钢轨鱼鳞伤损及其量化评价方法

费俊杰　周桂峰　徐　进　齐江华　周剑华　朱　敏

(1.武钢研究院　湖北　武汉：430080；2.武汉铁路局工务处　湖北　武汉：430071)



钢轨鱼鳞伤损及其量化评价方法

费俊杰1周桂峰1徐进2齐江华1周剑华1朱敏1

(1.武钢研究院湖北武汉：430080；2.武汉铁路局工务处湖北武汉：430071)

摘要钢轨鱼鳞伤损一直以来困扰着世界各国的铁路部门，同时由于鱼鳞伤损产生的不均匀和不规则性，没有对其准确的定量评价方法。简要介绍了鱼鳞伤损的特征、萌生扩展机理以及相关影响因素，并结合实际线路中钢轨使用情况，提出了钢轨鱼鳞伤损发展程度的量化评价方法，提高了钢轨鱼鳞伤损统计效率和精度，有利于推动钢轨鱼鳞伤损研究的进一步发展。

关键词钢轨；滚动接触疲劳；鱼鳞伤损；量化评价方法;钢轨伤损

随着铁路运营朝着高速重载方向发展，钢轨与车轮之间以鱼鳞伤损为主的滚动接触疲劳变得越来越严重[1]。钢轨鱼鳞伤损会进一步发展为剥离脱落、掉块，甚至发展为核伤导致钢轨断裂，严重影响钢轨的使用寿命和行车安全，鱼鳞伤损是困扰铁路部门和各钢厂的一大难题[2-3]。

国内外对钢轨鱼鳞伤损进行了大量的研究，但是目前国内外对钢轨鱼鳞伤损没有统一具体的量化评判指标，还停留在定性分析的阶段，只是凭借肉眼观察来主观评判鱼鳞伤损的严重程度，难以对鱼鳞伤损初期萌生和后期发展的程度进行准确判断和评价，影响了钢轨鱼鳞伤损研究水平的发展。本文简要介绍了鱼鳞伤损的特征和萌生扩展机理，并结合实际线路中钢轨使用情况，提出了鱼鳞伤损发展程度的量化评价方法，有效提高了钢轨鱼鳞伤损统计效率和精度。

1钢轨鱼鳞伤损

1.1形貌特征

钢轨鱼鳞伤损是指钢轨铺设运行一段时间，在曲线上股和直线段间断性交替出现接触疲劳裂纹，见图1。在轮轨交变应力的作用下裂纹会快速扩展，发展为钢轨剥离脱落和掉块[4]。

钢轨鱼鳞伤损裂纹分布密集，裂纹细短，通常伴随着一定的塑性变形和掉块现象，在发展初期宏观形貌主要为轨角处45°斜裂纹，这是轮轨切向力和法向力作用的结果。在车轮的反复挤压下，裂纹顺着塑性流动方向扩展，最终相互贯穿造成轨角材料剥离，出现斜裂纹加剥离掉块的“混合型”伤损形式，见图2。到鱼鳞伤损发展的后期阶段，钢轨轨头踏面和轨角处基本全部为剥离掉块。

图1　鱼鳞伤损示意图

图2　钢轨“混合型”鱼鳞伤损

1.2萌生扩展机理

钢轨鱼鳞伤损本质属于滚动接触疲劳缺陷(Rolling Contact Fatigue)。轮轨接触过程中，钢轨受到巨大的滚动接触应力作用，其个轨头踏面以下某一深度材料内部出现最大剪切应力分布，见图3。特别是在小半径曲线区域，最大剪切应力会大大高于钢轨材料的屈服强度极限[5-6]。钢轨表层材料会出现微量塑性变形并且逐渐累积，随着轮轨循环作用，材料循环硬化到一定程度后出现塑性耗竭，钢轨沿车轮运动方向出现不可逆转的塑性流动，当塑性流动超过材料的变形极限时，钢轨表面出现众多微裂纹[7]，见图4。

图3　钢轨接触应力示意图

图4　钢轨鱼鳞伤损萌生示意图

钢轨表面鱼鳞微裂纹初始阶段以小锐角向内部延伸，到一定深度后，逐渐转向与踏面平行的方向继续发展，最终会以圆周状扩展到轨角，最终材料脱落形成鱼鳞剥离掉块[8]。

1.3影响因素

影响鱼鳞伤损的因素很多，但从本质上来说，钢轨材料成分和微观结构是内因，而使用条件、工况及维护是外因，其主要影响因素有[9-10]：(1)钢轨材质，材料是影响鱼鳞伤损的主要因素，合金组织稳定性和均匀性越好，材料的疲劳强度越高，钢轨鱼鳞伤损发展越轻微；(2)曲线半径，曲线半径越小，轮轨接触应力越大，当接触应力超过钢轨的接触疲劳裂纹萌生抗力时，将导致鱼鳞裂纹的形成和发展；(3)外部介质，水或油等液体介质容易渗进表面裂纹内部，在外在压力作用下，形成很大的内应力加速裂纹的扩展，(4)养护情况，线路养护和打磨可以使轮轨配合维持在良好的状态，减小轮轨接触应力，从而减缓鱼鳞伤损。

2鱼鳞伤损量化评价方法

结合钢轨长期线路跟踪经验和鱼鳞伤损形态[11]，得到鱼鳞伤损量化评价方法，采用单位长度上鱼鳞裂纹或者剥离掉块的数量来评价，对不同长度的裂纹和不同直径的掉块面积取不同的加权系数。加权系数是根据线路伤损跟踪经验设定的，设定原则是尽可能准确的反映鱼鳞伤损情况。提出了鱼鳞伤损量化指数R的计算方法，通过公式计算出钢轨鱼鳞伤损发展程度量化指数R，R数值的大小可直观反映钢轨鱼鳞伤损的发展程度，目前该方法正在逐步向武汉和郑州铁路局推广。

2.1鱼鳞伤损发展程度量化指数R

初期鱼鳞伤损主要以轨角处鱼鳞斜裂纹为主，选取整体上最具代表性的伤损区间，对一定长度L(L为100mm～200mm)的钢轨上的鱼鳞裂纹数量进行统计，其中根据不同裂纹长度H统计的裂纹数量分别为K1(0mm≤H<10mm)、K2(10mm≤H<20mm)、K3(20mm≤H<30mm)、K4(H≥30mm)。

对于后期的剥离掉块，对一定长度L的钢轨上的鱼鳞掉块数量进行统计，其中根据不同掉块的最大直径D统计的掉块数量分别为N1(0mm≤D<3mm)、N2(3mm≤D<6mm)、N3(6mm≤D<10mm)、N4(D≥10mm)。

则钢轨鱼鳞伤损发展程度量化指数R计算公式如下：

2.2实际线路应用

对武汉、南昌、郑州铁路局线路进行了跟踪。钢轨材质均为U75V，均为客货混运线路，在实际线路运营中，钢轨养护情况和力学性能相差不大，钢轨线路条件和使用时间是影响鱼鳞伤损的关键因素，其中小半径曲线处为鱼鳞伤损高发地段，因此跟踪路段均选为小半径曲线。采用鱼鳞伤损量化评价方法进行评价，现场应用表明，该方法简单快捷，可准确反映鱼鳞伤损发展水平，大大提高了鱼鳞伤损统计效率和精度。

南昌铁路局京九线某段运行3个月的钢轨，客货混运，线路弯曲半径为600m，观察钢轨处于初期鱼鳞伤损阶段，表现为鱼鳞状斜裂纹，未出现掉块，见图5。采用鱼鳞伤损发展程度量化评价方法进行测量：对100mm长度上的裂纹进行统计，根据不同裂纹长度统计的裂纹数量分别为K1=21、K2=12、K3=3、K4=0。

图5　钢轨初期鱼鳞裂纹

块数量进行统计，裂纹数量分别为K1=0、K2=15、K3=10、K4=2；掉块数量分别为N1=18、N2=4、N3=0、N4=0。

钢轨鱼鳞伤损发展程度量化指数R计算如下：

图6　钢轨混合型鱼鳞伤损

武汉铁路局京广线某段运行16个月的钢轨，客货混运，线路弯曲半径为700m，处于钢轨严重鱼鳞伤损后期阶段，轨角及踏面处大量鱼鳞剥离掉块伤损，见图7。对110mm长度上的掉块数量进行统计：N1=45、N2=17、N3=6、N4=2。

钢轨鱼鳞伤损发展程度量化指数R计算如下：

图7　钢轨严重鱼鳞掉块

可知，该线路R为2.96，钢轨处于钢轨严重鱼鳞伤损阶段。鱼鳞剥离掉块已从轨角大范围扩展至踏面，线路工务人员已发现车轮驶过该处时出现异响和较大横向偏移，列车有蛇形失稳的趋势，目前正在准备更换该处的鱼鳞伤损钢轨。

结合钢轨使用情况，根据统计计算得到的R值，可以准确评判钢轨鱼鳞伤损的发展程度，R值越高，钢轨鱼鳞伤损发展程度越严重。可大致分类为：0≤R<0.5，钢轨鱼鳞伤损初期阶段，有少量轻微鱼鳞斜裂纹；0.5≤R<1.0，钢轨鱼鳞伤损中期阶段，有较多鱼鳞斜裂纹及少量掉块；1.0≤R<2，钢轨鱼鳞伤损扩展阶段，有较多鱼鳞掉块及少量斜裂纹；R≥2，钢轨严重鱼鳞伤损阶段，有较多鱼鳞掉块，严重影响行车安全，需及时更换钢轨。

3结论

(1)鱼鳞伤损的出现是由于轮轨之间的交变接触应力过大，材料内部最大剪切应力超过钢轨剪切极限，从而产生微裂纹，裂纹快速扩展形成表面鱼鳞伤损。

(2)结合实际线路中钢轨使用情况，提出了钢轨鱼鳞伤损发展程度的量化评价方法，通过统计计算量化评价指数R的大小，可以方便直观的评价钢轨鱼鳞伤损发展的程度，提高了钢轨鱼鳞伤损统计效率和精度。

(3)钢轨鱼鳞伤损与众多因素有关，在提高钢轨材料性能的同时，工务部门也要加强钢轨的维护和检查，对于量化评价指数R≥2的钢轨，应加强检查力度，及时进行打磨处理或者更换钢轨，保障铁路行车安全。

参考文献

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[2]周清跃，张银花，杨来顺，等.钢轨的材质性能及相关工艺[M].北京：中国铁道出版社，2005：3-6.

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[4]史密斯.钢轨滚动接触疲劳的进一步研究[J].中国铁道科学，2002，23(3)：6-10.

[5]Xuesong Jin, Zefeng Wen，Kaiyun Wang. Effect of track irregularities on initiation and evolution of rail corrugation [J]. Journal of Sound and Vibration. 2005,285(1-2):121-148.

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[10]刘启跃，张波，周仲荣.铁路钢轨损伤机理研究[J].中国机械工程，2002，13(18)：1596-1599.

[11]刘学文，田常海.在役U75V和U71Mn钢轨伤损及其统计分析方法[J].中国铁道科学，2007，28(6)：20-24.

(责任编辑：李文英)

Rail Shelling Defect and Quantitative Assessment Method

Fei Junjie1Zhou Guifeng1Xu Jin2Qi Jianghua1Zhou Jianhua1Zhu Min1

(1.Research and development Center of WISCO， Wuhan 430080, Hubei;2.Wuhan Railway Bureau， Wuhan 430071, Hubei)

Abstract:Railway shelling defect has been a headache to railway departments all around the world. However, there is no quantitative assessment method to evaluate it since shell defect is always uneven and irregular. This paper introduces its characteristics, emergence and extension and its related influential factors. It summarizes a quantitative method on the basis of studying the actual use of railways. This kind of method improves calculation efficiency and accuracy, and will witness further development of shelling defect investigation.

Key words:rail; rolling contact fatigue; shelling defect; quantitative assessment method； rail damage

中图分类号：U213.4+2

文献标识码：A

文章编号：1671-3524(2016)01-0004-04

作者简介：费俊杰(1988～)，男，硕士，工程师.E-mail：feijunjie8000@163.com

基金项目：武汉市科技计划资助项目(项目编号：2013011403010505)

收稿日期：2015-11-02修回日期：2016-01-13