（文章转自：轨道装备网）

随着我国铁路提速、重载的发展，钢轨的轨头接触疲劳伤损现象越来越普遍且日趋严重。这些伤损的大量出现，影响了列车的行车安全，有时还会造成钢轨断裂，危害极大。分析轨头接触疲劳伤损类型和伤损原因，找出预防措施，具有十分重要意义。

轨头表面接触疲劳伤损类型

轨头表面接触疲劳伤损类型主要表现为轨距角处的鱼鳞状剥离裂纹和剥离掉块、斜线状剥离裂纹、踏面剥离裂纹和浅层掉块以及踏面辗宽或局部压溃凹陷等。

图1  曲线上股轨距角剥离裂纹和浅层剥离掉块

图2  曲线上股钢轨的斜裂纹及断裂形貌

图3  由斜裂纹产生的钢轨横向断裂

图1为某线路曲线上股轨距角处剥离裂纹和剥离掉块伤损实物照片。图2、3为曲线上股斜裂纹及由斜裂纹产生的断裂后的照片。图1的剥离裂纹及掉块与图2、3所显示的斜裂纹形式和状态有明显不同，前者产生鱼鳞状剥离裂纹后主要发展成浅层的剥离掉块，而后者踏面裂纹没有发展成剥离掉块时就已导致横向断裂。从微观裂纹的观察可以发现，剥离裂纹的发展首先沿与踏面成约20～30°左右开始，慢慢发展后逐渐转向沿与踏面几乎平行的方向继续发展，随着车轮的不断碾压，裂纹又向踏面方向扩展，形成浅层的掉块（图4）。而斜裂纹一开始的角度与前者区别不大，但在发展过程中裂纹以与踏面更大的角度向下倾斜发展，造成钢轨的横向断裂（图5）。这一区别应与它们的轮轨的接触方式不同有关。

图4  鱼鳞状剥离裂纹扩展形貌

图5   斜裂纹扩展形貌

图6  曲线下股踏面剥离裂纹及掉块

此外轨头表面接触疲劳伤损还表现为曲线下股的踏面剥离裂纹和浅层掉块（图6）以及踏面辗宽或局部压溃凹陷（图7）等。

图7  曲线下股踏面辗宽和浅层状剥离掉块

在TB1778 -86 《钢轨伤损分类》及UIC钢轨伤损分类方法将上述伤损确定为轮轨接触疲劳伤损。由于线路状态、运营条件以及钢轨强度的不同，产生轨头接触疲劳伤损的表现形式和发展速度也不尽相同。TB 1778—86《钢轨伤损分类》标准中，伤损编号11是表示由于钢轨金属接触疲劳原因导致的踏面金属碎裂或剥离的伤损；而由踏面剥离发展导致钢轨横向断裂的伤损编号为21。UIC钢轨伤损分类方法中将轨头剥离222（shelling）分为2221 轨头踏面剥离（shelling of the running surface）、2222 轨头轨距角处剥离（ shelling of the gauge corner）和 2223 轨头轨距角处裂纹  (head checking/fissuring/scaling at the gaure corner)三类。此外还有223 轨头压溃（crushing）、踏面辗宽和辗边(crushing)、 224 轨头踏面局部压陷（batter）和227 轨头踏面裂纹和局部凹陷（squat/cracking and local depression of the running surface）等各种轮轨接触疲劳伤损形式。

轨头接触疲劳伤损原因及影响因素

轨头接触疲劳伤损原因

产生轨头接触疲劳伤损的主要原因与轮轨接触应力过大有关。弹塑性理论中，对某反复载荷（如轮轨接触应力）在给定范围内变化时，物体内局部地区发生塑性变形，逐步形成一个残余应力分布（加工硬化），但在有限次作用后，残余应力趋于稳定，而与时间无关，此后残余应力与外载所引起的应力相叠加处都在弹性范围之内，不再产生新的塑性变形，则这个给定的{zd0}反复载荷就是安定极限载荷，而此状态一般称为安定状态。当载荷超过屈服极限而在安定极限以下时，经过几次加载、卸载反复作用，不再继续发生塑性变形，但当载荷超过了安定极限，塑性变形就将无休止，物体产生塑性流动，最终发生物体累积塑性塌陷或低周疲劳磨损。

理论计算表明，按我国轴重和钢轨的强度计算，轮轨的初始接触应力值总是远远大于钢轨的弹性极限，即钢轨踏面总会产生塑性变形。轮轨接触应力值经一定的反复作用后总是趋于稳定的，其最终的应力值是否在安定极限范围之内决定着轮轨塑性变形的稳定性。若大于安定极限 ，则塑性变形将无休止，形成踏面塌陷。若小于安定极限值，则稳定后轨面的塑性变形量将减至零。一般来讲，钢轨的安定极限值要高于弹性极限50%左右。

经理论计算及实验分析表明，我国目前运营的货车21T及25T轴重，在直线工况是安全可靠的，其{zh1}的稳定应力值小于钢轨的安定极限值。而对于曲线线路上，特别是小半径曲线，由于列车速度的提高，曲线半径与列车运行速度不相适应，车轮对钢轨踏面的接触应力过大，远远超过钢轨本身的屈服强度和安定极限值，使轨头踏面表层金属在轮轨接触应力作用下发生塑性流动变形，轨头断面几何形状发生变化，踏面压溃，并产生疲劳裂纹和剥离掉块。有理论表明，当轮轨的接触应力大于1200Mpa时，随着接触应力的增大，滚动接触疲劳的寿命将成指数下降。

造成轨头接触疲劳伤损的影响因素

理论计算和分析表明，造成钢轨轨头产生接触疲劳伤损的原因是轮轨接触应力过大，超过安定极限值使其产生塑性流变后产生疲劳损伤。因此接触疲劳伤损的产生和发展与线路条件(曲线半径等)、运营条件（速度和载重）及钢轨强度级别等有直接关系。

（1）曲线半径的影响：理论上来讲曲线半径越小，钢轨所承受的轮轨接触应力越大，即曲线半径与轮轨接触应力值成反比关系，当接触应力超过钢轨的接触疲劳裂纹萌生抗力时，将导致踏面裂纹的形成和发展。

（2）列车速度的影响：随着列车速度的提高，列车在曲线上通过时的接触应力受离心力的影响将增大，将可能促使接触疲劳裂纹的形成和发展。

（3）如果曲线钢轨的圆顺度不良或不平顺也可能使轮对的运行状态发生改变和导致车轮导向力和冲角的变化，导致车辆蛇行失稳，从而使线路的局部钢轨承受较大的接触应力，也可能促使局部钢轨接触疲劳裂纹的形成和发展。

（4）钢轨性能的影响：采用强度级别高的钢轨可以提高钢轨的抗塑性变形的能力，即提高安定极限值，延缓塑性流变和裂纹的产生和发展。

预防轨头接触疲劳伤损的对策

轮轨接触疲劳伤损与线路曲线半径、列车速度、钢轨的强度级别及钢轨踏面的表面质量等多种因素有关。因此预防接触疲劳伤损建议从以下几方面入手：

（1）改善轮轨接触方式，减小钢轨踏面的轮轨接触应力，可以减缓曲线钢轨踏面压溃、剥离裂纹和浅层状剥离掉块伤损的出现。

（2）加强轨道的养护维修，合理的进行预防性打磨和校正性打磨。新铺设钢轨表面均有脱碳层，其强度明显低于母材，易于产生塑性变形，进而产生剥离裂纹和剥离掉块。如对新铺设的钢轨进行预防性打磨，xx脱碳层，也可以减缓或防止曲线下股钢轨踏面压溃、剥离裂纹和浅层状剥离掉块伤损的出现。史密斯在分析钢轨滚动接触疲劳RCF时指出：每次车轮通过钢轨都将使钢轨产生磨耗和疲劳过程，这一过程是不可逆的，钢轨的寿命取决于磨耗与裂纹疲劳扩展速率的相互作用[2]。因此，对于已产生剥离裂纹的钢轨进行校正性打磨，阻止裂纹向深度方向扩展，也可以延缓剥离裂纹伤损的产生和发展。

（3）在小半径曲线采用强度高的淬火轨可以起到耐磨、抗压溃和抗塑性变形的作用，延缓剥离裂纹的产生。国内外钢轨的使用情况表明，减缓或防止接触疲劳伤损（波浪磨耗、剥离裂纹或接触疲劳裂纹、磨耗和压溃、核伤）的有效措施是采用强度高的耐磨钢轨和淬火钢轨。法国在既有线上实施高速行车时，规定在半径小于1200ｍ的曲线上铺设耐磨钢轨。ProRail公司在钢轨接触疲劳裂纹对策研究的基础上提出了在曲线半径R＝750m～3000 m的曲线上采用350LHT或350HT的淬火钢轨；在曲线半径R≧3000m的线路采用260Mn钢轨。

建议

国内外钢轨的使用情况表明，随着列车速度和载重量的提高，滚动接触疲劳伤损已越来越成为影响铁路行车安全和钢轨使用寿命的一种重要伤损类型。建议在对国内外有关钢轨接触疲劳伤损现象、原因及对策研究的资料查阅及分析的基础上，调查总结我国线路钢轨使用情况及接触疲劳伤损的发展特点。深入研究接触疲劳伤损与钢轨性能指标、钢轨使用条件（线路和运营条件）、钢轨维修方法之间的关系。提出具有我国线路使用特点的预防轨头接触疲劳伤损的具体有效措施。  ■

（作者：均为铁道科学研究院金属及化学研究所）