Page 102 - 摩擦学学报2025年第9期
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1356 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷
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表面异物硌伤 [5-6] 、车轮多边形 和钢轨波磨 [8-9] 等因素 后根据单位长度钢轨上鱼鳞斜裂纹的长度和鱼鳞掉
通常会促进轮轨滚动接触表面疲劳裂纹的形成. 轮轨 块的面积总和计算得到钢轨滚动接触疲劳损伤发展
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次表层疲劳裂纹损伤通常是由于法向接触载荷过大 程度量化指数R ，通过R值的高低来评判疲劳损伤的
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造成的 ，疲劳裂纹主要在材料次表层缺陷和不均匀 发展程度. 而对于实验室模拟轮轨滚动接触疲劳损伤
组织处萌生，如杂质或空隙等. 车轮和钢轨的滚动接 行为，针对不同接触条件下轮轨材料的滚动接触疲劳
触疲劳损伤行为 [11-12] 以及车轮和钢轨损伤的检查和维 损伤发展的评判，通常是统计轮轨试样上疲劳裂纹的
护的相关成本 [13-14] 是铁路基础设施管理者最关心的问 长度、深度和扩展角度 [19-20] ，然后分别对比这3个独立
题. 为了确保铁路车辆安全运行，需要对车轮和钢轨 的量化评价指标来评判滚动接触疲劳损伤程度，然而
的滚动接触疲劳损伤进行量化评估，进一步判断不同 这3个独立的量化评价指标的结果之间往往存在矛
滚动接触疲劳损伤的损伤量是否超出安全标准，然后 盾，对滚动接触疲劳损伤的评判存在疑问. 进一步采
制定不同滚动接触疲劳损伤的解决方案. 用裂纹扩展面积S (疲劳裂纹在接触表面的扩展长度
关于轮轨滚动接触疲劳裂纹的宏观形态，在车轮 均值 c与裂纹向材料次表层扩展的长度均值 d的乘
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踏面上的滚动接触疲劳裂纹呈现区域聚集分布 ，且 积)来量化表征滚动接触疲劳损伤的发展 [21-22] . 此外，
车轮表面滚动接触疲劳裂纹形态通常呈现“V”型，其 当重点考虑疲劳裂纹向材料深度方向的扩展行为，提
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顶角与滚动方向相反且指向车轮外侧面 . 此外，在 出以疲劳裂纹的长度与深度的乘积 或者以裂纹的
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钢轨表面上的滚动接触疲劳裂纹通常表现为轨距角 长度、深度和裂纹密度三者的乘积 来进行滚动接触
处鱼鳞斜裂纹和轨顶上的“V”型疲劳裂纹损伤等. 对 疲劳损伤的量化评价. 然而，以上所建立的不同的滚
于轮轨滚动接触表面所呈现的“V”型疲劳裂纹的宽度 [17] 动接触疲劳损伤量化评价方法只表示了裂纹尺寸的
被定义为 a = a 1 +a 2 ，如图1所示. 不同评价指标或者不同评价指标的数学组合，但这些
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组合并无实际的物理意义，并且这些量化评价方法的
构建与实际的轮轨滚动接触疲劳损伤状态不相符，对
Contact surface 滚动接触疲劳损伤的评价不够全面.
因此，本研究中一方面根据不同轮轨材料的微观
组织晶粒尺寸，提出了轮轨滚动接触疲劳损伤进行客
a 1
a 2
观评价的裂纹最小尺寸界限的确定方法. 另一方面，
参考轮轨滚动接触疲劳所形成剥落坑的体积概念，基
Arrow-head crack
于疲劳裂纹损伤的楔形体积/截面积而建立了轮轨滚
动接触疲劳裂纹的损伤量的量化评价方法. 然后，根
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Fig. 1 The definition of the width of a surface fatigue crack 据以工程应用为导向的安定图中棘轮效应发生的参
图 1 表面疲劳裂纹宽度的定义 [17] 数条件，开展不同接触条件下的轮轨滚动接触疲劳模
拟试验，对不同接触参数条件下钢轨材料上的滚动接
然而，对于轮轨滚动接触疲劳裂纹损伤的研究，
触疲劳裂纹进行统计分析，再通过新建立的量化评价
可以发现在裂纹损伤量化评价过程中均未明确指出
方法对不同接触条件下形成的疲劳裂纹的损伤量进
轮轨滚动接触疲劳损伤进行客观评价的裂纹最小尺
行量化评价和对比分析. 最后，以轮轨滚动接触疲劳
寸界限. 因此，针对重点关注的轮轨滚动接触疲劳裂
纹损伤量的量化评价，首先需要确定客观评价轮轨滚 裂纹损伤为特例，根据轮轨滚动接触疲劳裂纹损伤特
动接触疲劳损伤的裂纹最小长度，也是轮轨滚动接触 性所建立的滚动接触疲劳裂纹损伤的量化评价方法，
疲劳损伤量化评价的前提. 依据客观评价滚动接触疲 进一步推广应用到不同滚动体的滚动接触疲劳裂纹
劳损伤的裂纹最小长度标准，进一步通过具体的量化 损伤的量化评价.
评价方法对不同条件下的轮轨滚动接触疲劳裂纹的
1 量化评价方法
损伤量进行量化评判.
对于轮轨滚动接触疲劳损伤的量化评价，目前的 关于滚动接触疲劳损伤的量化评价，首先要确定
方法包括如选取1段现场服役损伤的钢轨，在相同的 客观评价轮轨滚动接触疲劳损伤的目标裂纹，然后通
损伤区间内，统计鱼鳞斜裂纹和鱼鳞掉块的数量，然 过量化评价方法对滚动接触疲劳裂纹的损伤量进行
