Page 106 - 摩擦学学报2025年第9期

1360 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

AAR-B车轮，其化学成分和机械性能列于表2中. 车轮 所需的法向接触载荷；最后，在滚动试验过程中施加
和钢轨试样均为直径60 mm、厚度10 mm的圆环试样， 确定的法向载荷，同时调整蠕滑率达到需要的黏着系
接触方式为宽度5 mm的线接触. 此外，根据经典线接 数(μ). 此外，此过程同样在水态条件下完成设定接触
触安定图中棘轮效应产生的参数条件，选定滚动接触 参数的滚滑试验，具体试验设计参数和滚滑试验的实
疲劳模拟试验参数. 首先，通过钢轨材料屈服强度值 际接触参数列于表3中，实际接触参数对应安定图中
√ [34]
得到材料的剪切屈服强度k =σ / 3 ；其次，将黏着 的坐标点如图7所示. 不同接触参数条件下完成滚滑
e
y
系数μ和载荷因子P /k 作为安定图坐标系的x轴和 试验后，在钢轨圆盘试样外圆周随机三等分位置切割
e
0
y轴，在安定图中棘轮区不同位置选取坐标点，即(μ, 长度为10 mm的3个分析样品，在经过打磨、抛光和腐
P /k )；然后，根据纵坐标值和k 值计算得到最大接触 蚀等标准金相处理，再利用OM和SEM方法分别对损
0
e
e
应力(P )，并由赫兹接触公式计算得到对应模拟试验 伤区的截面和表面处的疲劳裂纹进行统计分析.
0

表 2 轮轨材料化学成分和机械性能
Table 2 Chemical compositions and mechanical properties of wheel and rail steels
Mass fraction/%
Component Grade Hardness/HV0.5 Tensile yield strength, σ y /MPa
C Si Mn P S
Rail U75V 0.71~0.80 0.50~0.80 0.70~1.05 ≤0.030 ≤0.030 322 ± 3 648
Wheel AAR-B 0.57~0.67 0.15~1.00 0.60~0.90 ≤0.030 0.005~0.040 338 ± 5 731

表 3 滚动接触疲劳模拟试验的参数设计和实际接触参数
Table 3 Details of the designed test parameters and the actual contact parameters of rolling-sliding tests
No Designed coordinate plots Designed μ and P 0 /MPa Actual μ Actual P 0 /MPa Creepage/% Conditions Cycles
4
1 (μ= 0.4, P 0 /k e = 4.0) 0.4, 1 496.5 0.38±0.02 1 495.5±12.5 1.1 Dry 3×10
4
2 (μ= 0.5, P 0 /k e = 3.0) 0.5, 1 122.4 0.49±0.03 1 120.5±23.5 2.1 Dry 3×10
3 (μ= 0.2, P 0 /k e = 2.4) 0.2, 900 0.23±0.02 876.7±13.7 1.9 Water 3×10 4

对比评价结果，将每个评价指标的统计结果进行平均
5 Shakedown limit for El.Perfect-plastic
Shakedown limit for Kin.Hardening 处理得到对应指标的平均值，单个评价指标的平均值数
4
据列于表4中. 干态环境下，在坐标点(μ=0.49, P /k =3.0)
0
e
P 0 /k e 3 对应的接触参数条件下形成的裂纹平均长度为85.2 μm，
相比在坐标点(μ=0.38, P /k =4.0)对应的接触参数条件
e
2 0
下形成的裂纹平均长度142.5 μm更短. 就裂纹扩展深
1 度而言，干态环境下2种不同接触参数条件下形成的
疲劳裂纹深度无明显差异. 然而，干态环境下，在坐标
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
μ 点(μ= 0.49, P /k =3.0)对应的接触参数条件下所形成
e
0
的裂纹扩展末端角度为12.8°，相比在坐标点(μ=0.38,
Fig. 7 The coordinate plots corresponding to the actual
contact parameters of wheel-rail rolling-sliding tests in the P /k =4.0)对应的接触参数条件下所形成的裂纹扩展
e
0
shakedown map in line contact with partial slip 末端角度8.1°更大. 此外，水态条件下滚动接触疲劳裂
图 7 轮轨滚动接触疲劳模拟试验的实际接触参数对应的 纹的长度、深度和末端扩展角度明显更大，这是由于
线接触局部滑动安定图中的坐标点
作为第三介质的水在滚滑接触过程中引起了“油楔效
[35]
2.2 疲劳裂纹统计与损伤量化评价 应” ，加重了滚动接触疲劳裂纹的损伤量. 因此，根
图8所示为干态和水态条件下疲劳损伤钢轨试样 据裂纹单个评价指标的评判结果，无法对不同接触条
的剖面和表面裂纹形貌的SEM照片. 图9所示为不同 件下的疲劳裂纹损伤量进行全面准确的评价.
接触条件下疲劳损伤钢轨试样的3个分析样品上存在 进一步根据本文中所建立的基于裂纹损伤楔形
的每条裂纹长度、深度和扩展末端角度的统计结果. 体积的疲劳裂纹损伤量的量化评价方法，对不同接触
根据疲劳裂纹单个评价指标的统计数据，为了更直观 条件下的滚动接触疲劳模拟试验结果进行分析评判.