疲劳寿命-钢轨探伤｜基础知识

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原文标题：钢轨探伤｜基础知识

一、钢轨的主要作用和要求钢轨是轨道结构的重要部件，直接承受机车、车辆荷载的作用，它的强度和状态直接

关系到铁路运输的安全、平稳和畅通。

（一）主要作用：

1、是支撑并引导机车车辆的车轮，直接承受来自车轮的载荷和冲击，并将其传布于轨枕

及各扣件。

2、在自动闭塞区段，钢轨成为信号电流的导体，起到轨道电路的作用。

3、在电气化区段，钢轨还用作牵引电流的回流电导线。

（二） 钢轨的要求：

1.钢轨必须为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面，又为机车提供

最大的黏着牵引力，因而要求钢轨顶面具有相应的摩擦系数，能产生一定的

摩擦力。

2.钢轨受到车轮碾压会产生弯曲，为抵抗弯曲，钢轨应具有相当的强度。但因钢轨是承受冲击力体，为了减轻车轮对钢轨的冲击作用，减少机车、车辆走行部分及钢轨的裂损，钢轨又必须具有一定的可挠性。

3.为使钢轨不至于被巨大压力压溃或迅速磨耗，钢轨应具有足够的硬度。但硬度太高时，钢轨又容易被车轮的动力冲击所折断，因此，钢轨又应有一定的断裂韧性。

4.钢轨还应具有较强的抗剥离性和抗疲劳性，一定的耐腐蚀性，良好的可焊性等。

二、钢轨的分类和断面尺寸（一）、钢轨的分类

目前我国定型生产的钢轨分类如下：

1.按钢种分：碳素轨和合金轨。碳素轨主要以碳（C)、锰（Mn）两元素来提高强度

，改善韧性，如U71Mn、AP1、U74。

合金轨是以碳素轨为基础，添加适量合金元素钒（V）、钛（Ti）、铬（Cr）、钼（Mo）

等，来提高钢轨的强度和韧性，如PD1、PD3、v-Ti轨。

2.按钢轨的重量分：38kg/m、43kg/m、45kg/m、50kg/m、60kg/m、75kg/m。

3.按力学性能分：普通轨、高强轨、耐磨轨。

高速铁路钢轨应具备安全使用性能好、几何尺寸精度高、平直度好的特点，同时要求钢轨  的实物质量达到高纯净、高平直、高精度、长定尺，这就要求钢轨钢质洁净、韧塑性高、焊接性能  优良、表面基本无原始缺陷。

4.钢轨的横截面部位名称

5.钢轨各部位的尺寸:60kg钢轨轨高176mm ，底宽 150mm，

头宽 73mm，腰厚 16.5mm ,轨头厚48.5mm，轨底边缘厚12mm。

三、钢轨的标志及含义1.钢轨出厂时应有制造厂标、钢轨类型、钢种符号、钢轨制造年月、熔炼号

品级号等标志。钢轨标志一般轧制于钢轨一侧轨腰上，有两种类型，一种是

辊轧凸字，字体凸出于轨腰表面；另一种为热轧凹字，字体凹陷在轨腰表面上。

2. 国产钢轨炉罐号含义（热轧凹字）

3.钢种、炉种及生产代号

四、钢轨生产过程钢轨制造应采用平炉、氧气转炉冶炼的镇静钢制造，为了保证钢轨没有缩孔和有害的偏析，相当于刚锭头、尾的钢坯应进行充分切除，并应采用使钢轨中不产生白点的生产工艺。目前，世界上主要采用长流程工艺和短流程两种生产钢轨的工艺。

1. 钢轨长流程工艺

以矿石为原料，经高炉、转炉冶炼、再经炉外精炼、真空脱气、连铸机铸成一定尺寸的钢坯等14道工序来完成钢轨的制造。

2.钢轨短流程工艺

以废铁为主要原料，经电炉粗炼、LF炉精炼、VD炉脱气后送连铸机铸成所需要尺寸的钢坯，其后部工艺与长流程工艺第5-14道工艺相同。

随着连铸技术的进步，自动化检测和控制技术的结合，钢轨生产工艺采用连铸异形坯，直接送万能轧机制，使钢轨制造工艺流程会更短，生产效率和钢轨质量会更高。

五、钢轨的化学成分和机械性能（1） 钢轨的化学成分

钢轨的组织与性能，主要取决于它的化学成分。合适的化学成分是保证钢轨质量、提高钢轨的机械性能的主要因素之一，而钢材冶金过程中难以除去的有害元素，又对钢材性能产生不良的影响。

（ 2） 钢轨的机械性能

1.强度

钢轨在载荷作用下，抵抗变形和破坏的能力，常以强度极限、屈服极限等指标来表示。强度极限（抗拉强度）是指金属材料抵抗拉伸载荷作用而不至破坏的最大应力。屈服极限（屈服强度）是指金属材料在载荷不增加的情况下，仍能产生明显塑性变形时的应力。

2. 塑性

金属材料在载荷作用下，产生显著的变形而不至破坏，并在载荷取消后，仍能保持变形后的形状，常以伸长率和断面收缩率等指标来表示。伸长率是试样拉断后，标定长度的伸长量与原始标定长度之比值的百分点表示，断面收缩率是试样断口面积的缩减量与原截面积之比值的百分数表示。

3. 硬度

金属材料抵抗另一种更硬物体压入其表面的能力。根据测定方法的不同，可分为布氏硬度和洛氏硬度等。

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4. 韧性

金属材料抵抗冲击载荷作用而不至破坏的能力。金属材料抵抗韧性的好坏，可通过冲击试验测定。

5. 疲劳

在交变载荷的作用下，材料发生断裂的现象。金属材料抵抗疲劳的能力，用疲劳强度来衡量。疲劳强度就是金属材料在无数次重复的交变载荷作用下，而不至破坏的最大应力。

六 钢轨的受力与伤损钢轨的使用条件十分复杂，所处环境非常苛刻，所以不可避免会产生各种伤损。造成其伤损的原因很多，既有钢轨在冶炼过程中出现的缺陷，又有在运输、使用过程中出现的损伤，其中钢轨在使用中所受各种荷载作用与钢轨伤损有密切关系，因此分析钢轨的受力对减轻钢轨的伤损，延长钢轨的使用寿命均有帮助。

钢轨由于与车轮的相互作用、钢轨本身的温度变化及其他原因，而产生三个方向上的力：

垂直作用于轨面的竖向力；侧向垂直于钢轨的横向水平力；沿钢轨轴向的纵向水平力。其中竖向力是主体，其对钢轨伤损的影响最大。侧向垂直于钢轨的水平力及沿钢轨轴向的纵向水平力，在某些特定的条件下，经过荷载叠加后也能达到一个非常大的值，对钢轨也有较大伤损。

（一）竖向力

（1）、竖向力的产生

竖向力由静轮载和静轮载动力附加值组成。静止在轨道上的机车车辆，其车轮施加于轨道上的力称静轮载。行驶中的车辆，其车轮作用与轨道上的力称为动轮载。动轮载比静轮载大的部分称为静轮载的动力附加值，产生动轮载动力附加值的原因有：

1、车轮踏面上因制动或其他原因被擦伤

而形成扁瘢。

有扁瘢的车轮每转动一周

要撞击钢轨一次，产生具有

冲击性质的轮载，

使动力附加值增加。

2 车轮轮箍和轮心因圆周不同心而形成偏心。有偏心的车轮在行驶过程中对钢轨施加冲击力，使动力附加值增加。

3 机车车辆通过曲线轨道时，因未被平衡的外轨超高而产生的轮载偏载，使一股钢轨上的轮载增加，另一股钢轨上的轮载减小。

4 机车车辆通过钢轨接头时，由于轨缝、错牙和折角的影响而产生的冲击力。

5 机车车辆通过钢轨顶面有类似擦伤那样的短波不平顺时，产生与扁箍车轮完全相同的冲击性轮载，使动力附加值增加。

6 机车车辆通过不平顺轨道时，由于簧上结构（轨对弹簧装置以上部分）和簧下部分（轮对弹簧装置一下的部分）作复杂的空间振动，使作用与轨道上的动轮载有所增加。

7 机车车辆在平顺轨道上因蛇行运动使同一轮对上左右两滚动圆半径不同而引起的轮载偏载。

8 机车车辆通过曲线轨道时，作用于转向架上的横向力，使同一轮对上左右两车轮的轮载偏载。

（2） 竖向力的大小

静轮载的值可以由各种型号的机车车辆构造性能表中差取有关数据，动轮载附加值随机车车辆和轨道的构造及其状态以及运动形态的改变而变动，规

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律十分复杂。当园顺的车轮在平顺的轨道上行驶时，轮载的动力附加值一般不超过20%，但在钢轨接头、轨道单独不平顺处和车轮有偏瘢、偏心等冲击作用的情况下，有时可达数倍之多。

(3) 竖向力与钢轨的伤损

钢轨受竖向力作用时，会在接触面产生很大的接触应力。一般认为，由接触应力引起的轨面下的剪应力是竖向力造成钢轨伤损的主要原因。由于轮轨的互相作用，轨顶面反复出现接触应力，使轨面出现塑性变形，疲劳磨耗及疲劳裂纹等情况。

1 轨头塑性变形和磨耗

钢轨塑性变形与接触应力成正比，与钢轨的硬度成反比。当接触应力接近钢轨的剪切屈服极限时，接触面开始塑性变形，当接触应力达到4倍剪切屈服极限时，接触面出现连续积累的塑性变形，使轨头压宽或辗边，出现压溃，同时使轨顶表面金属加工硬化，硬度提高，在表面出现疲劳裂纹，导致薄片状剥离，这也是接触应力作用的表面疲劳磨耗。

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2 轨面剥离掉块

受接触应力引起的接触剪应力作用时，塑性流动变形层较深，表面疲劳裂纹沿流变方向倾斜向下发展，当疲劳裂纹扩展速率大于磨耗时，在接触应力较大的轨顶内侧小圆弧处出现鱼鳞状剥离裂纹，剥离裂纹深度与塑性变形对应，在小半径曲线外轨处，一般可达2mm以上。在曲线外轨轮轨的黏着蠕滑作用下，促进了裂纹发展，前后鱼鳞裂纹贯通而出现掉块，由于轨道不平顺，增加了轮轨冲击力，加速了裂纹发展，如果钢中有非金属夹杂，更加快裂纹的萌生和发展。

3 钢轨的核伤

核伤是起源于轨头踏面下5--12mm范围内的内部疲劳裂纹，在这范围内是接触剪应力最大的分布区域，如果在这范围内存在氧化物夹杂物，就会形成条状疲劳裂纹。横向疲劳裂纹发展到较大尺寸后，在车轮动荷载作用下又可能发展横向裂纹。

4 钢轨的波磨

波磨是指在钢轨踏面上出现周期性高低不平的波状变形。形成波磨原因很多，一般认为：当车轮行驶在曲线上时，有“摩擦自

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激振动”作用，使一侧车轮产生重复黏着与滑动，在滑动过程中使钢轨表面又塑性变形和磨耗，形成波谷，黏着过程处出现波峰。波谷处接触应力急剧增加，金属塑性流动性变形增大，加剧了波磨发展。

（二） 横向水平力

（1）横向水平力的产生

在轮轨接触点上，除作用着垂直于轨面的竖向力外，还存在车轮轮缘作用于轨头侧面上的横向水平力。产生横向水平力的原因有：

1 机车车辆在直线轨道上运行时，因机车车辆蛇形运动使车轮轮缘时而接触钢轨，时而离开钢轨，由此而产生往复周期性的横向水平力。

2 机车车辆在有方向不平顺的轨道上运行时（方向错乱、接头死弯、道岔上尖轨、辙叉翼轨和护轮轨等处所），因车轮轮缘或车轮内侧面冲击钢轨而引起的横向水平力。

3 机车车辆通过未被平衡外轨超高的曲线轨道时，因离心力与向心力不能相互抵消而引起的横向水平力。

4 机车车辆通过曲线轨道时，因车架或转向架转向，

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使车轮轮缘作用于钢轨侧面上的横向水平力。

（2）横向水平力的大小

分析水平横向力时，因不确定因素很多，理论分析比较复杂。一般在直线地段横向水平力为静轮载的10%-15%左右，在曲线地段一般为静轮载的50%以下，最大可达80%。

（3）横向水平力与钢轨的伤损

钢轨受横向水平力作用时，由于轮轨间的摩擦作用，会造成钢轨的侧面磨耗，并使轨腰受弯矩作用，此外，当不利因素重叠组合时，可能使列车脱轨，严重影响行车安全。其对钢轨伤损主要有：

1 轨头侧磨

轮轨作用时，如果钢轨受横向水平力作用，轮轨的接触点位于圆角附近，车轮滚动时，轮缘与钢轨侧面发生相对滑动，导致轮缘研磨钢轨侧面、使钢轨发生侧磨。

2加重轨腰的伤损

由于钢轨轧制时的材质原因，钢轨热处理遗留的缺陷或使用中由外力冲击造成的裂纹，在横向冲击力作用下，轨腰部承受巨大的弯矩，加速轨腰缺陷的发展，造成轨腰的伤损。

（三）纵向水平力

（1）纵向水平力的产生

在机车车辆作用下和环境条件影响下，轨道上产生纵向水平力，其中主要有：

1 爬行力 轨道爬行主要是因为钢轨在动荷载作用下的波浪挠曲。为防止轨底爬行，通常需要在每股钢轨上安装一定数量的防爬器。这样虽然轨道的爬行能有效的防止，但钢轨内部将无可避免的会出现相当于这个爬行力的纵向水平力。

2 纵向分力

列车运行至坡道地段，由列车重力形成的纵向分力，其值随坡度的大小而定。

3 制动力 行驶列车停车或减速时，因操纵制动闸瓦对车轮施加强大的压力而在轮轨接触点上产生制止列车前行的力称制动力。制动时，钢轨的纵向应力可达9.8MP

4 纵向摩擦力

列车通过曲线轨道时，因转向架转向使车轮踏面作用于钢轨顶面上的摩擦力的纵向分力，其值可用计算方法来求取。

5 温度力

钢轨受阻力约束、不能随轨温变化而自由伸缩，故在钢轨内产生温度力，其值随温差的大小而变化。

（2）纵向(rp是什么意思？rp有人品、角色扮演的意思，也是Rapid Prototyping的缩写，意思是迅速成形迅速成形技能是一种基于失散堆积成形思惟的新式成形技能。)水平力与钢轨的伤损

一般认为纵向水平力对钢轨伤损的影响较竖向力及横向力要小，但在某些情况下，纵向水平力会使钢轨爬行，严重时会造成轨道的变形，影响行车安全。其对钢轨的伤损有：

1 加大钢轨夹板螺栓孔裂纹

形成钢轨夹板螺栓孔裂纹的原因很多，如竖向力、横向水平力的作用，当纵向水平力过大时，加之钻孔质量不良，会形成或扩大夹板螺栓孔的裂纹，造成钢轨伤损。

2 钢轨横向折断

①无缝线路在低温时，钢轨中形成巨大温度应力，如果钢轨的低温性能不良，或钢轨轧制中存在质量缺陷，温度应力及其他纵向水平力叠加组合后形成过大的拉应力，造成钢轨的横向折断。

②无缝线路锁定轨温过高时，在低温季节钢轨承受着巨大的温度拉力，在加之列车的冲击力，加速钢轨的疲劳伤损，易造成钢轨折断。

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