高速鐵路鋼軌波浪型磨耗研究及其防治建議

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心,北京 100081)

0 引言

鋼軌波浪型磨耗是指線路在投入運營后，出現(xiàn)在鋼軌接觸表面的類似波浪形的不均勻磨損。鋼軌波浪形磨耗形成之后，列車行駛其上必將激勵起車輛、軌道系統(tǒng)的振動, 而且這種振動是隨著軌道不平順的加劇而加劇的。車輛、軌道系統(tǒng)的劇烈振動不僅引起行李移位，使旅客舒適度降低，而且還會加速動車組車輪和軌道結(jié)構(gòu)的破壞。隨著我國高速鐵路運營里程的增加和車次的增多，鐵路現(xiàn)場鋼軌波磨分布變得更加廣泛，問題日益嚴(yán)重。對已經(jīng)開通的高速鐵路波磨成因等問題進(jìn)行研究，不僅對整治已有高速鐵路出現(xiàn)的波磨問題起到積極作用，而且對新開通和尚未開通的線路，也能起到很好的預(yù)測和防護(hù)作用。

1 波磨的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外很早就開展了鋼軌磨耗的預(yù)測研究，早在1895 年就有人提出鋼軌波浪磨損這一概念，至今已有百年歷史[1]。目前主要形成了基于能量觀點的計算摩擦功的磨耗預(yù)測模型和基于磨耗指數(shù)的磨耗預(yù)測模型，通過在線路上進(jìn)行相關(guān)試驗，對預(yù)測模型計算結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析。德國通過引入波長確定機(jī)理和破壞機(jī)理，對波磨進(jìn)行分類，將波磨分為長波波磨和短波波磨。日本自1986年起為解決新干線上日益嚴(yán)重的波磨現(xiàn)象，利用小波分析對波磨進(jìn)行探測，并通過在模型試驗臺上的試驗，研究采用高性能合金制造鋼軌對減少波磨形成的影響。

在國內(nèi)，譚立成自1980年起對鋼軌波狀磨耗形成和發(fā)展進(jìn)行了初步系統(tǒng)的試驗和理論研究[2]。馬培德等對既有線鋼軌波磨的形成原因做了分析，并給出了減輕鋼軌磨耗的建議[3]。張繼業(yè)等將振動功率譜的研究過程結(jié)合現(xiàn)場出現(xiàn)波浪型磨耗鋼軌的硬度分析結(jié)果，對波磨進(jìn)行研究[4]。劉啟躍等人對高頻作用下鋼軌的波磨進(jìn)行了考察，通過分析軌道垂向動力行為，得到不同振動頻率振動對軌道表面的磨損的影響[5]。金學(xué)松等利用Kalker 三維彈性體非Hertz 滾動接觸理論計算輪軌之間的蠕滑力和摩擦功，進(jìn)行鋼軌表面磨損量的定量分析依據(jù)，對波浪型磨耗進(jìn)行了分析[6]。王小文等對廣深準(zhǔn)高速鐵路鋼軌波狀磨耗特點和發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了現(xiàn)場試驗和分析研究，得出了準(zhǔn)高速客貨共線線路鋼軌波浪型磨耗的一些特點[7]。趙國堂通過分維的量測方法，建立了分維與波磨程度之間的關(guān)系[8]。

世界各國圍繞鋼軌波磨的產(chǎn)生、惡化和整治等方面作了大量研究工作。特別是我國在既有線提速、客貨共線和重載鐵路的鋼軌磨耗方面做了大量的試驗，積累了許多寶貴的數(shù)據(jù)，并依據(jù)現(xiàn)場情況的特點建立相應(yīng)模型對鋼軌波磨進(jìn)行了仿真分析和試驗研究，取得了很多成果。但是對高速鐵路波磨的研究，一方面由于現(xiàn)場試驗的機(jī)會非常少且測試技術(shù)難度高，目前積累的資料非常有限；另一方面，在高速狀態(tài)下，由于垂向加速度、高頻振動等各種因素的影響，輪軌磨耗的產(chǎn)生機(jī)理要比之前的既有線路復(fù)雜得多，波磨的萌生及發(fā)展涉及很多不同影響因素之間非常復(fù)雜的關(guān)系，并且很難確定哪個因素占主導(dǎo)地位，因此高速鐵路的波磨研究進(jìn)展相對緩慢，目前尚未能提出一種被廣泛認(rèn)同的理論來解釋各種波磨現(xiàn)象。本文在研究中，一方面主要借鑒國內(nèi)外已有的研究經(jīng)驗，另一方面通過現(xiàn)場調(diào)研和測試，針對我國高速鐵路車輛和線路的特點，分析鋼軌波浪型磨耗的產(chǎn)生原因和發(fā)展規(guī)律，為高速鐵路鋼軌的波磨預(yù)測和波磨控制兩方面的進(jìn)一步深入研究打下基礎(chǔ)。

2 現(xiàn)有波磨理論分析的局限性

目前世界各國在分析波磨對車輛通過的影響時，主要采用三維彈性體滾動接觸理論來進(jìn)行蠕滑計算并分析車輛的動力學(xué)性能。其中精度最好、使用最多的是荷蘭學(xué)者Kalker創(chuàng)立的三維彈性體非線性滾動接觸理論，但是由于Kalker在分析時做了幾個方面的假設(shè)，其中最重要的一條假設(shè)就是整個滾動過程是穩(wěn)態(tài)的，因此其具有局限性。在穩(wěn)態(tài)滾動接觸的過程中，接觸斑的形狀、大小保持不變，因此蠕滑率、法向力、切向力也保持不變。但如果在滾動過程中，接觸斑的形狀、大小產(chǎn)生較大變化，從而導(dǎo)致蠕滑率、法向力、切向力隨時間變化發(fā)生較大的改變，這種情況就是非穩(wěn)態(tài)滾動接觸。

車輛在低速下通過鋼軌無波磨的區(qū)段，其運行狀態(tài)可以近似地看成穩(wěn)態(tài)滾動接觸過程，非穩(wěn)態(tài)的效應(yīng)較弱。為對穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)進(jìn)行定量的區(qū)分，引入一個評價指標(biāo)，定義L為接觸參數(shù)的波長。為便于分析，先假設(shè)接觸斑的形狀仍為橢圓，只是其大小發(fā)生變化，其較長的半徑(沿縱向方向)為a，定義參數(shù)k為波長比，即k=L/a。

當(dāng)k值較大時，代表車輪運動接近于穩(wěn)態(tài)，即接觸斑和其他參數(shù)變化較慢；當(dāng)k值較小時，代表車輪運動在非穩(wěn)態(tài)，即接觸斑和其他參數(shù)變化較快。

在一般情況下，基于有限元計算結(jié)果，車輪和鋼軌之間接觸的接觸斑縱軸半徑在5～10 mm；基于現(xiàn)場測量和動力學(xué)仿真，車輛直線上進(jìn)行蛇形運動的波長通常在5 m左右；由直線進(jìn)入曲線段的運動波長通常小于5 m。經(jīng)計算，在大多數(shù)情況下，k值基本保持在300以上，可以說車輛是處于穩(wěn)態(tài)的，可以應(yīng)用穩(wěn)態(tài)滾動接觸理論對其進(jìn)行分析和處理。

但是，對于出現(xiàn)波磨的鋼軌而言，其波長基本在150 mm以內(nèi)，在加速和制動段因磨耗較嚴(yán)重而產(chǎn)生的短波波磨波長最短甚至可以在20 mm以內(nèi)。可以看出，此時L和a基本處于同一數(shù)量級，相應(yīng)的k值會下降到小于10的范圍內(nèi)，此時車輛就會處于非常嚴(yán)重的非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，基于穩(wěn)態(tài)假設(shè)的輪軌接觸理論分析方法將不再適用。

因此，目前針對波磨的理論計算及其仿真結(jié)果在一定程度上是和真實結(jié)果存在較大差異的，因此有必要對高速鐵路波磨進(jìn)行深入研究，找出其變化和發(fā)展的規(guī)律，并依據(jù)這些規(guī)律，為逐步建立適用于我國高速鐵路的輪軌非穩(wěn)態(tài)滾動接觸理論打好基礎(chǔ)。

3 我國高速鐵路波磨特點

鋼軌波磨的特征是鋼軌表面出現(xiàn)有規(guī)律性的高低波浪形起伏。依據(jù)波長的特征，鋼軌波磨可分成短波波磨和長波波磨。大多數(shù)短波波磨具有波峰發(fā)亮，波谷發(fā)暗(也有波峰和波谷都發(fā)亮的情況)的特征，波幅為0.1～0.5 mm，波峰之間的間距為3～8 cm。長波波磨大多數(shù)則具有波峰、波谷均發(fā)亮的特征，其波幅多在2 mm以下，波峰間距則在10 cm以上。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，在曲線段和緩和曲線段，長波波磨較為多見；而在直線線路上，分布較廣的是短波波磨。在我國高速鐵路線路上，大部分為長波波磨，且波長具有較大的隨機(jī)性，長的可達(dá)480 mm，短的也有110 mm，波幅小的在1 mm以下，大的可達(dá)3～4 mm。通過現(xiàn)場測試還發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)波磨的鋼軌特點是波狀磨耗從鋼軌不平順處逐漸向鋼軌中部發(fā)展，隨后波及到整個曲線。

通過對鋼軌波磨發(fā)生地段進(jìn)行現(xiàn)場測試和調(diào)查發(fā)現(xiàn)，波磨較為嚴(yán)重的區(qū)段具有以下特征：

(1)波磨多出現(xiàn)在曲線段及緩和曲線段。曲線半徑越小，波磨出現(xiàn)和發(fā)展的速率越快。目前曲線半徑小于7 000 m的線路上多發(fā)現(xiàn)存在有波磨，相對而言，直線地段鋼軌波磨出現(xiàn)時間晚，發(fā)展速率也較慢。

(2)列車制動地段鋼軌的波磨較為嚴(yán)重。列車在牽引、制動、黏著的運行狀況下均會產(chǎn)生波磨。通過比較直線段鋼軌波磨的分布，發(fā)現(xiàn)鋼軌波磨主要取決于列車的運行工況。在距離車站較近的同一區(qū)段，上下行線路波磨分布情況有很大差異，列車制動地段鋼軌的波磨更加容易發(fā)生，波磨惡化程度也更加嚴(yán)重。

圖1為高速鐵路現(xiàn)場波磨的實拍照片，圖1(a)波磨的測量波長為150 mm，最大谷深0.11 mm；圖1(b)波磨的測量波長約為120 mm，最大谷深為0.05 mm。

圖1 高速鐵路鋼軌波磨

4 高速鐵路波磨成因分析

有關(guān)鋼軌波磨的成因，各國鐵路研究工作者曾經(jīng)提出過各種不同的見解。通過現(xiàn)場試驗和理論仿真進(jìn)行研究，這些解釋具有一定的理論依據(jù)，但更多的尚處于推測階段，迄今為止尚沒有一個精確的、為大家所公認(rèn)的對波磨成因的解釋。目前有關(guān)波磨成因的分析研究主要從動力類成因理論和材料型成因兩方面進(jìn)行分析。動力類成因主要從振動方面進(jìn)行研究，即波磨的波長取決于振動特性，是有限個波長的混合，與輪軌系統(tǒng)中某一種或幾種振動形式相關(guān)。材料型成因主要從材料的塑性變形方面去分析波磨的成因。具體在分析時，需要將二者相結(jié)合。

4.1 動力類成因分析

波磨產(chǎn)生的源頭在于鋼軌表面存在不平順，當(dāng)列車高速通過不平順鋼軌時，會產(chǎn)生高頻瞬時沖擊載荷。長期以往，最終會在鋼軌不平順處產(chǎn)生接觸疲勞。伴隨著接觸疲勞的是車輪和鋼軌之間的接觸振動和摩擦振動。

高頻接觸振動產(chǎn)生巨大的垂直力增量，使鋼軌塑變層遭受反復(fù)和快速的錘擊作用，逐漸在鋼軌表面形成明暗相間的波浪形磨耗。當(dāng)有切向力作用的動輪經(jīng)過其上時，瞬間的局部接觸間斷可使動輪積聚起很大的能量，一旦在波浪形的峰部恢復(fù)接觸時，聚合的能量就驟然被釋放出來。

摩擦振動是一種自激振動，其本質(zhì)是能量的積聚和釋放交替進(jìn)行的過程。當(dāng)輪軌間的滑動量達(dá)到一定值之后，由于黏著極限的限制，接觸面間將完全喪失傳遞切向力的能力，此時若不降低車輛牽引動力，則會引發(fā)車輪的空轉(zhuǎn)。動車組的電機(jī)通常具有自動調(diào)節(jié)作用，借助于其控制回路，黏著的破壞會立即伴隨黏著的恢復(fù)。這樣，周而復(fù)始，車輛的運行過程實質(zhì)上是黏著和滑動交替進(jìn)行的過程。這種由摩擦力變化而引起的切向力傳送的延續(xù)和中斷交替的過程即為輪軌之間的張弛振動。顯然，張弛振動是一種不連續(xù)的自激振動，它源于摩擦的能量儲存和釋放。

當(dāng)車輛在高速通過曲線線路時，由于輪對沖角發(fā)生改變，輪軌的縱向剪切力超過輪軌黏著極限，從而使得車輪和鋼軌之間產(chǎn)生縱向滑動，在滑動處隨即產(chǎn)生波谷；而滑動后由于釋放了先前積累的能量，使得輪軌再次處于黏著狀態(tài)，這種現(xiàn)象在某種意義上降低了輪軌的磨耗，從而使得該處形成波峰?？梢哉f，鋼軌表面波浪形的磨耗源于黏滑振動的不斷反復(fù)。

除此之外，當(dāng)因軌面黏著下降而需要降低驅(qū)動功率來恢復(fù)黏著時，也會伴隨有能量的積聚和釋放的過程。因此，鋼軌波狀磨耗是這兩種振動聯(lián)合作用的結(jié)果。

伴隨著高速度的是動車組電機(jī)的高牽引功率。黏著和滑動交替的過程反映了輪軌接觸面之間的交變剪應(yīng)力作用，高牽引會產(chǎn)生過大的剪應(yīng)力，并使車輪和鋼軌材料內(nèi)部的理性流動逐漸移向接觸表面，最終使塑性層在交變應(yīng)力下形成層狀磨耗薄片。因此，當(dāng)最初的黏著和滑動交替形成磨耗后，將在鋼軌表面上產(chǎn)生明暗相間的波浪形，光亮的凹處是疲勞磨耗產(chǎn)生的痕跡，而暗色的凸處則是黏著區(qū)留下的印記。因此，高速鐵路鋼軌上的波磨從近似的觀點看，亮區(qū)的長度反映滑動期持續(xù)時間的積累過程，而暗區(qū)長度是黏著期持續(xù)時間的積累過程?？梢灶A(yù)料，一旦鋼軌上形成初始的波浪狀，則以后的發(fā)展必然朝著擴(kuò)大亮區(qū)而縮小暗處的方向延伸。因為每當(dāng)后繼的車輪經(jīng)過凹處時，伴隨黏著損失出現(xiàn)的總是滑動過程。

4.2 鋼軌材質(zhì)對波磨的影響

在對鋼軌波磨區(qū)進(jìn)行波磨統(tǒng)計分析和系統(tǒng)的測量研究后認(rèn)為，鋼軌的波磨直接與鋼軌的材質(zhì)有關(guān)。通過對各種類型的鋼軌波磨進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)波磨主要跟鋼材的化學(xué)成分、鋼軌的處理和鋼軌的表面狀態(tài)三大因素有關(guān)。

對鋼軌的化學(xué)成分而言， 堿性的轉(zhuǎn)爐鋼比平爐鋼更能引起鋼軌的波磨。堿性的轉(zhuǎn)爐鋼很容易就能引起鋼軌的磨耗；而錳含量較高、碳含量較低的堿性轉(zhuǎn)爐鋼和錳含量一般的平爐鋼鋼軌的磨耗程度中等；含錳量很高的平爐鋼鋼軌的磨耗程度最輕。

對鋼軌的處理而言，經(jīng)過高溫釋放內(nèi)應(yīng)力處理的鋼軌能有效延緩波磨的擴(kuò)展，并且推遲了鋼軌出現(xiàn)波磨的時間。

對鋼軌的表面狀態(tài)而言，在滾筒式校直機(jī)上對鋼軌進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)校直，在較短的時間內(nèi)就會出現(xiàn)磨耗，這是因為鋼軌在校直過程中會使鋼軌體內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力增大；在一定的壓力機(jī)上對鋼軌進(jìn)行適量的校直，則對鋼軌波磨的影響程度較輕。

在高速鐵路線路上，提高軌道彈性和道床阻尼值有助于減小因軌道不平順引起的輪軌附加動力作用，可以延緩波磨的形成和發(fā)展。撓曲剛度較大的鋼軌會加速鋼軌的波磨，對鋼軌波磨起到不利的影響。

5 高速鐵路波磨的預(yù)防和減緩措施

預(yù)防波磨的關(guān)鍵，一是減少軌道不平順；二是消除曲線地段輪對的黏滑振動；三是抑制由黏滑振動引起的鋼軌不均勻磨損的累加效應(yīng)；四是對鋼軌材質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。切實可行的減緩波磨的措施必須既易于操作、經(jīng)濟(jì)合理，又能兼顧到其他軌道病害，這是考慮減緩波磨措施最基本的兩個出發(fā)點。以下幾點是具體可行的減緩波磨的措施。

(1)盡可能的消除軌道不平順，抑制波磨的產(chǎn)生源頭。

(2)通過加大軌道彈性有效地減小輪對黏滑振動發(fā)生機(jī)率，降低波磨的發(fā)展速率。

(3)對鋼軌進(jìn)行打磨。波磨出現(xiàn)后，會反過來激化和加劇輪對黏滑振動，促進(jìn)波磨進(jìn)一步發(fā)展，波深越大則波磨發(fā)展越快，構(gòu)成惡性循環(huán)。鋼軌打磨中斷了這種惡性循環(huán)的發(fā)展過程，減緩了波磨發(fā)展速率。

(4)提高鋼軌材質(zhì)強(qiáng)度及耐磨性能。波磨的形成和發(fā)展表現(xiàn)為鋼軌不均勻磨損或不均勻塑性變形的逐步累積。鋼軌耐磨性能的提高，能夠減緩軌頭磨損和塑性變形，從而延緩波磨的形成與發(fā)展。

6 結(jié)語

針對高速鐵路鋼軌波磨的自身特點，指出了現(xiàn)有波磨理論的局限性，結(jié)合國內(nèi)高速鐵路現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，提出波磨主要源自車輪和鋼軌在軌道不平順處產(chǎn)生的高頻接觸振動和黏滑振動的共同作用，預(yù)防和減緩波磨應(yīng)從消除軌道不平順和抑制振動方面入手。此外，鋼軌的材質(zhì)也會影響波磨的形成和發(fā)展。以上分析為治理高速鐵路鋼軌波磨提供了理論依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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