列车车轮的滚动接触疲劳损伤一直是轨道交通的基础研究问题,车轮踏面剥离和辋裂是疲劳损伤的主要形式,其危害性大,难以预防,是研究轮轨损伤问题的重点。本文结合我国对轨道交通轮轨系统金属材料服役安全性的要求,采用试验和仿真相结合的方法,开展了滚动接触载荷下车轮疲劳裂纹萌生及扩展的研究。首先对疲劳损伤失效的车轮进行断口观察和材料性能检测,研究了其失效机理。车轮发生剥离和辋裂的断口形貌具有明显的疲劳特征,裂纹处微观结构发生明显变化。通过超声波疲劳试验机对ER8车轮钢进行超高周疲劳试验,得到材料的超高周疲劳性能,对比车轮接触疲劳损伤和超高周疲劳试样断口形貌和微观结构,进一步分析了车轮疲劳失效机理。车轮辋裂和剥离疲劳损伤失效案例分析表明,车轮发生剥离和辋裂时的服役里程通常在20～120万公里之间,循环次数超过了 107属于超高周疲劳范畴,剥离裂纹的萌生区通常在距踏面10 mm深度以内,辋裂的裂纹萌生区基本在距踏面10～25 mm深度之间。利用ABAQUS软件建立的三维轮轨弹塑性滚动接触有限元模型分析了轮轨接触应力以及车轮亚表层脆性夹杂物和空穴缺陷对接触应力的影响。轮轨接触有限元应力仿真结果表明车轮的最大滚动接触应力在车轮浅表层,当车轮亚表层存在脆性夹杂物和空穴缺陷时都会产生应力集中现象,但应力集中位置不同,当脆性夹杂物与空穴缺陷尺寸增加和靠近轮轨接触点时都会导致应力集中值增大。通过计算结果和疲劳损伤失效试验分析结果进一步阐述了车轮剥离和辋裂裂纹的萌生机理。在有限元模型基础上利用FRANC3D软件基于超高周疲劳和断裂力学理论以及结合车轮疲劳损伤失效分析结果建立了三维裂纹扩展模型,分析了车轮滚动接触疲劳裂纹扩展机理以及初始裂纹尺寸、位置和形状对疲劳裂纹寿命的影响。通过裂纹扩展计算结果可知,车轮在滚动触载荷下的疲劳裂纹以Ⅱ型裂纹扩展为主,裂纹初始扩展时期的寿命占据裂纹扩展寿命的主要阶段,初始裂纹的尺寸对疲劳裂纹扩展寿命的影响极大。此外,初始裂纹的位置分布和裂纹面的表面积也是影响疲劳裂纹扩展寿命的重要因素。