钢轨滚动接触疲劳伤损的量化评价方法与流程

本发明属于钢轨滚动接触疲劳伤损技术领域，具体地指一种钢轨滚动接触疲劳伤损的量化评价方法。

背景技术：

随着铁路运营朝着高速重载方向发展，车辆轴重增加，速度提高，钢轨与车轮之间由于滚动接触疲劳而引起的失效破坏变得越来越严重。钢轨滚动接触疲劳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，严重制约着钢轨的使用寿命和威胁列车行车安全。

钢轨滚动接触疲劳伤损是指钢轨铺设运行一段时间，在外部交变应力的作用下，在曲线上股和直线段间断性交替出现接触疲劳裂纹，表现为钢轨踏面或轨角处的鱼鳞伤损(45°斜裂纹)和掉块，每年世界各国铁路部门花费巨资来维修和更换疲劳轮对与钢轨，这是严重影响钢轨使用寿命和行车安全的世界性难题。

钢轨滚动接触疲劳裂纹分布密集，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呈现鱼鳞状斜裂纹的伤损形式，但是很快裂纹相互交联发展为掉块伤损，出现斜裂纹加掉块的“混合型”伤损形式，到伤损发展的后期阶段，钢轨轨头踏面和轨角处基本全部为掉块伤损。

国内外铁路机构和研究单位对减缓钢轨滚动接触疲劳伤损进行了大量的研究，取得了一定的效果，但是目前国内外对钢轨滚动接触疲劳伤损没有形成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钢轨滚动接触疲劳伤损的严重程度，存在较大的误差，难以对钢轨滚动接触疲劳伤损初期萌生和后期发展的程度进行准确的判断和评价，严重影响了钢轨滚动接触疲劳伤损的技术研究水平的提高。

技术实现要素：

本发明的目的就是要针对上述技术的不足，提供了一种能实现对钢轨接触疲劳伤损发展程度准确评判的钢轨滚动接触疲劳伤损的量化评价方法。

为实现上述目的，本发明所设计的钢轨滚动接触疲劳伤损的量化评价方法，包括如下步骤：

1)测量路线选定及待测钢轨表面清理

2)初期滚动接触疲劳伤损测量

选取长度为l的伤损区间，对长度为l的伤损区间轨角处的鱼鳞斜裂纹数量进行统计，根据不同鱼鳞斜裂纹长度统计的鱼鳞斜裂纹数量分别为k1、k2、k3、k4……kn，k1对应的鱼鳞斜裂纹长度为l1、k2对应的鱼鳞斜裂纹长度为l2、k3对应的鱼鳞斜裂纹长度为l3、k4对应的鱼鳞斜裂纹长度为l4……kn对应的鱼鳞斜裂纹长度为ln，且0≤l1＜l1、l1≤l2＜l2、l2≤l3＜l3、l3≤l4＜l4……ln-1≤ln＜ln；

3)鱼鳞掉块伤损测量

初期鱼鳞斜裂纹发展到一定程度后逐渐形成鱼鳞掉块，对在步骤2)中相同的伤损区间上的鱼鳞掉块数量进行统计，根据不同鱼鳞掉块的最大直径统计的鱼鳞掉块数量分别为n1、n2、n3、n4……nn，n1对应的鱼鳞掉块直径为d1、n2对应的鱼鳞掉块直径为d2、n3对应的鱼鳞掉块直径为d3、n4对应的鱼鳞掉块直径为d4……nn对应的鱼鳞掉块直径为dn，且0≤d1＜d1、d1≤d2＜d2、d2≤d3＜d3、d3≤d4＜d4……dn-1≤dn＜dn；

4)钢轨滚动接触疲劳伤损发展程度量化计算

采用单位长度钢轨上的滚动接触疲劳伤损数量进行统计，钢轨滚动接触疲劳伤损展程度量化指数r计算公式如下：

r＝{[k1×l1/2+k2×(l2-l1)/2+k3×(l3-l2)/2+k4×(l4-l3)/2+……kn×(ln-ln-1)/2]+[n1×πd1²/4+n2×π(d2-d1)²/4+n3×π(d3-d2)²/4+n4×π(d4-d3)²/4+……nn×π(dn-dn-1)²/4]}/l

其中，k1、k2、k3、k4……kn乘以各自区间鱼鳞斜裂纹长度的中间值，n1、n2、n3、n4……nn乘以各自区间鱼鳞掉块直径长度中间值所覆盖的圆面积；

5)钢轨滚动接触疲劳伤损发展程度量化评价

根据步骤4)中统计计算得到的r值，准确评判钢轨滚动接触疲劳伤损的发展程度，r值越高，钢轨滚动接触疲劳伤损发展程度越严重。

进一步地，所述步骤1)中，选定测量路线，采用洗耳球对待测钢轨表面进行吹扫，然后用无水乙醇对待测钢轨表面进行擦洗，除去油渍及污垢、并待无水乙醇挥发后，再用洗耳球对待测钢轨表面吹扫干净。

进一步地，所述步骤2)中，若选取长度l为100～200mm的伤损区间，不同鱼鳞斜裂纹长度包括0mm≤l1＜5mm、5mm≤l2＜10mm、10mm≤l3＜15mm、15mm≤l4＜20mm。

进一步地，所述步骤3)中，若选取长度l为100～200mm的伤损区间，不同鱼鳞掉块直接包括0mm≤d1＜5mm、5mm≤d2＜10mm、10mm≤d3＜15mm、15mm≤d＜20mm。

进一步地，所述步骤5)中，r值的评价标准如下：

0≤r＜4，钢轨滚动接触疲劳伤损初期阶段，有少量轻微鱼鳞斜裂纹；

4≤r＜8，钢轨滚动接触疲劳伤损中期阶段，有较多鱼鳞斜裂纹及少量掉块；

8≤r＜10，钢轨滚动接触疲劳伤损扩展阶段，有较多鱼鳞掉块及少量斜裂纹；

r≥10，钢轨严重滚动接触疲劳伤损阶段，有较多鱼鳞掉块，严重影响行车安全，需及时更换钢轨。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明通过对单位长度待测钢轨上的滚动接触疲劳伤损数量进行统计，将待测钢轨单位长度上的宏观伤损通过公式计算量化成评价指数，提高了接触疲劳伤损评价的准确性，为工务部门维护和打磨提供了准确的依据，填补了钢轨滚动接触疲劳伤损发展程度量化评估方法的空白，有利于推动钢轨滚动接触疲劳伤损研究的进一步发展；另外，本发明操作方法简单、可操作性强，可迅速准确地对钢轨滚动接触疲劳伤损发展程度进行量化评估，为维护和打磨提供了准确依据，适用于各铁路局工务部门以及研究院所推广应用。

附图说明

图1为钢轨轨角初期鱼鳞斜裂纹示意图；

图2为钢轨轨角鱼鳞掉块示意图；

图3为实施例1中钢轨轨角鱼鳞斜裂纹实物照片；

图4为实施例2中钢轨轨角鱼鳞斜裂纹和鱼鳞掉块实物照片；

图5为实施例3中钢轨轨角鱼鳞掉块实物照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

一种钢轨滚动接触疲劳伤损的量化评价方法，包括如下步骤：

1)测量路线选定及待测钢轨表面清理

选定测量路线，采用洗耳球对待测钢轨表面进行吹扫，然后用无水乙醇对待测钢轨表面进行擦洗，除去油渍及污垢、并待无水乙醇挥发后，再用洗耳球对待测钢轨表面吹扫干净；

2)初期滚动接触疲劳伤损测量

如图1所示，初期滚动接触疲劳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且长度为l的伤损区间，对长度为l的伤损区间轨角处的鱼鳞斜裂纹数量进行统计，根据不同鱼鳞斜裂纹长度统计的鱼鳞斜裂纹数量分别为k1、k2、k3、k4……kn，k1对应的鱼鳞斜裂纹长度为l1、k2对应的鱼鳞斜裂纹长度为l2、k3对应的鱼鳞斜裂纹长度为l3、k4对应的鱼鳞斜裂纹长度为l4……kn对应的鱼鳞斜裂纹长度为ln，且0≤l1＜l1、l1≤l2＜l2、l2≤l3＜l3、l3≤l4＜l4……ln-1≤ln＜ln；

若选取长度100～200mm的伤损区间，不同鱼鳞斜裂纹长度包括0mm≤l1＜5mm、5mm≤l2＜10mm、10mm≤l3＜15mm、15mm≤l4＜20mm；

3)鱼鳞掉块伤损测量

如图2所示，初期鱼鳞斜裂纹发展到一定程度后逐渐形成鱼鳞掉块，对在步骤2)中相同的伤损区间上的鱼鳞掉块数量进行统计，根据不同鱼鳞掉块的最大直径统计的鱼鳞掉块数量分别为n1、n2、n3、n4……nn，n1对应的鱼鳞掉块直径为d1、n2对应的鱼鳞掉块直径为d2、n3对应的鱼鳞掉块直径为d3、n4对应的鱼鳞掉块直径为d4……nn对应的鱼鳞掉块直径为dn，且0≤d1＜d1、d1≤d2＜d2、d2≤d3＜d3、d3≤d4＜d4……dn-1≤dn＜dn；

若选取长度100～200mm的伤损区间，不同鱼鳞掉块直接包括0mm≤d1＜5mm、5mm≤d2＜10mm、10mm≤d3＜15mm、15mm≤d＜20mm；

4)钢轨滚动接触疲劳伤损发展程度量化计算

采用单位长度钢轨上的滚动接触疲劳伤损数量进行统计，对不同鱼鳞斜裂纹长度的鱼鳞斜裂纹数量和不同鱼鳞掉块直径的鱼鳞掉块数量分别乘以不同的加权系数，其中，k1、k2、k3、k4……kn乘以各自区间鱼鳞斜裂纹长度的中间值，n1、n2、n3、n4……nn乘以各自区间鱼鳞掉块直径长度中间值所覆盖的圆面积，钢轨滚动接触疲劳伤损展程度量化指数r计算公式如下：

r＝{[k1×l1/2+k2×(l2-l1)/2+k3×(l3-l2)/2+k4×(l4-l3)/2+……kn×(ln-ln-1)/2]+[n1×πd1²/4+n2×π(d2-d1)²/4+n3×π(d3-d2)²/4+n4×π(d4-d3)²/4+……nn×π(dn-dn-1)²/4]}/l

5)钢轨滚动接触疲劳伤损发展程度量化评价

根据步骤4)中统计计算得到的r值，准确评判钢轨滚动接触疲劳伤损的发展程度，r值越高，钢轨滚动接触疲劳伤损发展程度越严重。

其中，0≤r＜4，钢轨滚动接触疲劳伤损初期阶段，有少量轻微鱼鳞斜裂纹；

4≤r＜8，钢轨滚动接触疲劳伤损中期阶段，有较多鱼鳞斜裂纹及少量掉块；

8≤r＜10，钢轨滚动接触疲劳伤损扩展阶段，有较多鱼鳞掉块及少量斜裂纹；

r≥10，钢轨严重滚动接触疲劳伤损阶段，有较多鱼鳞掉块，严重影响行车安全，需及时更换钢轨。

本发明通过对单位长度待测钢轨上的滚动接触疲劳伤损数量进行统计，将待测钢轨单位长度上的宏观伤损通过公式计算量化成评价指数，提高了接触疲劳伤损评价的准确性，为工务部门维护和打磨提供了准确的依据，填补了钢轨滚动接触疲劳伤损发展程度量化评估方法的空白，有利于推动钢轨滚动接触疲劳伤损研究的进一步发展；另外，本发明操作方法简单、可操作性强，可迅速准确地对钢轨滚动接触疲劳伤损发展程度进行量化评估，为维护和打磨提供了准确依据，适用于各铁路局工务部门以及研究院所推广应用。

实施例1

南昌铁路局京九线赣州段运行3个月的钢轨，客货混运，线路弯曲半径为600米，处于鱼鳞伤损初期阶段，轨角处表现为鱼鳞状斜裂纹，选取其最具有代表的滚动接触疲劳伤损区域，采用本发明的钢轨滚动接触疲劳伤损量化评价方法进行测量：

对100mm长度待测钢轨上的鱼鳞斜裂纹数量进行统计，其中根据不同鱼鳞斜裂纹长度统计的鱼鳞斜裂纹数量分别为k1＝6(0mm≤裂纹长度＜5mm)、k2＝12(5mm≤裂纹长度＜10mm)、k3＝9(10mm≤裂纹长度＜15mm)、k4＝0(15mm≤裂纹长度＜20mm)。

钢轨滚动接触疲劳伤损发展程度量化指数r计算公式如下：

r＝2.175，该线路区间钢轨处于初期滚动接触疲劳伤损阶段，如图3所示。

实施例2

郑州铁路局新荷线新乡段运行8个月的钢轨，客货混运，线路弯曲半径为700米，处于滚动接触疲劳伤损中期阶段，轨角处表现为鱼鳞状斜裂纹和剥离掉块的混合型伤损，选取其最具有代表的滚动接触疲劳伤损区域，采用本发明的钢轨滚动接触疲劳伤损量化评价方法进行测量：

对110mm长度待测钢轨上的鱼鳞斜裂纹数量进行统计，其中根据不同鱼鳞斜裂纹长度统计的鱼鳞斜裂纹数量分别为k1＝0(0mm≤裂纹长度＜5mm)、k2＝10(5mm≤裂纹长度＜10mm)、k3＝9(10mm≤裂纹长度＜15mm)、k4＝16(15mm≤裂纹长度＜20mm)。

对110mm长度待测钢轨上的鱼鳞掉块数量进行统计，其中根据不同鱼鳞掉块直径统计的鱼鳞掉块数量分别为n1＝18(0mm≤掉块直径＜5mm)、n2＝4(5mm≤掉块直径＜10mm)、n3＝0(10mm≤掉块直径＜15mm)、n4＝0(15mm≤掉块直径＜20mm)。

钢轨滚动接触疲劳伤损发展程度量化指数r计算公式如下：

r＝6.65，该线路区间钢轨处于滚动接触疲劳伤损扩展阶段，如图4所示。

实施例3

武汉铁路局京广线信阳段运行16个月的钢轨，客货混运，线路弯曲半径为700米，处于钢轨严重滚动接触疲劳伤损阶段，轨角及钢轨踏面处表现为大量鱼鳞剥离掉块伤损，选取其最具有代表的伤损区域，采用本发明的钢轨滚动接触疲劳伤损量化评价方法进行测量：

对110mm长度待测钢轨上的鱼鳞剥离掉块数量进行统计，其中根据不同鱼鳞剥离掉块直径统计的鱼鳞剥离掉块数量分别为n1＝45(0mm≤掉块直径＜5mm)、n2＝16(5mm≤掉块直径＜10mm)、n3＝2(10mm≤掉块直径＜15mm)、n4＝0(15mm≤掉块直径＜20mm)。

钢轨滚动接触疲劳伤损发展程度量化指数r计算公式如下：

r＝10.66，该线路区间钢轨处于钢轨严重滚动接触疲劳伤损阶段，如图5所示。鱼鳞剥离掉块已从轨角大范围扩展至踏面，应及时对伤损钢轨进行更换，以免鱼鳞掉块进一步向钢轨内部发展形成核伤，导致钢轨断裂，引起重大安全事故。