Page 58 - 《摩擦学学报》2020年第5期

第 5 期 马晓川, 等: 近场动力学框架下钢轨疲劳裂纹萌生预测的数值方法研究
0.6
ψ=0.5 N 1 =0.45×10 7
Maximum damage index of the particle 0.4 N 2 =1.73×10 7 7 文的后续研究方向之一.
0.2
3. Frictionless
0.0
0.0 0.5 1.0
Number of load cycles/10 7
Fig. 10 Relationship between the number of load cycles and
the maximum damage index of the particle
图 10 荷载循环次数与质点最大损伤指数的关系
萌生寿命更大，从这种观点来看，本文中对疲劳裂纹
萌生寿命的预测结果也是较为合理的. 此外，结合三
种轮轨接触状态的区别可见，轮轨切向接触应力对钢
轨疲劳裂纹的萌生寿命影响非常大，较大的轮轨切向
接触应力会显著降低钢轨的疲劳裂纹萌生寿命.
5 结论
基于近场动力学理论，提出了循环车轮荷载作用
下的钢轨疲劳裂纹萌生预测方法，并编译了相应的计
算机程序，分析了车轮滚滑状态对疲劳裂纹萌生寿命
及位置的影响规律，得到如下结论：
a. 在钢轨未出现疲劳裂纹前，近场动力学模型与
经典连续介质力学模型得到的质点位移结果十分吻
合，计算误差在8%以内，加上预测结果与既有文献的
结果较为吻合，证明了本文中所建立模型的正确性和
适用性.
b. 车轮由全滑动向无摩擦状态转变的过程中，疲
劳裂纹的萌生位置由钢轨表层向钢轨内部转移，无摩
擦状态下，裂纹萌生位置在钢轨表层以下16 mm处.
c. 车轮由全滑动向无摩擦状态转变的过程中，使
钢轨发生裂纹萌生所需的荷载循环次数由0.45×10 次
7
增加到2.05×10 次，较大的切向接触应力会显著降低
钢轨疲劳裂纹的萌生寿命.
本研究主要针对钢轨无缺陷条件，而实际上，钢
轨在制造过程中不可避免地存在空洞、白点等缺陷，
分析这些缺陷对钢轨疲劳裂纹萌生的影响，是本文的
后续研究方向之一；此外，作者分别研究了车轮全滑
动、黏着-滑动和无摩擦状态对钢轨疲劳裂纹萌生的
影响，然而在实际的服役过程中，钢轨承受的是上述
三种状态的交替作用，为考虑这种影响，可分析典型
613
轨道不平顺作用下的车辆-轨道动态相互作用，对不
同轮轨滚滑状态进行统计与加权，从而构建考虑实际
轮轨滚滑状态的钢轨疲劳裂纹萌生预测模型，也是本
N 3 =2.05×10
参 考 文 献
1. Full silding
2. Stick-sliding
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