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高速和重载是我国铁路的长期发展方向。随着重载和高速铁路的发展,钢轨的伤损失效问题逐年增多。钢轨疲劳裂纹是其中一种重要的伤损,不仅影响铁路运行的舒适性,而且存在安全隐患。因此,开展钢轨疲劳裂纹扩展特性的研究,有助于正确判断出钢轨探伤检测出的裂纹危险程度,及时做出相应的防护措施,避免安全事故的发生;同时,对于节约轨道养护维修成本,合理使用钢轨和延长钢轨使用寿命等具有重要意义。运用有限元方法,建立三维钢轨模型,采用基于Hertz接触理论的移动荷载模式。分析了群载和单个荷载作用下裂纹扩展特性的差异;研究了在移动群载作用下,钢轨不同位置裂纹的扩展特性,分析了裂纹面角度、裂纹深度、轮轨垂向力、温度应力和轨下支承刚度等因素对钢轨裂纹扩展特性的影响。通过疲劳裂纹的扩展速率试验,拟合了U78CrV钢轨疲劳裂纹的扩展速率参数;对轨头核伤的疲劳扩展寿命进行了预测,并分析了裂纹面角度对疲劳裂纹扩展寿命的影响。本文的主要结论如下:(1)单个车轮荷载和车轮群载作用时,裂纹的扩展特性有明显的区别。在车轮群载作用下,应力强度因子随荷载移动呈周期性变化,更贴近实际。在单个荷载作用下,裂纹的应力强度因子和应力强度因子幅值通常都比车轮群荷载作用下大,采用单个车轮荷载的结果,在实际养护中,会做出偏于保守的措施。(2)轨头内部核伤越接近轨头表面,裂纹扩展形式越复杂,裂纹尖端的应力场越大和扩展速率越快,轨头内部核伤越危险。(3)裂纹面夹角的大小对裂纹的扩展特性影响很大,随着夹角的变化,裂纹的扩展类型通常会发生变化。(4)温度应力的改变,对裂纹的扩展特性有很大的影响,主要影响裂纹的I型张开方向的扩展特性;在降温时,裂纹处于更复杂的扩展状态,裂纹的应力强度因子和扩展速率更大,裂纹处于比较危险的状态;且降温幅度越大,裂纹越危险;而升温时,裂纹应力强度因子较小,扩展速率很慢,几乎不会有大的扩展。(5)U78CrV钢轨疲劳裂纹Paris扩展速率公式的材料参数m和C分别为4.813和1910727.7-?。在相同条件下,应力强度因子幅值较大时,U78CrV钢轨裂纹比U75V钢轨裂纹的扩展速率大。轨头内部核伤裂纹面角度为0°和30°~45°时,其疲劳扩展寿命较低,比较危险。