一种轮轨材料滚动接触疲劳试验的评价方法

本发明涉及测试，尤其涉及一种轮轨材料滚动接触疲劳试验的评价方法。

背景技术：

1、轮轨系统是保证列车安全运行的重要部分，当接触界面所受应力超过材料的弹性安定极限时，轮轨表层材料发生塑性变形，当塑性应变累积到超过材料的临界值时，会在轮轨表面萌生裂纹，在接触应力和第三体介质的共同作用下使得裂纹持续扩展；裂纹在扩展过程中，由于扩展方向和驱动力的不同，会导致轮轨材料表层剥落、大块剥离和断裂，即疲劳磨损、剥离和断轨（轮）。因此，为了避免发生灾难性事故，应将剥离等缺陷去除，才能投入使用；轮轨材料的滚动接触疲劳性能决定了滚动接触疲劳裂纹的扩展速率和疲劳损伤程度，关系到打磨和旋修的频次和轮轨材料的使用寿命；为了给轮轨选材以及打磨与旋修提供数据支撑，有必要对轮轨材料的滚动接触疲劳性能进行试验与评价。

2、现行的方法为“金属材料滚动接触疲劳试验方法”，将其运用到轮轨材料中主要存在的问题包括：1、接触界面始终存在液体介质，轮轨界面间多为干湿交替接触；2、滚动接触实验的条件为油润滑，在轮轨界面中极少出现油介质，主要以水介质为主；3、试样表面塑性变形极小，裂纹扩展无方向性，与轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展方式不同；4、试验周期较长，轮轨材料接触疲劳寿命基本在106左右，试验工作量太大。现有的轮轨材料滚动接触疲劳性能评价方法主要有疲劳寿命、表面损伤评价、剖面损伤评价，均存在一定局限性。以疲劳寿命试验周期长、随机性较大，需进行大量试验才能得到可靠的评价结果，工作量大；表面滚动接触疲劳损伤评价方法由于表面形貌复杂，评价误差较大；且目前基于剖面疲劳损伤形貌的评价方法多从裂纹的单一尺寸（深度、角度）进行评价。

3、中国专利申请cn113433060a公开一种评价铁路机车车轮表面滚动接触疲劳性能的方法，通过接触疲劳试验机依次对车轮试样进行无润滑的滚滑接触实验及润滑条件的滚滑接触实验，基于裂纹密度、裂纹深度及失重进行车轮表面滚动接触疲劳性能的评价。该专利的试验方法虽然节省了时间，但是无润滑的滚滑实验后，再进行有润滑的滚滑接触实验滚动接触疲劳裂纹会迅速扩展，很难观察到裂纹的稳定扩展，同时裂纹容易交织成网状，与现场轮轨滚动接触疲劳裂纹剖面形貌差异较大，也导致评价指标测量困难。同时，该方法中并未建立整体性的滚动接触疲劳损伤评价方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种轮轨材料滚动接触疲劳试验的评价方法，解决了现有技术存在的不足。

2、本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种轮轨材料滚动接触疲劳试验的评价方法，所述评价方法包括：

3、s1、在对待测试材料进行预处理并确定试验参数后，将待测材料安装在从动轴，将滚副的试样安装在主动轴，清洁试样表面后启动双盘对滚试验机，并在试验机达到指定参数后进行指导循环次数干态跑合试验，再进行指定循环次数干湿交替正式试验；

4、s2、将试样卸下，并对其进行清洗和干燥，对表面损伤形貌进行拍摄，利用电火花线切割设备在车轮试样或钢轨试样圆周纵剖面均匀取3个样，取样尺寸为深度3mm，宽度约10mm，对纵剖面样品进行清洗、干燥、镶样、磨样和抛光，利用显微镜获得剖面裂纹图片，确定滚动接触评价指标并通过测量软件测量后统计与滚动接触评价指标对应的裂纹参数；

5、s3、通过轮轨滚动接触疲劳损伤程度的计算公式得到该测试试样的滚动接触疲劳损伤程度评价值。

6、其中，试样直径控制在40mm～68mm，接触宽度应该大于4mm；在干湿交替工况下，均匀施加水介质，水流量应大于1ml/min，小于5ml/min，湿态向干态转变时，其摩擦系数应迅速恢复到干态时的摩擦系数。

7、s2步骤中，通过分析得到：

8、裂纹密度：所取样块剖面所有裂纹的数量/取样总长（条/mm）；

9、裂纹深度：第条裂纹最深处到试样表面的距离（μm）；

10、裂纹宽度：第条裂纹沿着圆周方向的跨度（μm）；

11、裂纹长度：第条裂纹扩展的路径总和（μm）。

12、所述在对待测试材料进行预处理并确定试验参数包括：

13、将待测试的车轮材料或者钢轨材料，以及对副材料加工成环形测试样，对滚副的试样表面为凸台，待测试样表面无凸台，加工好后通过无水乙醇清洗后干燥；

14、确定包括垂向载荷、转速、蠕滑率、跑合试验循环次数、干态湿态时间比例与循环周期、干湿交替总循环次数的试验参数。

15、所述确定滚动接触评价指标包括：

16、收集实验室工况下试验直径在40mm～68mm的轮轨滚动接触疲劳剖面裂纹损伤形貌图片；

17、随机选择100条裂纹作为样本库，并结合delphi专家评价法和非参数估计法给样本中的裂纹赋予损伤程度值；

18、通过测量初选得到反映滚动接触疲劳损伤的量化评价指标，包括裂纹密度、裂纹宽度、裂纹深度、裂纹长度和裂纹角度；

19、将样本库中所有裂纹的裂纹宽度、裂纹深度、裂纹长度和裂纹角度四个初选评价指标与损伤程度值进行皮尔逊相关性分析，根据分析结果去除初选评价指标裂纹角度，筛选裂纹宽度、裂纹深度和裂纹长度三个评价指标，并与裂纹密度作为最终的评价指标。

20、所述滚动接触疲劳损伤程度的计算包括：

21、计算每条裂纹的损伤程度值；

22、将所有裂纹的损伤程度值从大到小排序，计算损伤最严重的20条裂纹损伤程度平均值，得到，其中，为第条裂纹的滚动接触疲劳损伤程度指标，为损伤最严重的20条裂纹损伤程度平均值，为裂纹密度，为第条裂纹的裂纹长度，为第条裂纹的裂纹深度，为第条裂纹的裂纹深度，为常数。

23、其中，常数的确定是通过建立试样直径的40mm～68mm滚动接触疲劳裂纹样本库，结合delphi专家评价法和非参数估计法，给样本中的裂纹赋予损伤程度值，最终通过回归分析确定，，。

24、所述结合delphi专家评价法和非参数估计法给样本中的裂纹赋予损伤程度值包括：

25、a1、研究人员将100条样本裂纹粗分为损伤程度从小到大20级，每一类5条裂纹；

26、a2、将第m级中损伤程度最严重的裂纹和第m+1级中损伤程度最轻微的裂纹进行比较，如果第m级中最严重的裂纹比第m+1级中最轻微的裂纹损伤更严重，则将m级中最严重的裂纹和m+1级中最轻微的裂纹进行交换，反之则不变；

27、a3、从1级到m-1级重复一轮a2步骤，只要一轮中发生一次交换，则再在交换后的裂纹基础上从1级到m-1级重复一轮a2步骤，直到没有发生交换，则裂纹排序结束；

28、a4、4名专家各自对a3步骤的结果进行a2和a3步骤，再发回整理，如果4名专家的结果不一致，则继续重复该步骤，直到4名专家的结果完全一致，得到最终的剖面类别分类排序结果；

29、a5、将第m级中剖面裂纹的观测值均设置为m/2。

30、所述试验参数确定的方法包括：

31、将车轮服役最大接触应力作为试验用接触应力，基于实验用接触应力确定接触疲劳试验机的实验载 荷；

32、

33、将列车运行过程中车轮的实际运行转速作为试验机主动轮的试验转速；

34、从服役过程中的滑差范围中选择设定的滑差；

35、干态跑合试验循环次数满足：使得摩擦系数在干态达到稳定，同时接触宽度达到预设值；

36、干态湿态时间比例根据服役环境制定，或者延长湿态时间，加速试验；

37、干湿交替周期满足：湿态后到干态摩擦系数恢复的时间小于一个周期的10%；

38、干湿交替试验循环次数满足：使得待测试样产生明显的滚动接触疲劳损伤但未产生大块剥离。

39、本发明具有以下优点：一种轮轨材料滚动接触疲劳试验的评价方法，通过干湿交替工况实现准确而稳定的轮轨滚动接触疲劳损伤模拟，从剖面形貌获取裂纹数据后，通过计算滚动接触疲劳损伤程度，实现轮轨材料滚动接触疲劳损伤程度的量化评价，有利于推动轮轨材料抗滚动接触疲劳性能优化和指导轮轨应用选材。