轮轨磨耗及剥离问题会导致其服役寿命严重降低,随着铁路的高速重载化发展,轮轨磨耗及剥离所造成的破坏变得越来越严重,不仅大大增加了铁路的运营成本,而且会直接危害行车安全,因此针对轮轨磨耗及剥离开展深入研究具有重要的意义,针对某些具体轮轨损伤的研究方法,对于全面深入地分析其他种类损伤具有借鉴意义。本文采用数值计算与试验相结合的方法,对标准及磨耗后轮轨型面接触性能进行了计算分析,为了探讨多种第三介质对于轮轨接触性能的影响作用,进行了相关的试验研究;利用轮轨接触试验台针对机车车轮踏面剥离问题开展了试验研究,分析剥离的形成机理,并针对现场车轮剥离问题提出了改进方案,随后对执行相应改进措施后的车轮服役性能进行了跟踪测试,验证了研究结论的正确性。本文的主要研究内容和成果包括:(1)对现场轮轨型面进行实测,获得标准及磨耗后轮轨型面,应用有限元参数二次规划法建立三维轮轨弹塑性接触计算模型,对轮轨接触问题进行模拟计算,对比分析了标准及磨耗后轮轨型面接触性能随轴重及车轮横移量的变化规律。搭建了轮轨接触试验台,并于现场真实车轮及钢轨切取轮轨试件,进行多工况轮轨接触试验。试验与数值计算取得了一致的结果,磨耗后轮轨型面接触所得接触斑面积较标准型面更大,车轮接触应力及变形量更小。(2)针对水、油、砂等介质,进行了存在第三介质情况下的轮轨接触试验,分析了各种第三介质对于轮轨最大静摩擦系数及踏面损伤的影响规律。试验发现:相比于轮轨表面干燥清洁的情况,在接触面内存在水和油的情况下,轮轨最大静摩擦系数有很大的降低;在干燥、潮湿和有油的情况下,撒砂均可以显著提高轮轨最大静摩擦系数;河砂的增粘效果优于石英砂,但其造成的车轮踏面擦伤程度也远高于石英砂。(3)采用取样于现场的车轮及砂作为样本,进行撒砂试验,分析车轮硬度及增粘砂对于踏面剥离的影响规律。分析试验结果得出,石英砂不会造成车轮踏面形成麻点和鱼鳞状剥离;采用某些种类河砂作为增粘介质会导致车轮踏面出现麻点和剥离现象;对比分析各种增粘砂的属性及参数后得出,砂受碾压后的形态是主导因素,砂的摩擦系数、外形尺寸及粒度均匀性对于麻点有重要影响,砂粒硬度与车轮麻点状损伤程度之间的关系不明显;车轮表面硬度越低,麻点状损伤深度越大。(4)在试验台上再现了车轮踏面麻点及鱼鳞状裂纹,对出现裂纹的试件进行了微观组织分析,发现裂纹周边区域存在严重的塑性变形,裂纹根部组织存在褶皱现象,裂纹由褶皱组织周围形核扩展而成,得出车轮踏面的剥离机理如下,由于河砂受碾压后形态不良,于轮轨间存在厚度可观的砂饼,导致车轮表面发生严重的塑性变形,进而出现麻点状损伤;河砂反复作用后,车轮表层材料发生塑性变形累积效应,最终形成鱼鳞状剥离。即,河砂是导致车轮踏面出现麻点和鱼鳞状剥离的主要原因。(5)对现场机车车轮踏面剥离问题进行了调研测试,发现现场情况与试验所得结果高度吻合,根据研究结果提出了采用石英砂增粘的方案,运用部门据此更换了增粘砂,随后对车轮服役性能进行了跟踪测试,发现剥离问题得到了根本解决,验证了本文研究结论的正确性和工程实用性。