轨接触状态的区别，以上分析 动态冲击荷载来计算，因此，本文中预测的疲劳裂纹

ψ max :(−0.009, 0.087) Wheel rolling direction ψ max :(−0.009, 0.087) Wheel rolling direction
ψ ψ
0.1 0.1
0.5 0.5
0.4 0.4
y/m 0.0 0.3 y/m 0.0 0.3
0.2
0.2
0.1 0.1
−0.1 0.0 −0.1 0.0
−0.3 −0.2 −0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 −0.3 −0.2 −0.1 0.0 0.1 0.2 0.3
x/m x/m
(a) Full sliding state of wheel, N f =0.45×10 7 (b) Stick-slip state of wheel, N f =1.73×10 7

ψ max :(−0.005, 0.071) Wheel rolling direction
ψ
0.1
0.5
0.4
y/m 0.0 0.3
0.2
0.1
−0.1 0.0
−0.3 −0.2 −0.1 0.0 0.1 0.2 0.3
x/m
(c) Frictionless state of wheel, N f =2.05×10 7

Fig. 9 Distribution of particle damage index when crack initiation
图 9 裂纹萌生时的质点损伤指数分布