钢轨波磨研究进展

　　摘要：为了解轨道车辆运营中普遍存在的钢轨波磨问题，分析了钢轨波磨的形成机理，阐述了钢轨波磨对车辆轨道系统动力学性能的影响，综述了常见的钢轨波磨检测、监测及抑制方法，并展望了钢轨波磨今后的研究方向。研究结果表明：车辆轨道系统耦合振动、轮轨反馈振动、轮轨自激振动和轮轨接触振动是形成钢轨波磨的主因，车辆轨道结构、线路运营条件、轮轨材料、钢轨型面及车轮踏面轮廓等多方面因素相互耦合作用亦会引起钢轨波磨;重载、高速铁路及地铁钢轨波磨会影响车辆轨道系统动力学性能和车辆与轨道零部件寿命，也会影响扣件、钢轨、轨枕、轨道板(道砟)和轴箱等零部件的振动特性，各零部件的阻尼、刚度等物理参数与运行条件不匹配时也会造成钢轨波磨，列车长时间运行在钢轨波磨路段时会导致车辆轨道结构产生强烈共振，造成严重疲劳损伤，影响行车安全;检测与监测钢轨波磨是研究和发现钢轨波磨的重要辅助手段，抑制钢轨波磨主要通过改善轮轨接触关系、钢轨打磨、提高钢轨表面材料硬度、添加相关摩擦调节剂和轮轨润滑剂、使用钢轨吸振器技术、优化轮轨系统结构以及调整列车运营规定等措施来实现;目前而言，钢轨打磨仍是消除和减轻钢轨波磨最直接、最有效和最经济的措施，应提升并改善钢轨打磨技术。

　　关键词：钢轨波磨;动力学;机理;钢轨打磨;抑制措施

　　引言

　　轨道交通是全世界重要的交通运输方式之一。近年来中国高铁发展迅猛，大规模发展城轨，重载货运也在不断进行技术更新和扩容。钢轨作为轨道系统中的重要部件之一，承载着列车运行时的所有载荷，不良的轮轨表面磨损和接触状态会引起轮轨滚动接触振动，轮对反复碾压之后会产生钢轨病害，导致车辆轨道系统产生强烈的振动和噪声，还会缩短车辆和轨道相关零部件的安全使用寿命，使列车运行安全性、舒适性及稳定性下降[1]，因此，钢轨表面状态的控制对车辆安全和运营舒适性至关重要。

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　　常见的钢轨缺陷主要形式包括钢轨焊合不平、道砟对轨道的印痕、钢轨塌陷(蠕变、黑色斑点)、钢轨表面纵向变形(钢轨波磨)、钢轨横向截面变形以及表面疲劳变形等。列车运行时会对钢轨产生较大振动冲击，当达到一定运营里程时，钢轨表面会形成各种损伤缺陷，而钢轨波磨是最常见的一种钢轨表面损伤形式。钢轨波磨又称为钢轨表面波浪形磨损，是一种钢轨顶部工作面沿纵向呈波浪形的一种不平顺磨损现象[12]。常见有高速铁路钢轨波磨(图所示)、轻轨(地铁)钢轨波磨以及重载钢轨波磨等。

　　对此，金学松等[2]对近40年来钢轨波磨的产生机理和抑制方法进行了较为全面的总结和展望。1889年，世界铁路专家对英国Midlan线上钢轨波磨现象开展研究，但并没有对其形成机理给出合理解释[3]。早期钢轨波磨现象主要出现在有轨电车线路上，列车经过长年累月的运行，钢轨波磨现象愈加严重，甚至会影响列车运行安全，因此，人们意识到钢轨波磨是轨道交通系统中需亟待解决的问题之一。

　　Oostermeijer通过对轨道结构、钢材类型及微观结构等方面的分析，发现钢轨波磨与钢轨垂向振动形式、轮轨接触面瞬态接触力和接触形式、轨道系统模量、轮重荷载以及钢轨残余应力等因素相关。自1895年以来，英国、加拿大、德国、日本、澳大利亚等国家也存在同样的问题，对此，Sato等从钢轨波磨的萌生、分类和抑制等方面进行了较为全面的评述。钢轨波磨是世界铁路技术和理论研究中不可回避的问题，至今仍是世界铁路行业有待进一步解决的重大技术难题之一。

　　随着轨道车辆运行速度的提高和运行环境逐渐复杂化，愈加严重的钢轨波磨问题会影响列车的运行状态。目前在钢轨波磨问题的整治中，一般采用打磨方法去掉钢轨上较轻的波磨，对波磨严重的钢轨采取更换的措施来解决，但在打磨或更换钢轨后3~6个月内，钢轨波磨现象会再次出现。基于该问题的严重性，有必要对钢轨波磨形成机理进行深入探究，以寻找更有效的抑制措施来提高钢轨服役寿命，降低钢轨波磨对轨道车辆运行状态的影响。鉴于此，本文结合众多学者的研究成果，归纳总结钢轨波磨的分类、形成机理及其对车辆轨道系统的动力学性能的影响，并阐述和讨论钢轨波磨的检测、监测及抑制方法，期望对后期钢轨波磨的相关研究提供借鉴参考。

　　钢轨波磨的分类及形成机理钢轨波磨的形成机理主要与车辆轨道的动力学状态相关，在不同环境下钢轨波磨的表现形式也有所不同，因此，钢轨波磨从不同角度有不同分类。通过对钢轨波磨形成机理相关文献统计分析发现，主流上可分为轮轨反馈理论、接触振动理论及自激振动理论等，且大部分学者认为钢轨波磨类型与其形成机理相关，即由钢轨波磨固定波长机理和损伤机理所导致的种钢轨波磨类型。另外，钢轨波磨的形成不仅与车辆轨道参数、钢轨材料特性以及轮轨接触状态有关，还与车轮、轨道结构缺陷和线路特点等因素相关。

　　1.1钢轨波磨的分类

　　Grassie在全频率范围内(50~120Hz)建立了轮轨耦合模型，基于轮轨动力学相互作用关系提出了一种固定波长机理，即由钢轨塑性变形(塑性弯曲和塑性流动等)、轮轨间滚动接触疲劳及磨损提出的波磨损伤机理，另外依据这种机理将钢轨波磨分为类，分别为重载波磨(200~300mm)、轻轨波磨(500~1500mm)、弹性支撑块轻轨波磨(45~60mm)、接触疲劳波磨(150~450mm)、车辙波磨长波磨(50mm(电车)，150~450mm)、响轨波磨短波磨(25~80mm)[1]，如表所示，其中P2力共振为簧下质量在轨道整体刚度上的垂向共振。 钢轨波磨的多样性使得其分类方法不唯一，按波长主要可分为大类，长波磨(波长为100mm以上)、短波磨(波长为25~80mm)，短波磨常发生在重轴高速直线轨道上，是最常见的钢轨波磨类型之一。

　　按磨耗类型分为磨损型波磨、塑流型波磨和混合型波磨;按波磨发生的线路分为重载线路波磨、高速铁路波磨、地铁轻轨线路波磨和厂区矿区线路波磨;按钢轨波磨发生位置分为直线段波磨、曲线段外轨波磨和曲线段内轨波磨。高速铁路线路高速区钢轨波磨波长一般为60~150mm，车站附近低速区钢轨波磨波长一般为60~80mm，波磨平均波深一般在0.10mm以内。钢轨波磨的形成机理按照形成过程大致可分为动力类和非动力类类。

　　动力类观点认为轮轨系统自激、共振和反馈这类因振动而导致钢轨波磨产生，且钢轨表面初始不平顺会引起因轮轨接触振动导致的轮轨间摩擦功波动，但现有动力类成因理论还存在不足之处，如分析单一振动而忽略其他相关振动影响，分析模型不全面且无法研究多种耦合振动工况，难以解释钢轨波磨的多样性;非动力类观点假定轮轨作用力为常数，由于轮轨间材料不均匀引起的不均匀塑性流动或磨损等原因导致钢轨波磨，其形成过程还与钢轨材质和冶炼加工工艺相关，同时该观点认为轮轨间牵引蠕滑曲线的负斜率会引起轮轨黏滑自激振动，导致轮轨间摩擦功波动，从而形成随机波长钢轨波磨。这类观点在不同轨道线路上都有体现，非动力成因理论主要解释短波磨的形成原因，如残余应力、驻波、弹性波及超声波理论，但对照某些实际线路上的钢轨波磨特征，上述种理论也存在局限性。钢轨波磨的波长取决于轮对振动频率和滚动速度，波深和发展速度取决于轮轨接触法向载荷的振动幅值和轮轨纵横向振动幅值(纵横向滑动)。

　　不同线路上的钢轨波磨特点也不同，客货混运铁路由于列车轴重大，所产生的钢轨波磨波长范围一般为200~300mm，且波深较大，所引起的振动频率较低，一般在30Hz左右。地铁线路运营列车轴重较轻，运行速度较低，小半径曲线较多，车站间距较短，列车频繁制动、启动，因此，钢轨波磨波长较短，波长范围一般为30~120mm，且深度较浅，所引起的振动频率较高，一般在200Hz以上。

　　钢轨波磨形成过程伴随着轮轨振动等动力学影响，需要从轮轨振动方面才能更好地解释钢轨波磨成因。钢轨波磨现象一般发生在钢轨接触界面上，是列车和轨道系统相互作用的结果。钢轨波磨的产生和发展因素众多，并且各因素之间的关系相当复杂，每一种可能影响因素都是研究钢轨波磨的出发点，因此，学者们提出了众多解释钢轨波磨产生机理的理论，努力地解释部分钢轨波磨的形成规律，但目前尚未形成一套完整的科学理论体系，可阐明所有钢轨波磨的形成机理和发展规律。

　　1.2反馈振动理论

　　轮轨反馈理论是相关学者依据钢轨波磨的形成发展和整治方法所提出的一种规律性理论。Grassie等认为不宜用钢轨波磨的波长说明其产生机理，因此，可利用表示车辆轨道系统动力学性能的固定波长机理和改变钢轨初始纵向外形的损伤机理理论来说明钢轨波磨的产生原因。

　　当钢轨初始为无波磨状态时，其表面的初始不平顺现象和其他因素(如轮轨接触时的牵引、蠕变和摩擦特性等)会激发出轮轨动力负载(动力负载方向垂直于轮轨接触面)，以迫使钢轨轮廓发生变化，列车通过特定波长钢轨波磨时会剧烈振动，在车轮的不断冲击下进一步损坏钢轨，从而出现由固定波长机理与损坏机理交替循环作用的钢轨波磨现象。在此反馈循环过程中，钢轨轮廓的变化在轮轨系统动力学和轮轨材料特性的共同作用下会加快钢轨波磨的发展。

　　依据反馈理论，李谷等借助轮轨力检测系统研究了轮轨力异常响应特征与轨道状态和轮轨力动态特征变化规律的关系，发现含钢轨波磨的钢轨表面凹凸缺陷会引起大幅轮轨垂向振动冲击力，道岔区钢轨结构和刚度变化也会引起连续轮轨垂向力波动，同时道岔结构变异和钢轨廓形变化会引起大幅轮轨横向激振力波动，以至于车辆构架横向加速度呈周期性波动，从而加速钢轨波磨形成，在此基础上提出了可从能量积累方面评价钢轨病害的观点。该研究从钢轨波磨反馈理论出发，为后续开展钢轨波磨产生机理和轮轨激振力研究提出了新思路。

　　通过对轮轨反馈理论的研究，发现新轨经列车反复碾压会先在牵引、蠕变和摩擦等条件下出现固定波长钢轨波磨，后在受动力负载作用下，钢轨廓形变化会再次导致比初始轮廓更严重的钢轨表面不平顺现象，严重情况下会损坏钢轨。基于上述理论，钢轨波磨的形成是一种正反馈循环调节过程，反馈过程为钢轨存在初始不平顺轮对碾压产生波磨轮轨振动加剧钢轨波磨产生，周而复始导致钢轨磨损状态更加严重，因此，可改变其中一个环节以达到抑制钢轨波磨发展的作用。

　　1.3自激振动理论

　　车辆轨道系统内部非振动能量转换得到的激振力波动会导致轮轨产生自激振动，该振动传递到轮轨之间，进而形成钢轨波磨。在一定条件下，该自激振动取决于轮轨系统固有特性和系统内部结构特性。在列车运行状态下，外部振动与非振动能量会导致内部产生振动，这种自激振动是随外部激励的产生而产生，结束而结束，该理论能较好地解释部分钢轨波磨的形成原因。陈光雄等提出因轮轨间饱和蠕滑力引起的摩擦耦合自激振动理论能够对线路上部分钢轨波磨现象做出合理解释，其基本观点认为，当轮轨间蠕滑力等于法向接触力乘以动摩擦因数时，则会趋近于一个临界点，此时可能会导致轮轨系统发生摩擦自激振动，从而形成钢轨波磨。

　　依据此理论，许多学者做了相关研究，崔晓璐等在短轨枕整体道床小半径曲线段上发现轮对在内轨表面上的垂向振动加速度幅值明显高于外轨，综合采用瞬时动态分析和复特征值分析方法分析了该曲线路段车辆的动态响应和不稳定振动模块，且现场测试和仿真结果一致，由此可通过数值仿真方法预测钢轨波磨的发展;吴杰等利用有限元软件ABAQU建立了轮对与钢轨耦合振动模型，并分析了该模型的自激振动发展趋势，仿真结果表明钢轨在特定频率下会形成钢轨波磨，该研究能有效预测地铁科隆蛋轨枕直线轨道上出现的钢轨波磨情况;张胜等在轮轨系统有限元模型的基础上建立了地铁小半径曲线轨道钢轨波磨预测模型，将车轮与车轴重新进行过盈配合后模拟出轮轨系统主要的不稳定振动频率，发现过盈配合轮对相对于整体轮对而言动力学仿真值更接近真实工况。

　　可用该模型仿真预测地铁小半径曲线钢轨波磨的发展及演化;康熙等对小半径曲线地铁钢轨波磨进行了全尺寸和缩尺相似性对比研究，建立了轮对轨道轨枕三者相互耦合有限元模型，发现可用缩尺模型代替全尺寸模型模拟真实情况且能减少计算量，能降低今后研究钢轨波磨的时间成本。相关研究主要是基于轮轨磨擦蠕滑特性所导致的轮轨自激振动理论建立不同的分析模型，且都能对大部分曲线段钢轨波磨现象进行预测和仿真分析，为后续研究自激振动所导致的钢轨波磨问题提供了新的研究思路。

　　2钢轨波磨对车辆轨道系统的影响

　　钢轨表面周期性磨耗形态变化会导致车辆振动有规律的变化，进而影响车辆轨道系统动力学行为变化，严重情况下会危害行车安全。钢轨波磨会危害车辆轨道系统间的零部件结构性能，反之车辆轨道系统结构性能变化所导致的系统动力学变化也会缩短钢轨波磨形成时间。在不同线路上(高速铁路、地铁(轻轨)、重载、曲线段和直线段等工况)钢轨波磨会对车辆安全性、舒适性和稳定性等方面产生影响，情况严重的钢轨波磨会导致车辆轨道系统零部件变形、脱落甚至断裂。

　　3钢轨波磨检测、监测与抑制措施

　　钢轨波磨会影响列车动力学性能，因此，必须对钢轨表面磨损状态进行检测和监测，以保证列车的行驶安全，从便携式钢轨波磨检测仪到大型钢轨波磨检测、监测和打磨于一体的轨道检修车，对钢轨波磨的检测和监测技术探究从未止步，众多检测、监测波磨试验为发现和抑制钢轨波磨提供了事实依据，依据钢轨波磨不同的形成机理和试验检测出的钢轨波磨数据，可以用不同的钢轨波磨缓减措施加以抑制。

　　4研究展望

　　轨道线路上普遍存在的钢轨波磨是影响车辆轨道系统动力学性能且亟待解决的关键问题之一，钢轨波磨是一种经车轮反复碾压和与车辆轨道固有特性相关的钢轨表面周期性磨损现象，它的形成和发展过程会导致列车舒适性、安全性和稳定性降低。新轮轨接触滚动后逐渐形成钢轨波磨，随着钢轨服役时间的增加，波长波深在某一范围内变化，即使打磨后的钢轨同样会出现这一现象。

　　国内外学者探究了在某些工况下钢轨波磨的形成机理，但至今尚未形成一套比较完整的科学理论体系，现有研究成果对其他工况下的钢轨波磨问题难以解释。图为钢轨波磨研究策略，目前，通常采取对钢轨表面检测和监测的方法提出措施改善钢轨表面特性，进而降低其对车辆运行的影响，但检测和监测设备成本过高，使用不便，不宜量产应用，因此，钢轨波磨的检测设备势必向便捷化、轻量化和智能化方向发展。钢轨波磨的形成机理主要与列车运行工况和轨道车辆系统结构特性密切相关[102](如车辆轨道结构、车辆运营速度、钢轨材质、钢轨扣件等方面)。

　　钢轨波磨的微观形态在空间上是曲面，后期可从空间自由度和轮轨系统动力学角度对蠕滑区间进行探究，另外还可从车轮踏面廓形、钢轨型面以及车轮多边形[103]等角度进一步研究钢轨波磨对车辆轨道耦合系统动力学性能的影响，还需探究车辆轨道系统各物理量(蠕滑力、摩擦因数、轮轨表面硬度及轮轨型面参数等)与钢轨波磨几何特性之间的定性定量关系。此外，轨枕、钢轨、扣件和车辆一系悬挂系统等零部件的刚度和阻尼与列车运行条件不匹配也是钢轨波磨的形成原因之一，因此，还需不断完善车辆轨道系统动力学仿真计算模型，开展多工况下(高速、低速、重载、轻轨、直线、曲线、启动、制动等)轮轨耦合动力学特征研究，以解释钢轨波磨的形成机理。

　　参考文献：References:

　　[1]温泽峰.钢轨波浪形磨损研究[D].成都西南交通大学2006.ENZefeng.Studyonrailcorrugation[D].Chengdu:SouthwestJiaotongUniversity,2006.(inChinese)

　　[2]金学松李霞李伟等铁路钢轨波浪形磨损研究进展[J].西南交通大学学报2016,51(2):264273.JINXuesong,LIXia,LIWei,etal.Reviewofrailcorrugationprogress[J].JournalofSouthwestJiaotongUniversity,2016,51(2):264273.(inChinese)

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　　作者：朱海燕，袁遥，肖乾，黎洁，郑宇轩