摘 要：随着我国重载铁路的快速发展，轮轨磨损变得越来越严重，已成为影响铁路运输安全的重要因素。研究根据赫兹接触理论使用JD-1型轮轨模拟试验机针对淬火和热轧的PD3钢轨试样进行了模拟实验研究和微观形貌分析，为重载铁路的钢轨选择提供依据。结果表明：淬火钢轨硬度高，磨损表面损伤轻微，抗磨损性能越好；热轧钢轨硬度略低，磨损比较严重。所以，淬火钢轨更适合重载铁路使用。
关键词：钢轨 硬度 磨损
中图分类号：TG142文献标识码：A文章编号：1674-098X（2013）04（c）-0007-02
客运高速化和货运重载化是铁路发展的一个重要趋势。全世界已建成时速200 km以上的高速铁路总计达5640 km投入商业运营，而大秦线车辆轴重多数已经达到25t[1]。列车运行时，轮轨接触斑面积极小，但却要承受着几十吨交变载荷，而且轮轨接触时，转动和滑动又会产生的较大的摩擦力，从而使得钢轨在服役中容易产生一系列损伤[2]。
轮轨滚动接触问题十分复杂，涉及多个学科的理论及知识，如轮轨材料、热处理方式、滚动接触力学、摩擦学、等等[3-4]。其中钢轨材质问题一直受到各国铁路部门的高度重视。目前采取了各种方法与措施来提高钢轨性能，如发展轮轨新材料，优化轮轨型面匹配，以减少轮轨接触应力和改善轨道与车辆结构性能来减少轮轨之间的动力作用等[5]。本研究主要针对目前最常用的PD3钢轨的热处理方式进行分析。
1 磨损试验
试验在JD-1型轮轨模拟试验机上进行，该试验机可模拟车轮作用于钢轨的各种工况[6]，为了让实验室条件下轮轨间的相互作用过程与实际相似，试验按照赫兹接触理论，使模拟轮轨平均接触应力和接触区椭圆的长短半轴之比与现场中的相同。小轮试样均取自钢轨轨头，小轮直径为62 mm，大轮直径为1153 mm。模拟大轮材料的含碳量为0.62%～0.77%。模拟车速160 km/h；模拟大轮循环次数106；模拟轴重25t；摩擦系数0.2；所有滚动试验均在干态下进行。模拟小轮材料分别是PD3淬火、PD3热轧钢轨材料，材料成分如表1所示。
2 硬度分析
为了进一步研究两种材料试样加工硬化的情况，在切面纵向上每间隔0.5mm取一个测试点，共取12个测试点，测试三次，数据取平均值后分析。图1是不同材料钢轨切面由钢轨心部到磨损表面的硬度曲线图。
图1中两种材料钢轨磨面都产生了明显的加工硬化，并且越靠近磨面硬度值增加越快。钢轨心部硬度由材料本身决定，PD3淬火钢轨试样硬度较大，PD3热轧钢轨试样的硬度较小。随着靠近磨损表面，每个样品的硬度都有所增加。
3 表面形貌分析
为了进一步分析，这里用光学显微镜对钢轨试样的磨痕全貌进行对比。图2是本试验方案模拟试样全部横向磨痕全貌。
从图2中可以看出，PD3淬火钢轨试样表面较为光滑，磨痕相对浅且小；PD3热轧钢轨的试样磨损程度要严重很多，试样表面的磨痕深且大。这表明随着钢轨材料硬度的减小，磨痕深度变深，表面磨损逐渐加剧。
3 结语
（1）淬火钢轨硬度明显高于热轧钢轨，有较好的抗磨损性能，实验后两种材料表面硬度都有所增加，形成表面硬化层。
（2）PD3淬火钢轨表面比较平滑，磨损较轻微；PD3热轧钢轨表面磨痕较深，磨损严重。
参考文献
[1]金学松，温泽峰，张卫华，等.世界铁路发展状况及其关键力学问题[J].工程力学.2004，21（5）：901-104.
[2]周清跃，张建峰，郭战伟，等.重载铁路钢轨的伤损及预防对策研究[J].中国铁道科学，2010，31（1）：27-31.
[3]Stock R， Pippan R. RCF and wear in theory and practice-The influence of rail grade on wear and RCF[J].Wear，2010，271（1/2）： 125-133.
[4]胡家杰.弯矩作用下钢轨疲劳试验研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2008.
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