摘要
钢轨作为轨道结构的核心组成部件，对列车起支撑、导向及实现牵引与制动的功能，其钢轨磨损与损伤行为对列车运行安全有着至关重要的作用。到目前为止，我国穿越风沙地区的铁路里程已累积超过15000 km。铁路作为一个露天开放的系统，处于风沙地区的铁路设施不可避免地会受到风沙的危害，直接影响列车运行安全。因此，风沙环境下钢轨滚动磨损与损伤行为研究成为风沙地区铁路列车运行亟需解决的难题，研究结果可为风沙环境下钢轨的安全可靠服役提供理论支撑和技术指导。 论文利用风沙冲蚀磨损试验机研究了钢轨材料的风沙冲蚀磨损与损伤行为，阐明了钢轨的风沙冲蚀磨损与损伤机制；利用风沙环境轮轨滚动磨损与接触疲劳试验机研究了风沙环境下钢轨材料的滚动磨损与损伤行为，揭示了风沙环境下钢轨的滚动磨损与损伤机制，阐明了风沙环境下沙粒与轮轨界面的相互作用机制；对比分析了不同硬度钢轨材料的抗冲蚀磨损、抗冲蚀损伤、抗滚动磨损及抗滚动接触疲劳性能。 论文研究的主要结论如下： (1) 钢轨冲蚀率随冲蚀角度的增加先上升后下降，最大冲蚀率出现在 30°至 45°之间；小角度(≤45°)冲蚀时，钢轨损伤的主要特征为片屑、剪切坑、裂纹及塑性流动，而大角度(≥75°)冲蚀时主要为片屑、挤压坑、裂纹；钢轨冲蚀率随沙粒速度的增加近似呈二次幂函数增长；钢轨冲蚀率随沙粒粒径增加呈下降趋势；戈壁沙冲蚀对钢轨产生的磨损与损伤均明显比沙漠沙冲蚀更为严重。 蠕滑率为 0.4%时，钢轨冲蚀对钢轨滚动磨损与损伤的影响主要集中在最初的10000次循环，而蠕滑率为1%时，钢轨冲蚀对钢轨滚动磨损与损伤的影响主要集中在最初的6000次循环。由于影响时间很短，因此钢轨冲蚀对钢轨滚动磨损与损伤的影响较弱。 (2) 在输沙率为0~0.1 mg/cm2/s范围内，随着输沙率的增加，钢轨磨损率急剧下降，当输沙率≥0.1 mg/cm2/s 时，戈壁风沙环境下钢轨磨损率轻微增加，而沙漠风沙环境下钢轨磨损率先减小后增加，最后轻微减小。随着蠕滑率的增加，三种环境(戈壁风沙环境、沙漠风沙环境、普通环境(无风无沙))下钢轨磨损率总体呈增长趋势，其钢轨磨损率大小关系为：普通环境＞沙漠风沙环境＞戈壁风沙环境。随着输沙率的增加，钢轨损伤逐渐从疲劳起皮向点状氧化和犁沟转变。随着蠕滑率的增加，三种环境下钢轨损伤逐渐从疲劳起皮向疲劳剥落转变。 随着钢轨硬度的增加，戈壁和沙漠风沙环境下钢轨磨损率总体保持相对稳定，但普通环境下钢轨磨损率呈显著下降的趋势。随着钢轨硬度的增加，戈壁和沙漠风沙环境下钢轨损伤无明显变化，其主要特征为点状氧化和犁沟，但普通环境下钢轨损伤逐渐减轻，从疲劳剥落逐渐向疲劳起皮转变。 (3) 风沙环境下当沙粒进入轮轨界面时，沙粒在轮轨摩擦力的作用下发生滚动和向前运动，并逐级破碎，直至形成沙片，并在轮轨表面形成一系列沿滚动方向均匀排列的挤压坑。沙片是由微米和亚微米级细小颗粒团聚在一起形成的，沙片厚度随着沙粒粒径的增加而逐渐增加，且沙片的厚度约为原沙粒粒径的 1/20；沙片厚度随着蠕滑率的增加先保持稳定再逐渐减小；沙片厚度随钢轨硬度增加无明显变化。 (4) 小角度(≤45°)冲蚀时，钢轨表面受到沙粒反复的剪切和挤压作用，其珠光体组织沿着冲蚀方向不断伸长并产生弯曲，且珠光体片层间距逐渐缩小，然后形成片屑；而在大角度(≥75°)冲蚀时，钢轨表面主要受到沙粒反复的法向冲击而形成挤压坑，同时挤压坑底部的片状珠光体逐渐被压缩成弹簧状并产生低周疲劳裂纹，然后逐渐形成片屑；尽管小角度冲蚀和大角度冲蚀时钢轨材料的微观组织演变及片屑的形成机制有所不同，但是钢轨材料风沙冲蚀磨损的主要机制均为“成片机制”。 风沙环境下沙粒的存在降低了轮轨实际接触区域的接触应力，并且产生塑性变形的轮轨材料具有更高的屈服强度，容易形成摩擦氧化并在车轮表面形成氧化层，随后氧化层受到反复的剪切和挤压作用，以致延性耗尽而形成氧化层疲劳剥层，疲劳的氧化层会在沙粒的高接触应力下发生断裂并产生碎片，碎片很快被风吹走，与上述过程同时发生的还有轮轨表面在摩擦作用下萌生裂纹，随后裂纹不断扩展，裂纹附近的部分材料也会发生疲劳断裂而形成碎片，碎片也很快会被风吹走。最后，在车轮表面又将生成新的氧化层，轮轨表面的裂纹也会继续扩展，以上整个材料去除过程将重复进行。 从动态风沙环境因素对钢轨材料磨损和损伤行为影响角度出发，高硬度的热处理钢轨具有较好的抗冲蚀磨损性能、抗冲蚀损伤性能及抗滚动接触疲劳性能。
NETL