Page 105 - 摩擦学学报2025年第9期

第 9 期 谢瑜龙, 等: 基于裂纹损伤楔形体积/截面积的滚动接触疲劳损伤量化评价方法研究 1359

(a) (b)
H α L L 1
α 0

L
H

20 μm 100 μm
L 2
Fig. 5 Measurement and illustration of the cross-sectional area of different wedge-shaped crack damage in the depth direction:
(a) triangle; (b) C-shaped
图 5 楔形裂纹损伤在深度方向上不同形态截面积的尺寸测量和表示方法：(a) 三角形；(b) C型

L 分别为C型裂纹表面和深度方向的宽度.
2
l 1
图6所示为实验室轮轨滚动接触疲劳模拟试验所
形成的表面疲劳裂纹形态，根据表面裂纹宽度的表征
方法(图1)测量计算裂纹的表面宽度，则单条裂纹表面 l 2
宽度的具体计算方法为
l 1
l surface =(l 1 +l 2 )/2 (4)

式中： l 和l 分别为表面裂纹V型开口两边的长度. l 2 100 μm
1
2
此外，由于楔形裂纹损伤深度方向截面积表征位
置选择的随机性，所测量裂纹表面宽度与裂纹深度方 Fig. 6 The method for measuring the surface crack width of
向截面积的对应性无法确定，因此楔形裂纹损伤的三 the materials in the rolling-sliding tests
图 6 轮轨滚动接触疲劳模拟试验材料损伤表面裂纹宽度
维体积计算中裂纹表面宽度值选取表面裂纹平均宽
尺寸测量方法
度 l surface ，同时裂纹深度方向截面积值选取裂纹截面积
S的平均值. 并且在量化评判滚动接触疲劳裂纹损伤 2 滚动接触疲劳裂纹损伤的量化评价
量时，裂纹密度(即单位长度材料上所形成的裂纹数 2.1 滚动接触疲劳模拟试验方法
量)也是重要的影响因素，同时进一步降低裂纹表面 通过滚动磨损与接触疲劳试验机开展模拟试验，
宽度与截面积对应性较低的影响，将裂纹密度体现在 采用小比例双盘对滚形式 ，其中，钢轨和车轮试样
[32]
滚动接触疲劳损伤的量化评价方法中. 综上，基于楔 分别安装在试验机的上、下旋转轴上，分别由独立的
形裂纹损伤材料三维体积的计算方法，轮轨滚动接触 伺服电机驱动旋转. 轮轨试样间的法向载荷通过上试
疲劳裂纹损伤量的具体计算方法为 样轴所连接力矩转换臂下方的液压加载实现，在设定

∑ ∑ 的恒定法向载荷条件下，通过调整轮轨试样的不同转
S n S
[33]
V damage = n × ×l surface = n ×l surface (5) 速实现转速差以控制轮轨试样之间的蠕滑率 . 调整
n L sample L sample
不同的蠕滑率可以在轮轨试样间产生不同的切向力，
式中：V damage 为滚动接触疲劳裂纹损伤的损伤量； 切向力通过摩擦转矩所体现，其中摩擦转矩由下试样
∑
S 为深度方向n条裂纹的截面积总和；L 为存 所在主轴上连接的扭矩传感器实时记录，并通过测控
n sample
在n条裂纹的试样长度，本研究中L 为10 mm； 系统采集数据并计算获得实时的黏着系数. 此外，本
sample
l surface 为表面裂纹平均宽度. 此评价方法的物理意义为 试验中根据轮轨安定图中棘轮效应发生的轮轨接触
轮轨滚动接触疲劳裂纹损伤材料的体积值，通过体积 参数(即最大接触应力P 和黏着系数μ)模拟钢轨轨顶
0
值或者仅用裂纹损伤材料的截面积值来评判不同的 和车轮踏面在线接触状态下的滚动接触疲劳损伤.
滚动接触疲劳裂纹损伤量的发展. 模拟试验中轮轨试样材料分别为U75V钢轨和