鋼軌波狀磨耗發(fā)展機理概述

1 引言

鋼軌波狀磨耗（以下簡稱“鋼軌波磨”）是指在列車荷載作用下，鋼軌軌面沿縱向形成的波浪狀、間距規(guī)則的高低不平順磨耗現(xiàn)象（圖1）。鋼軌波磨不僅是導致列車在運行過程中產(chǎn)生異常振動和噪聲的原因，也是造成軌道各部件狀態(tài)、性能惡化的重要誘因。解明其發(fā)生和發(fā)展的機理是軌道交通技術(shù)領(lǐng)域的長期課題。日本鐵道綜合技術(shù)研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）一方面通過理論分析和仿真解析從理論上明確鋼軌波磨發(fā)展的原理和機制，另一方面利用在運營線路上測得的鋼軌不平順數(shù)據(jù)驗證上述理論分析和仿真計算結(jié)果。文章將簡述其通過研究解明的鋼軌波磨發(fā)展機理。

圖1 鋼軌波磨示例

2 鋼軌波磨特征

為解明鋼軌波磨的發(fā)展機理，需對運營線路進行精確的鋼軌不平順檢測。為此，鐵道綜研開發(fā)了鋼軌不平順連續(xù)檢測裝置（圖2）。該裝置搭載在人力推車上，由人力推動沿線路移動；其配置了多組非接觸式激光形變傳感器，可實現(xiàn)對鋼軌不平順的連續(xù)精密檢測。

圖2 鋼軌不平順連續(xù)檢測裝置

由線路鋼軌不平順檢測結(jié)果可知，鋼軌波磨的波長為30～3?000?mm不等，既有30?mm左右的短波長磨耗，也有約1?000?mm的長波長磨耗；其振幅（即波谷和波峰之間的高度差）也各異，包括從肉眼不可見的微小不平順到0.5?mm左右的較大形變；而且鋼軌波磨的波長越長，其振幅越大。

鋼軌波磨大多發(fā)生在曲線區(qū)間的內(nèi)側(cè)鋼軌上，也會出現(xiàn)在曲線區(qū)間外側(cè)鋼軌及直線區(qū)間鋼軌上。

3 鋼軌波磨的形成

鋼軌波磨的形成源于鋼軌軌面微小、不規(guī)則的初期不平順形變所導致的輪軌接觸力（此處指軸重）變動。這些初期微小形變的發(fā)展進度會因受到諸多因素（如線路及車輛條件、輪軌接觸力（軸重）等）的影響而不同。小半徑曲線上出現(xiàn)鋼軌波磨的原因通常是輪軌之間的蠕滑加大。

4 鋼軌波磨發(fā)展機理

當一列列車通過時，鋼軌軌面的磨耗量是微不足道的，但在許多列列車通過后，軌面便可能產(chǎn)生周期性的波浪狀磨耗。這意味著，在列車載荷的反復作用下，軌面產(chǎn)生了某種可令其不平順形變加劇的特定波長，這是波磨發(fā)生的基礎(chǔ)。

為理清鋼軌波磨發(fā)展機理，鐵道綜研進行了如下研究。首先，采用可考慮車輛和線路相互作用的動力學理論解析模型，根據(jù)模型設(shè)定，在軌面上設(shè)置一定波長的不平順形變，以研究車輛在該條件下運行所引起的其自身及軌道的振動（圖3），以及輪軌接觸力（輪重）的周期性變化。然后，根據(jù)上述測試結(jié)果，在鋼軌磨耗和輪軌接觸力成比例的假設(shè)下，對比鋼軌不平順形變在車輛通過前后的幅度變化。如果鋼軌不平順形變在車輛通過后加劇，說明在此設(shè)定波長下，波磨會增加；反之，則說明在此設(shè)定波長下，不平順形變會逐步被磨平。

圖3 鋼軌軌面不平順導致軌道和車輛振動示意圖

經(jīng)過對不同軌道線路、車輛、速度條件下的鋼軌不平順形變增長率進行長期研究，鐵道綜研解明了鋼軌波磨發(fā)展的機理，即當列車通過時，鋼軌不平順波谷處的輪軌接觸力大，而波峰處輪軌接觸力小，這必然導致波谷處的磨耗比波峰處更大，從而使軌面的不平順形變加劇（圖4）。此外，易導致鋼軌波磨發(fā)展的波長并不唯一。

圖4 鋼軌波磨發(fā)展機理示意圖

5 鋼軌波磨發(fā)展主要原因

車輛通過時所引起的鋼軌不平順形變幅度越大，不平順形變加劇的速度則越快，這種情況很快會以波磨的顯在形式表現(xiàn)出來。本章將以軌道和車輛的振動特性為出發(fā)點，分析鋼軌波磨發(fā)展的主要原因。

對一個振動系統(tǒng)施加周期性作用力時，作用力的頻率不同，位移量也不同。例如，在對一個由質(zhì)點和彈簧構(gòu)成的振動系統(tǒng)施加頻率1的力時，較小的作用力就可以引起振動系統(tǒng)較大的位移；而在施加頻率2的力時，較大的作用力卻只引起了較小的位移（圖5）。

通過理論模型分析可知，鋼軌不平順形變幅度增大的情況相當于軌道和車輛構(gòu)成了如圖5b所示的振動系統(tǒng)，在相應振動頻率下，其即使承受較大作用力也不易發(fā)生位移；換言之，當鋼軌不平順振幅驅(qū)使軌道和車輛產(chǎn)生振動時，這種較難引起位移的振動頻率會導致輪軌之間產(chǎn)生較大作用力，從而加速不平順形變波谷處的磨耗，導致不平順形變幅度顯著加大。

圖5 振動系統(tǒng)作用力與位移關(guān)系示意圖

6 鋼軌不平順振幅的飽和

鋼軌波磨不會一直無休止地發(fā)展下去。由其發(fā)展過程的數(shù)值模擬分析可知，在鋼軌不平順振幅增加至一個較大的數(shù)值后，其發(fā)展會受到抑制，即呈現(xiàn)明顯的振幅增長飽和傾向。其原因在于，隨著波磨的發(fā)展及不平順振幅的加大，車輪無法始終嚴密地貼合軌面行駛，波磨發(fā)展的條件受限，其發(fā)展被抑制。

7 鋼軌波磨發(fā)展過程

綜上所述，鋼軌波磨會按照如圖6所示的發(fā)展過程往下發(fā)展。在形成期，由于軸重變動等因素影響，鋼軌產(chǎn)生微小、不規(guī)則的不平順形變；在成長期，輪軌間的初期微小不平順激起輪軌間的振動，從而導致不平順加劇，并以波磨的形式顯現(xiàn)出來；進入飽和期后，波磨受其發(fā)展機理的影響而被抑制，達到不平順振幅飽和狀態(tài)。

圖6 鋼軌波磨發(fā)展過程

8 結(jié)語

長久以來，打磨和更換鋼軌是解決鋼軌

波磨問題的常用對策，但是通常在養(yǎng)護后還會產(chǎn)生相同的波磨，這是線路養(yǎng)護的難題。今后，應以鋼軌波磨的發(fā)生機理為出發(fā)點，提出更好的對策方案。