滚动接触疲劳（RCF）是铁路系统中普遍存在的问题。尽管这是重载铁路线路维护和更换的主要原因，但对于通勤线路和地铁线路，也是一个巨大的经济和安全挑战。滚动接触疲劳是一个全球范围内都在进行深入研究的课题，特别是欧洲，进行了大量的学术研究；澳大利亚、南非和北美也开展了很多实践工作。

RCF诱发的安全问题主要包括：每年导致北美联邦铁路管理局（FRA）约100起出轨事故。最经典的RCF事故是英国的Hatfield列车脱轨事故，事故造成4人死亡，39人受伤，经济影响远超过10亿英镑，铁路局被迫解散，数名铁路官员被控过失杀人。每年，仅就更换钢轨一项支出，滚动接触疲劳给北美铁路行业带来的经济损失就超过3亿美元，检测和脱轨以及轨道和机车车辆损坏的成本进一步加剧了这一数字。在北美每年花费在钢轨打磨上的费用就超过1亿美元，其中至少有30%或更多可以归因于滚动接触疲劳。

本文对列车轮轨上RCF缺陷类型、机制、监测和维护进行了综述，旨在找出差距和最紧迫的研发领域。广泛的交叉引用再加上本报告所列目前参与研发的主要组织清单，将证明这项工作有助于制定未来可行的合作项目，以便消除知识或实践方面的差距。

因果机制：裂纹萌生

在滚动接触领域，理解裂纹萌生的两个突出的模型是：安定极限和Dang-Van准则。它们的执行相对简单，但也有机会更好地描述它们所依赖的材料特性。这包括开发可重复的测试方法，模拟轮轨系统的真实应力状态和短负载持续时间。后者与此相关，因为轮轨接触载荷通常在很短的时间内完成（例如0.5毫秒），并且会促使高应变率（例如1.0 s-1）发生。目前，材料特性测试通常在几乎静态条件下进行。

虽然轮轨接触和车辆-轨道相互作用的详细模型正在开发中，但实际工作条件的输入有时被忽视了。作为一个例子，摩擦和牵引系数的影响得到了很好的理解，但到目前为止，几乎所有的工作都假定简化的牵引-蠕变关系。实验室和现场证据表明，这种关系不同于Kalker关系。在车辆-轨道相互作用（VTI）模型中，需要对摩擦特性进行进一步现场表征和实施。同理，还需要车辆特性、轮轨廓形和材料特性分布。

因果机制：裂纹扩展

滚动接触涉及到一个复杂的多轴应力状态，该应力状态由II型剪切应力和I型压缩应力共同控制。界面中的油脂和水会显著影响应力状态。裂纹面摩擦的减小显著增加了剪切应力对裂纹扩展的影响。被表面张力吸引到裂纹中的水可以被压向裂纹尖端，并产生巨大的拉应力，从而大大加速裂纹的扩展。

在高接触应力下，RCF寿命随着应力的增加而降低，但低于阈值时，RCF寿命接近无穷大。滚动接触疲劳寿命与蠕变比关系十分密切，在蠕变约为0.3%时通常会出现最小寿命。

提高材料强度往往能更好地抵抗裂纹扩展。提高剪切强度（硬度）和断裂韧性的技术包括：尽可能减少夹杂物、确保良好的残余应力，以及合金化（尤其是钼）。

监测技术

据了解，目前的超声波测量系统能够从钢轨表面采集到与RCF严重程度相关的信号。文献检索表明，还未发现将这种技术作为一种评估表面损伤的技术进行过认真研究。

视觉系统提供了识别表面裂纹和支持疲劳管理系统的潜力，但现有仪器的能力有限。通过改进硬件加上适当的解释性算法，可以使这种方法成为现实。

涡流系统可以提供与表面断裂裂纹长度成正比的反馈信号。该测量对现场研究RCF与运行条件之间的关系、轨道的安全监测、维护计划以及钢轨打磨实践都是非常有价值的。需要开展以下工作：a）验证可用测量系统；b）证明现场条件下的可靠性；c）研究几种环境和荷载条件下裂纹深度和裂纹长度之间的关系；d）研究裂纹扩展速率随各种工况因素变化规律。

基于加速度的系统，包括装有仪表的轮对和安装在轴箱上的加速计，能够检测出深层RCF表面缺陷的情况，但还不能支持预防性维护计划。

车轮钢的检查：小的非金属夹杂物通常被认为是一些车轮失效的原因，如破碎和辋裂。目前的统计抽样和分析方法不足以发现随机夹杂物，而当前的检测技术（如超声波）无法发现1毫米（mm）的缺陷，需要改进检测手段。

接触疲劳管理

在可用于管理RCF的工具中，最强大的工具还是开发和采用改进的钢轨钢、优化的轮轨轮廓、摩擦管理和钢轨打磨。

应继续努力开发钢轨钢，最大限度地提高纯净度，减少先共析铁素体。贝氏体钢，尤其是下贝氏体钢，似乎提供了更好的抗RCF性能。越来越纯净的钢材可以不断提高钢轨和车轮的抗亚表面失效能力。

虽然已经很好地理解了轮轨廓形对RCF最小化的重要贡献及其设计技术，但实用的廓形管理方法还未很好地开发出来。虽然也有管理工具，但其分析能力仍然过于简单，对铁路行业的渗透也很差。车轮和钢轨廓形的公差仍有待开发。虽然已经制定了各种适合评估风险和维护要求的轮轨相互作用指数，但仍需做更多的工作来制定改进的标准，并支持行业采用这些标准。

摩擦管理——摩擦管理减少RCF的能力最近已经得到证明，理论是合理的，但实际应用以及经济和安全案例仍然需要对一系列系统进行令人信服的论证。

钢轨磨削是一种公认的去除表面缺陷和仿形钢轨的方法。除了一般的“通用-最佳实践”原则外，最佳钢轨打磨间隔和金属去除量作为特定运行条件（例如轴荷载、冶金、轨道曲率和车辆特性）的函数尚不清楚。将VTI、钢轨缺陷和钢轨磨损数据整合到钢轨磨削决策中仍然是一个有待发展的领域。机电式钢轨磨床测量列车前端的轮廓和裂纹，计算所需的速度和模式，并测量尾部的结果，理论和实践上这仍然是一个挑战。

轨道几何缺陷控制

轨道几何扰动通常与局部RCF簇有关。这些扰动可以通过基于列车加速度的测量来识别，而簇的出现概率很容易采用动力学模型预测。RCF的严重程度不仅取决于轨道几何缺陷的特征，还取决于外形、摩擦条件、货车特性、轨道曲率和列车速度。虽然几何误差的操作限制可以由此确定，以尽量减少疲劳，但从一般意义上来说，因为系统特定的依赖性，铁路行业很难做到这一点。

改进悬架

在英国，人们注意到，随着路网上列车运行速度的增加，主偏航刚度也会增加，以满足改善行驶质量的需要。这反过来通常会损害曲线性能，并增加RCF损坏的严重程度，尤其是在较浅、高超高不足曲线中。然而，有人进一步指出，谨慎的悬架几何设计可以减轻较高的主偏航刚度的不利影响。

在北美，先进（如M976兼容）货车对减少RCF的贡献尚未得到很好的量化，但有一些证据表明，曲线性能的改善导致了更长的车轮寿命，包括在脱壳方面。由于货车设计的目的和测试旨在降低曲线阻力，从而降低应力状态。因此，可以合理地预期，也将降低钢轨的RCF。然而在计算机模型之外，这一点很难量化。

VTI监测系统

机车车辆上的加速计和应变测量部件（包括仪表轮对）已被证明在识别高动态力和破坏力以及不安全条件（如车轮爬升风险增加）方面是有效的。一旦确定了高动力区域，则与局部RCF失效有合理的相关性。在准静态弯曲条件下，较高的力与RCF发展速度增加相关。然而，全面量化高RCF区域不仅需要测量力，还需要测量攻角和纵向蠕变以及接触片的精确位置。这超出了目前车载或轨旁仪器的能力，部分解释了动力学模型广泛应用于解释问题的原因。

参考文献： Eric E. Magel.《Rolling Contact Fatigue：A Comprehensive Review》，2011.