趙相吉 師陸冰 王文健 郭 俊 劉啟躍

西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都，610031

0 引言

發(fā)展高速以及重載鐵路運(yùn)輸線路能有效提高我國鐵路運(yùn)輸能力及運(yùn)輸效率[1]。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者將輪軌材料的滾動(dòng)接觸疲勞視為重要的研究對(duì)象[2-3]。如今高速、重載線路的發(fā)展給輪軌滾動(dòng)接觸疲勞的研究帶來了新的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[4]研究表明，軸重的增加會(huì)加劇輪軌的表面損傷并加速其滾動(dòng)接觸疲勞。EKBERG等[5]指出，輪軌表層的滾動(dòng)接觸疲勞裂紋萌生可能與車輪空轉(zhuǎn)引起的擦傷或外物所造成的壓痕有關(guān)。鐵路線路通常暴露在自然環(huán)境中，一旦道砟或貨運(yùn)列車車廂內(nèi)硬質(zhì)顆粒介入輪軌磨損界面就可能會(huì)使得輪軌接觸面出現(xiàn)壓痕(即硌傷)。這些偶然出現(xiàn)的硌傷改變了輪軌材料本身的應(yīng)力分布以及輪軌的接觸狀態(tài)，從而影響到輪軌材料的后續(xù)服役性能。在對(duì)我國高速車輪踏面現(xiàn)場檢修時(shí)曾發(fā)現(xiàn)“月牙形”疲勞裂紋，該裂紋擴(kuò)展深度達(dá)到了4.15 mm[6]。GAO等[7]通過對(duì)油態(tài)工況下車輪滾動(dòng)接觸疲勞裂紋的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在硌傷坑的單側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重的剝落。隨后，GAO等[8-9]又利用洛氏硬度儀和維氏硬度儀在車輪試樣表面制得不同形貌的硌傷坑，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在油態(tài)工況下，只有球形和菱形硌傷坑會(huì)在后續(xù)服役階段繼續(xù)存在并縮短車輪的服役壽命。SEO等[10]利用布氏硬度儀在車輪試樣表面制得不同大小的球形硌傷坑，通過滾動(dòng)接觸疲勞測(cè)試發(fā)現(xiàn)，硌傷坑中部的材料抗疲勞性能最差。STEFANO等[11]沿車輪踏面的軸向方向預(yù)制了大小相同的球形硌傷坑，通過全尺寸試驗(yàn)?zāi)M指出，在車輪旋修周期內(nèi)硌傷坑不會(huì)對(duì)車輪的表層及次表層疲勞裂紋的擴(kuò)展產(chǎn)生影響。

針對(duì)輪軌硌傷坑的研究，國外學(xué)者通常使用靜壓的方式(硬度儀施壓)預(yù)制硌傷，有異于實(shí)際的瞬態(tài)沖擊工況。同時(shí)他們的研究側(cè)重于表征硌傷坑附近裂紋及損傷形式的變化，對(duì)硌傷裂紋的萌生原因及輪軌材料在硌傷后應(yīng)力狀態(tài)變化尚未涉及。本文首先利用不同的沖擊錘頭(球形滾珠和道砟)在車輪試樣表面制得形貌不同的硌傷坑，然后利用輪軌摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)比分析不同形貌的硌傷附近材料應(yīng)力分布，及其對(duì)裂紋萌生條件及擴(kuò)展行為的影響，為評(píng)估硌傷車輪的傷損情況和旋修周期提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

圖1是MMS-2A 型微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)工作原理圖。上下試樣分別安裝在從主動(dòng)軸上，上下試樣通過彈簧壓緊接觸并通過螺栓加載。直流電機(jī)1通過皮帶2帶動(dòng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過傳動(dòng)齒輪4、8將動(dòng)力傳送到從動(dòng)軸上，通過改變傳動(dòng)齒輪對(duì)的傳動(dòng)比，使得上下試樣獲得不同的轉(zhuǎn)速以模擬輪軌接觸界面的不同蠕化率。通過固結(jié)在主動(dòng)軸擺臂上的力矩傳感器3測(cè)定輪軌接觸界面產(chǎn)生的摩擦力矩。力傳感器11用于測(cè)定螺栓所加載的法向力大小，轉(zhuǎn)數(shù)傳感器5用于測(cè)定主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速。傳感器收集的信號(hào)通過控制器9反饋到計(jì)算機(jī)10，并由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算。

1.直流電機(jī) 2.皮帶 3.力矩傳感器 4.主動(dòng)軸齒輪對(duì) 5.轉(zhuǎn)數(shù)傳感器 6.下試樣 7.上試樣 8.從動(dòng)軸齒輪對(duì) 9.控制器 10.計(jì)算機(jī) 11.力傳感器圖1 MMS-2A型微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)工作原理Fig.1 Working principle diagram of MMS-2A microcomputer controlled friction and wear testing machine

試驗(yàn)采用的輪軌試樣分別取自車輪踏面(材料為ER9)和鋼軌軌頭(材料為淬火PD3)，取樣位置如圖2a所示，輪軌試樣尺寸如圖2b所示。為了保證輪軌的穩(wěn)定接觸，試樣采用線接觸形式。下試樣為車輪試樣，上試樣為鋼軌試樣。車輪、鋼軌試樣踏面表面粗糙度均為0.8 μm，車輪直徑為40 mm，輪軌材料的化學(xué)成分如表1所示。

(a)采樣位置

(b)輪軌試樣尺寸圖2 采樣位置及輪軌試樣尺寸Fig.2 Sampling position and wheel and rail sample size

表1 輪軌試樣主要成分

試驗(yàn)采用赫茲接觸模擬準(zhǔn)則，接觸應(yīng)力為504 MPa。首先根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟(international union of railways)關(guān)于球形壓痕所制定的標(biāo)準(zhǔn)(UIC standard 712[12])以及文獻(xiàn)[10,13]提及的小尺寸球形壓痕，通過重力擺錘在車輪試樣的周向上均勻地沖擊出4個(gè)直徑約為1.6 mm的球形硌傷坑，擺錘錘頭為直徑3 mm的GCr15軸承鋼滾珠，擺錘質(zhì)量為5 kg，沖擊能約為28.9 kJ;然后保持沖擊能不變，將錘頭換為普通道砟(TBT2140—2008)，以同種方式在車輪試樣的周向上均勻地沖擊出4個(gè)硌傷坑。硌傷坑表面形貌以及剖面輪廓分別如圖3、圖4所示。

(a)球形硌傷坑

圖4 硌傷坑剖面輪廓圖Fig.4 Scheme of defect profiles

沖擊試驗(yàn)參數(shù)如下：車輪試樣轉(zhuǎn)速為200 r/min，輪軌蠕滑率為0.91%。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，試驗(yàn)采用先干態(tài)后水態(tài)的方式以便觀測(cè)裂紋的擴(kuò)展，即試驗(yàn)中每組試樣在水態(tài)下進(jìn)行24 000次循環(huán)之前均預(yù)先在干態(tài)下循環(huán)5 000次，水態(tài)工況下水流量約為3 mL/min。在光學(xué)顯微鏡下初步觀測(cè)試驗(yàn)后車輪試樣沿滾動(dòng)方向縱剖面的裂紋擴(kuò)展情況，并統(tǒng)計(jì)剖面裂紋的角度和長度；然后使用電子掃描顯微鏡(SEM)觀察疲勞裂紋及其附近微觀組織的變化情況；利用ABAQUS針對(duì)不同形貌的錘頭對(duì)車輪材料進(jìn)行仿真沖擊分析，得出硌傷坑附近的殘余應(yīng)力分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 殘余應(yīng)力分析

滾珠錘頭模型為直徑3 mm的實(shí)心球體，道砟錘頭模型為邊長為3 mm的正四面體，為了簡化接觸模型，將兩種沖擊錘頭視為剛體，并賦予等效密度和5 kg慣性質(zhì)量屬性。車輪材料視為塑性材料，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。

圖5 車輪材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Strain-stress curve of wheel rollers

(a)球形硌傷車輪試樣

(b)道砟形硌傷車輪試樣圖6 硌傷車輪殘余應(yīng)力分布圖Fig.6 Residual stress distribution of defected wheels

圖6所示為軸承鋼滾珠和道砟沖擊后，沿車輪踏面法向最大殘余拉應(yīng)力所在截面的應(yīng)力分布情況?？梢钥闯?，不論何種形貌的硌傷都會(huì)使得硌傷坑底部材料產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，在球形硌傷坑周圍產(chǎn)生應(yīng)力值較小、呈大片環(huán)形分布的殘余拉應(yīng)力區(qū)域，而在道砟硌傷坑附近次表層材料中，產(chǎn)生應(yīng)力值較大、分布范圍窄的殘余拉應(yīng)力區(qū)域。殘余拉壓區(qū)域之間存在一定距離的過渡區(qū)，過渡區(qū)材料幾乎不存在殘余拉壓應(yīng)力。由于球形硌傷坑邊緣材料過渡平滑，材料受沖擊后應(yīng)力分布均勻，故產(chǎn)生大片環(huán)形分布的較小拉應(yīng)力，其最大值約為174.8 MPa；由于道砟邊緣尖銳，在沖擊車輪試樣時(shí)易發(fā)生應(yīng)力集中，故其拉應(yīng)力分布范圍較小，但最大值可達(dá)410.0 MPa。

2.2 損傷分析

圖7分別為試驗(yàn)后未硌傷、球形硌傷和道砟形硌傷三種車輪試樣的剖面損傷情況。表2中統(tǒng)計(jì)了三組車輪試樣硌傷坑附近裂紋的平均長度、平均角度以及統(tǒng)計(jì)誤差?？梢钥闯?，不論何種形貌的硌傷，由于殘余拉應(yīng)力的出現(xiàn)，增大了循環(huán)載荷的平均應(yīng)力值[15]，從而使得硌傷坑附近材料的抗疲勞性能下降，促進(jìn)裂紋擴(kuò)展。在未硌傷的車輪試樣上(圖7a)，裂紋主要以表層裂紋為主，其擴(kuò)展角度均不超過10°，很難往材料深處擴(kuò)展，容易隨著表層材料的磨損而被去除。在球形硌傷坑和道砟形硌傷坑附近均出現(xiàn)了次表層裂紋以及萌生于次表層、逐漸擴(kuò)展到試樣表層的裂紋。其中，由于球形硌傷坑附近材料的殘余拉應(yīng)力分布較廣，裂紋更易在其中擴(kuò)展，其長度和角度均大于道砟形硌傷坑附近的裂紋長度和角度，尤其在球形硌傷坑邊緣出現(xiàn)了45°擴(kuò)展角的次表層裂紋。曹世豪等[16]指出，在45°的擴(kuò)展角度下，由于裂紋的尖端等效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值(ΔKeff)較大，所以裂紋能夠迅速往材料內(nèi)部擴(kuò)展并嚴(yán)重影響材料的服役性能(圖7b)。由于道砟的邊緣鋒利，其在試樣上產(chǎn)生的硌傷坑，底部和邊緣并不平整，從而在硌傷邊緣處產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋也容易在此處萌生(圖7c)。

(a)未硌傷車輪試樣

(b)球形硌傷車輪試樣

(c)道砟形硌傷車輪試樣圖7 試驗(yàn)后車輪剖面損傷Fig.7 Section damage of wheels after testing

裂紋角度平均值(°)/統(tǒng)計(jì)誤差裂紋長度平均值(μm) /統(tǒng)計(jì)誤差未硌傷8.33/1.41155.95/24.16球形硌傷24.42/11.08222.26/68.85道砟形硌傷13.96/2.91175.01/42.48

(a)未硌傷車輪試樣

(b)球形硌傷車輪試樣

(c)道砟形硌傷車輪試樣圖8 車輪試樣剖面損傷SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM photographs of wheel specimen profile damage

圖8顯示了裂紋在車輪材料微觀組織中的擴(kuò)展形式。由圖8a可以看出，未硌傷的車輪上的裂紋以表層裂紋為主，裂紋主要沿著鐵素體擴(kuò)展，且裂紋的寬度不大。反觀硌傷車輪的剖面，一方面由于水態(tài)下摩擦因數(shù)較小，試樣所受的最大切向力位于次表層區(qū)域[17]；另一方面，硌傷坑附近次表層區(qū)域存在大面積連續(xù)分布的殘余拉應(yīng)力，因此在交變垂向載荷作用下，車輪材料由于棘輪效應(yīng)產(chǎn)生塑性累積，微裂紋容易萌生于最大剪切應(yīng)力所在位置(即次表層處)。硌傷坑附近次表層連續(xù)分布的殘余拉應(yīng)力促進(jìn)裂紋在鐵素體中擴(kuò)展，在剪切應(yīng)力作用下，裂紋在擴(kuò)展過程中上下裂紋面的摩擦使得鐵素體壓碎，從而形成較寬的裂紋面或孔洞(圖8b、圖8c)。當(dāng)次表層裂紋逐漸擴(kuò)展到表面后，外界的水介質(zhì)進(jìn)入裂紋面。當(dāng)表層裂紋開口迎向接觸界面滾動(dòng)方向時(shí)，水介質(zhì)被封閉在裂紋面或孔洞處，同時(shí)在垂向壓力的作用下，在裂紋內(nèi)部會(huì)形成較大的水壓從而再次加速裂紋擴(kuò)展[18]。所以，硌傷試樣上的裂紋比未硌傷試樣上裂紋嚴(yán)重。同時(shí)，由于球形硌傷坑附近材料殘余拉應(yīng)力分布較廣，能提供連續(xù)的殘余拉應(yīng)力區(qū)域供裂紋擴(kuò)展，裂紋更易在此處擴(kuò)展并形成大角度裂紋。

綜上所述，殘余拉應(yīng)力的出現(xiàn)是加速硌傷車輪材料疲勞的主要原因。不同形貌的硌傷坑附近材料的殘余拉應(yīng)力分布不同，連續(xù)的殘余拉應(yīng)力可能在車輪次表層萌生擴(kuò)展角度約為45°的垂向裂紋，該裂紋將會(huì)快速向內(nèi)部擴(kuò)展并可能使車輪斷裂，造成極大的安全隱患。據(jù)此可以對(duì)現(xiàn)場車輪的旋修進(jìn)行初步評(píng)估。但是，由于現(xiàn)場工況復(fù)雜多變，如何建立并量化硌傷大小、殘余拉應(yīng)力大小、旋修深度三者之間的關(guān)系亦需在后續(xù)研究中解決。同時(shí)，為了進(jìn)一步深度揭示硌傷形貌對(duì)車輪材料滾動(dòng)接觸疲勞特性的影響，也急需在后續(xù)研究中進(jìn)行針對(duì)不同沖擊角度以及不同曲率的球形硌傷坑對(duì)輪軌摩擦磨損性能的影響研究。

3 結(jié)論

(1)車輪被硌傷后，硌傷坑底部材料產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，在球形硌傷坑周圍產(chǎn)生應(yīng)力值較小呈大片環(huán)形分布的殘余拉應(yīng)力區(qū)域，而在道砟硌傷坑附近次表層材料中產(chǎn)生應(yīng)力值較大、分布范圍窄的殘余拉應(yīng)力區(qū)域。

(2)硌傷形貌影響殘余應(yīng)力的大小及分布。由于球形硌傷坑附近的殘余拉應(yīng)力分布范圍較廣，其裂紋角度和長度均大于道砟硌傷坑附近裂紋的角度和長度。在球形硌傷坑邊緣，裂紋擴(kuò)展加劇，并沿著45°的擴(kuò)展角度向內(nèi)部擴(kuò)展。

(3)殘余拉應(yīng)力是加速裂紋擴(kuò)展的關(guān)鍵因素。與未硌傷試樣相比，圓形和道砟形硌傷坑均促進(jìn)硌傷坑附近次表層裂紋的萌生和擴(kuò)展，并在次表層產(chǎn)生孔洞，降低車輪材料抗疲勞性能。