鐵路鋼軌波浪形磨損研究進(jìn)展

金學(xué)松, 李 霞, 李 偉, 溫澤峰

(1. 西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031; 2. 大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 遼寧 大連 116028)

鐵路鋼軌波浪形磨損研究進(jìn)展

金學(xué)松1, 李 霞2, 李 偉1, 溫澤峰1

(1. 西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031; 2. 大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 遼寧 大連 116028)

鐵路鋼軌波浪形磨損會(huì)導(dǎo)致鐵路車輛和軌道強(qiáng)烈的振動(dòng)、噪聲，影響車輛的運(yùn)行品質(zhì)和旅客乘坐舒適度，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致列車脫軌事故的發(fā)生.簡(jiǎn)要介紹了全世界鐵路鋼軌波磨的分布情況和基本特征，介紹了我國(guó)重載鐵路、高速鐵路、地鐵和城市軌道鋼軌波磨特征和對(duì)應(yīng)的線路結(jié)構(gòu)特征.回顧了世界鋼軌波磨研究的發(fā)展歷史，重點(diǎn)評(píng)述了近40年來鋼軌波磨成因理論的研究現(xiàn)狀，討論了已有理論存在的問題和根治鋼軌波磨的措施，介紹了我國(guó)目前在治理鋼軌波磨方面所采取的對(duì)策，并對(duì)該領(lǐng)域今后的研究方向進(jìn)行了展望.

鋼軌波磨;成因;自激振動(dòng);反饋振動(dòng)

鋼軌波浪形磨損,簡(jiǎn)稱波磨,是由于鋼軌在投入使用后,隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加,會(huì)逐漸在鋼軌頂部沿其縱向出現(xiàn)一種規(guī)律性的類似波浪形狀的周期性不平順磨損現(xiàn)象[1],是輪軌系統(tǒng)普遍存在的一種損傷形式.在各不同鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中均有出現(xiàn),如重載鐵路、高速鐵路、地鐵和輕軌線路等,如圖1所示.

自1895年首次發(fā)現(xiàn)鋼軌波磨問題以來,人們對(duì)波磨的觀察與研究已經(jīng)有100多年歷史.20世紀(jì)70年代之前,英國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、荷蘭、澳大利亞、加拿大等國(guó)家鐵路上鋼軌波磨是一個(gè)普遍的問題,其中,1950年德國(guó)調(diào)查了4 000 km線路,46%的鋼軌都出現(xiàn)了波磨;美國(guó)鐵路的調(diào)查結(jié)果顯示,至少30%的鋼軌出現(xiàn)了中度或嚴(yán)重的波磨現(xiàn)象;日本1958年公布了對(duì)22 000 km線路的調(diào)查結(jié)果,有800處出現(xiàn)了波磨[2-3].

(a)某重載線路波磨(b)地鐵線路波磨(c)某高速線路波磨(d)某輕軌線路波磨圖1 鐵路線路波磨情況Fig.1 Corrugationinrailwaylines

我國(guó)鐵路上鋼軌波磨問題也十分突出.在重載鐵路上,鋼軌波磨主要發(fā)生在曲線地段,波長(zhǎng)100～600 mm[4].小半徑曲線的內(nèi)外鋼軌軌頭波磨都十分嚴(yán)重,如圖1(a)所示，而直線段上鋼軌波磨現(xiàn)象輕微.在我國(guó)城市軌道交通中,鋼軌波磨日益嚴(yán)重,有些路段甚至泛濫成災(zāi),在直線段和小半徑曲線區(qū)段上皆有發(fā)生,如圖1(b)所示.這主要跟我國(guó)城市地鐵線路建設(shè)廣泛采用減振扣件有密切關(guān)系,扣件支撐剛度較小,其彈性好,在新線使用初期其隔振能力好.但是,當(dāng)車輪滾過鋼軌上方時(shí),鋼軌相對(duì)軌枕或軌道板的穩(wěn)定性差,鋼軌連同輪對(duì)一起易發(fā)生共振而誘發(fā)波磨,隨著波磨深度的增加,輪軌沖擊能量急劇增加,“軟”彈性支撐的扣件能暫時(shí)隔離輪軌沖擊,以減少傳遞到軌枕或軌道板上的能量,車輛輪對(duì)上部又是鋼彈簧隔振作用,所以,輪軌高頻沖擊能量不易被消耗而破壞或傷損輪軌接觸面材料,以致波磨和其它疲勞形式迅速發(fā)展.

我國(guó)高速鐵路鋼軌波磨現(xiàn)象輕微，在某些新線建成剛剛投入使用時(shí),要對(duì)鋼軌進(jìn)行輕微打磨消除軌頭表面脫碳層,打磨列車磨頭單元的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輕微的初始波磨產(chǎn)生,如圖1(c)所示.如果波長(zhǎng)的通過頻率接近軌道某個(gè)易激發(fā)的共振頻率,此初始波磨會(huì)發(fā)展;否則,在車輪反復(fù)碾壓下,很快消失.有的區(qū)段鋼軌初始波磨隨著鋼軌工作硬化的加強(qiáng)和輪軌作用,一段時(shí)期后也逐漸消失.關(guān)于高速鐵路上的波磨問題,由于吸取了早期鐵路的經(jīng)驗(yàn),采取預(yù)防性和修復(fù)性打磨等多種措施,得到有效地控制.城市輕軌也出現(xiàn)不同程度的波磨,如圖1(d)所示,這是因?yàn)樵摼€路運(yùn)營(yíng)多年維修不當(dāng),線路嚴(yán)重不平順狀和鋼軌約束狀態(tài)惡化所致.

鋼軌波磨的多樣性使得其分類方法不唯一.按波長(zhǎng)區(qū)分,有短波長(zhǎng)波磨(波長(zhǎng)25～80 mm)和長(zhǎng)波長(zhǎng)波磨(波長(zhǎng)在100 mm以上)兩大類;按磨耗類型區(qū)分,有磨損型波磨、塑流型波磨和混合型波磨[4-5];按發(fā)生在不同線路等級(jí)區(qū)分,有重載貨運(yùn)波磨、高速客運(yùn)波磨和地鐵輕軌波磨等;按發(fā)生位置區(qū)分,有直線波磨、曲線外軌波磨和曲線內(nèi)軌波磨;按固定波長(zhǎng)機(jī)理和損傷機(jī)理區(qū)分,有重載波磨、輕軌波磨、與軌道形式相關(guān)的波磨、P2力共振引起的波磨、車轍型波磨和響軌波磨六類[6-7].

鋼軌波磨是鐵路系統(tǒng)尚未解決的技術(shù)難題,它的出現(xiàn)不僅會(huì)引起車輛軌道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈振動(dòng),降低旅客乘坐舒適性,同時(shí)還會(huì)加強(qiáng)輪軌滾動(dòng)噪音,帶來惱人的噪音問題等;波磨的不斷發(fā)展,不僅會(huì)縮短車輛軌道各零部件的使用壽命,甚至有可能帶來嚴(yán)重的行車事故.輕度的鋼軌波磨可以通過打磨來控制,嚴(yán)重的波磨則只能通過更換新軌來保證車輛動(dòng)力學(xué)性能和行車安全,這些控制方式無(wú)疑會(huì)大大增加鐵路養(yǎng)護(hù)維修工作量和費(fèi)用.

隨著新型車輛和軌道形式的不斷引入,以及列車速度、軸重等的不斷突破,鋼軌波磨的表現(xiàn)形式越來越多樣化,其形成機(jī)理愈加復(fù)雜,在這種情況下,對(duì)鋼軌波磨進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)和理解就顯得更加重要.

本文首先簡(jiǎn)要概述鋼軌波磨的研究歷史,然后對(duì)波磨成因理論進(jìn)行重點(diǎn)評(píng)述,最后論述該領(lǐng)域今后的研究方向和思路.

1 波磨研究歷史簡(jiǎn)要回顧

人們對(duì)波磨的調(diào)查與研究可以追溯到20世紀(jì)早期.當(dāng)時(shí),波磨主要出現(xiàn)在有軌電車線路,20世紀(jì)50年代,波磨的危害逐漸突顯,人們認(rèn)識(shí)到波磨是鐵路系統(tǒng)面臨的一個(gè)普遍問題,并且波磨在各個(gè)鐵路系統(tǒng)的表現(xiàn)形式還存在較大差異[2,8].20世紀(jì)60年代,人們開始關(guān)注這個(gè)問題.20世紀(jì)70年代以來,隨著鐵路運(yùn)量增大,以及電氣化線路等新技術(shù)的實(shí)施,波磨問題更加突出,以前未曾發(fā)生波磨的線路,波磨發(fā)生率劇增.因此,世界各國(guó)鐵路相關(guān)部門和科研工作者們展開了大量的理論研究和試驗(yàn)研究,并提出了一些重要的波磨理論和相關(guān)的治理措施.不同時(shí)期,波磨的突出表現(xiàn)形式不同,人們的研究重點(diǎn)也存在差異.20世紀(jì)60～90年代期間,重載線路的長(zhǎng)波長(zhǎng)波磨成為研究熱點(diǎn)[9].短波長(zhǎng)波磨則是在20世紀(jì)80年代以后才引起了人們的重視.

過去一百多年的研究歷史中,人們借助于理論模型、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)波磨展開了大量研究,其中理論研究和室內(nèi)試驗(yàn)研究占主導(dǎo).這些研究中,學(xué)者們提出了多種可能成因用于解釋波磨的形成機(jī)理.目前,最為大家所認(rèn)可的就是固定波長(zhǎng)機(jī)理和損傷機(jī)理[6-7],如圖2所示,它反映了車輛軌道瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)、輪軌滾動(dòng)接觸力學(xué)和輪軌材料損傷之間的反饋循環(huán)過程.隨著基礎(chǔ)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步,波磨理論分析模型和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫搅撕艽蟮耐七M(jìn),如從簡(jiǎn)單的頻域線性分析模型[10-15]到復(fù)雜的時(shí)域非線性分析模型[16-22];從僅考慮單個(gè)車輪和鋼軌垂向振動(dòng)的兩自由度模型[23]到考慮輪對(duì)與軌道垂橫向作用的多自由度模型[11,13,24-27],再到考慮半車與軌道垂橫向作用模型[1,17,28-29],以及考慮整車車輛與軌道相互作用的多自由度模型[30-32].室內(nèi)試驗(yàn)研究模型則從小比例模型[23,33-35]逐步發(fā)展到1∶1試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚36-38].

圖2 波磨形成及發(fā)展示意Fig.2 Schematic of a general rail corrugation formation and development

對(duì)于已有的這些研究成果,部分學(xué)者對(duì)其做了總結(jié)與概述,如Grassie等[6-7]將波磨按固定波長(zhǎng)機(jī)理和損傷機(jī)理(磨耗、塑性流動(dòng)等)分類,并對(duì)各種波磨的成因及預(yù)防措施,以及以后的研究方向等進(jìn)行了詳細(xì)地論述.此外,Ahlbek和Daniels[9]、Sato[3]、Nilsen[39]和Oostermeijer[2]等分別對(duì)不同時(shí)期鋼軌波磨的研究情況進(jìn)行了較為詳盡的綜述.

目前,對(duì)于波磨的研究主要分為兩個(gè)方面,一方面是研究波磨成因和形成機(jī)理,另一方面是研究波磨對(duì)車輛軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)和環(huán)境噪音等的影響.本文主要對(duì)前者進(jìn)行探討.由于這方面的研究文獻(xiàn)眾多,本文只能有選擇地進(jìn)行評(píng)述.

2 波磨成因研究

波磨的萌生及發(fā)展發(fā)生在輪軌接觸界面,它是機(jī)車車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)相互作用的結(jié)果,它的發(fā)生發(fā)展涉及了很多因素,且各因素間關(guān)系復(fù)雜,凡是可能的因素都成為了人們研究的出發(fā)點(diǎn)，因此形成了多種解釋波磨成因的理論.劉學(xué)毅將波磨成因歸納為動(dòng)力類成因理論和非動(dòng)力類成因理論兩類[5],動(dòng)力類成因認(rèn)為輪軌系統(tǒng)的振動(dòng)導(dǎo)致波磨的出現(xiàn),引起波磨的振動(dòng)可分為自激、共振和反饋振動(dòng)三類;而非動(dòng)力類成因認(rèn)為,即使輪軌作用力為常值,也會(huì)因?yàn)椴痪鶆蛩苄粤鲃?dòng)或磨損等原因形成波磨,各類成因具體的分類見表1[5].

Grassie結(jié)合已有文獻(xiàn)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),將波磨按照其成因(固定波長(zhǎng)機(jī)理和損傷機(jī)理)分為響軌波磨、車轍型波磨、P2力共振波磨、重載波磨、輕軌波磨和軌道形式波磨六類,見表2,他指出,所有類型的鋼軌波磨問題本質(zhì)上就是常頻率現(xiàn)象[7].

通過對(duì)歷年波磨研究資料的分析,筆者將波磨成因理論歸為以下幾種理論:自激振動(dòng)理論、反饋振動(dòng)理論和其他理論.自激振動(dòng)理論和反饋振動(dòng)理論的主要差別在于對(duì)波磨成因及其發(fā)展的解釋不同,前者認(rèn)為波磨的發(fā)生及其發(fā)展主要與系統(tǒng)固有特性相關(guān)(主要是軌道動(dòng)態(tài)特性),與后續(xù)波磨的發(fā)展程度關(guān)系不大;后者則認(rèn)為波磨是由初始不平順發(fā)展而來,隨著波磨程度的增加,波磨發(fā)展速率會(huì)改變,是一個(gè)循環(huán)過程.下面將對(duì)這兩種理論加以詳述.

2.1 自激振動(dòng)理論

持此觀點(diǎn)的人認(rèn)為在一定條件下由于輪軌系統(tǒng)的固有特性使輪軌間產(chǎn)生自激振動(dòng),從而引起波磨的發(fā)生,也就是說系統(tǒng)內(nèi)部的非振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為振動(dòng)的激振力而產(chǎn)生的振動(dòng),它是由振動(dòng)體自身結(jié)構(gòu)條件而產(chǎn)生,且取決于振動(dòng)體本身的振動(dòng).這種激振力是由外部供給的非振動(dòng)的或振動(dòng)的能量而產(chǎn)生的,振動(dòng)體停止振動(dòng),自激振動(dòng)也就終止了.

表1 波磨成因理論分類Tab.1 Classification of corrugation formation mechanisms

表2 按固定波長(zhǎng)機(jī)理和損傷機(jī)理分類波磨類型Tab.2 Types of Corrugation grouped according to wavelength-fixing mechanism and damage mechanism

2.1.1 Suda等的自激振動(dòng)理論[3,23,36]

Suda等經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)跟蹤調(diào)查和試驗(yàn)研究,認(rèn)為波磨有發(fā)生、發(fā)展和穩(wěn)定3個(gè)階段.在通過曲線地段時(shí),由于轉(zhuǎn)向架的主動(dòng)輪對(duì)和從動(dòng)輪對(duì)的轉(zhuǎn)向性能不一致,從而引起輪對(duì)的橫向滑動(dòng),導(dǎo)致了較大的沖角,產(chǎn)生了縱向和橫向蠕滑,最終導(dǎo)致了周期性的粘滑振動(dòng).由于線路、機(jī)車車輛構(gòu)造與狀態(tài)引起的激擾力使機(jī)車車輛與軌道系統(tǒng)發(fā)生復(fù)雜振動(dòng),它將導(dǎo)致車輪荷載沿鋼軌縱向發(fā)生波動(dòng),輪載荷波動(dòng)峰值一旦超出了鋼軌材料的承載極限,則會(huì)在軌面留下周期性的塑性變形壓痕,即初始波磨.同時(shí)認(rèn)為波磨的發(fā)展與輪軌系統(tǒng)垂向振動(dòng)的固有頻率相關(guān),只有當(dāng)既有波磨的激振頻率小于系統(tǒng)的共振頻率時(shí)波磨才會(huì)發(fā)展,反之不行.

2.1.2 摩擦自激振動(dòng)理論

譚立成等認(rèn)為車輛的簧下質(zhì)量在軌道上的共振是最一般的固定波長(zhǎng)機(jī)理[40-41].它使輪軌系統(tǒng)產(chǎn)生垂向、橫向振動(dòng)以及扭轉(zhuǎn)和彎曲振動(dòng)等,計(jì)算表明在一定條件下,由于振動(dòng)的自激及交叉激擾,輪軌系統(tǒng)垂向振動(dòng)、輪對(duì)彎曲振動(dòng)、輪對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)3種振動(dòng)形式構(gòu)成一個(gè)循環(huán)自激振動(dòng)系統(tǒng),輪對(duì)在鋼軌上的摩擦自激振動(dòng)在曲線上表現(xiàn)為粘著滑動(dòng)振動(dòng)過程,粘滑振動(dòng)不斷重復(fù).滑動(dòng)時(shí)軌面磨損嚴(yán)重,形成波谷;粘著時(shí)軌面磨損輕,形成波峰,由此軌面上出現(xiàn)波狀磨耗.輪軌蠕滑力和蠕滑率的關(guān)系是二值性函數(shù),見圖3,在摩擦的正特性區(qū)域,輪軌粘著,儲(chǔ)存能量;而在摩擦負(fù)特性區(qū),車輪在軌面上滑動(dòng),摩擦力下降,車軸松弛,釋放能量后輪軌重新粘著,從而形成摩擦自激振動(dòng).總的來說,在曲線上輪對(duì)受到的縱向作用力較大,軌道橫向和垂向彈性不均,在一定車速下發(fā)生橫向共振,所以曲線上的摩擦自激振動(dòng)比在直線上劇烈,在曲線更易出現(xiàn)波磨.

圖3 蠕滑率/力關(guān)系Fig.3 Creepage/creep force relationship

陳光雄等基于輪軌摩擦自激振動(dòng)引起鋼軌波磨的觀點(diǎn),建立輪對(duì)穩(wěn)態(tài)通過小半徑曲線時(shí)由輪對(duì)-鋼軌-軌枕組成的輪軌系統(tǒng)有限元彈性振動(dòng)模型[42-43].在模型中假設(shè)輪軌蠕滑力飽和且等于法向力與摩擦系數(shù)的乘積;應(yīng)用有限元軟件ABAQUS分析該模型的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性,研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)輪和內(nèi)軌接觸摩擦副發(fā)生嚴(yán)重的摩擦自激振動(dòng).

2.1.3 Clark的輪對(duì)橫向粘滑振動(dòng)理論[44]

此理論用于解釋在小半徑曲線上輪軌蠕滑飽和后輪軌間的橫向自激振動(dòng)以及輪軌間的不連續(xù)支撐對(duì)鋼軌波磨的影響.當(dāng)列車通過曲線時(shí),在慣性力作用下,使外側(cè)車輪輪緣緊貼外股鋼軌,兩者沿橫向一起運(yùn)動(dòng),同時(shí)又有相對(duì)滑動(dòng),由于鋼軌扣件是等距離分布的,故鋼軌的橫向剛度呈周期性分布.而當(dāng)軌枕的通過頻率與輪對(duì)的橫向自振頻率接近或成其整數(shù)倍時(shí),輪對(duì)便產(chǎn)生橫向振動(dòng),導(dǎo)致內(nèi)股輪軌間發(fā)生周期性的相對(duì)滑動(dòng),造成內(nèi)股軌頂面的周期性的不均勻磨損,從而形成鋼軌波磨.且在一定車速下輪對(duì)發(fā)生橫向共振和次共振,此時(shí)產(chǎn)生何種波長(zhǎng)的波磨取決于蠕滑力特性曲線,且波長(zhǎng)為軌枕間距的分?jǐn)?shù)或整數(shù)倍[45-46].

2.2 反饋振動(dòng)機(jī)理

此觀點(diǎn)認(rèn)為,輪軌間的原始不平順,如線路上鋼軌的接頭、制造誤差、吊枕等將激起輪軌間的振動(dòng),從而導(dǎo)致更大的不平順,即是“不平順—振動(dòng)—更大的不平順—更強(qiáng)的振動(dòng)”的循環(huán),從而促使波磨形成并進(jìn)一步發(fā)展[47].

2.2.1 垂向振動(dòng)理論

該理論認(rèn)為,軌頭表面的原始不平順激起輪軌的高頻振動(dòng),同時(shí)它又影響軌頭表面的形狀.當(dāng)一定量的車輪通過后,與垂向振動(dòng)固有頻率相差較大的波長(zhǎng)成分被過濾掉(或磨掉),不平順波長(zhǎng)的帶寬減小,垂向振動(dòng)被激化,輪軌振動(dòng)附加力導(dǎo)致軌頭表面塑變而形成波磨.這與Suda波磨的發(fā)展與輪軌系統(tǒng)垂向振動(dòng)固有頻率有關(guān)的理論相符合.當(dāng)同一類型的機(jī)車車輛以相近的速度通過不平順時(shí),輪軌振動(dòng)對(duì)鋼軌波磨相同位置的重復(fù)作用都將加速波磨的形成[5].

垂向振動(dòng)理論是長(zhǎng)波長(zhǎng)波磨成因中一個(gè)不可忽略的因素[5].Mair建立了一個(gè)垂向的簧下質(zhì)量與連續(xù)支撐的軌道相互作用的模型[48-50],用于分析澳大利亞重載鐵路線普遍存在200～300 mm波長(zhǎng)波磨的成因,他認(rèn)為輪軌系統(tǒng)的垂向振動(dòng)和材料的塑性變形是該波磨形成的重要原因.該理論在響軌波磨的研究[51-53]中也被廣泛采用.Frederick、Valdivia、Hempelmann等研究也指出[10,54-55]:軌道垂向pinned-pinned共振很可能是短波磨形成的主要因素.

2.2.2 輪對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)理論

該理論認(rèn)為波磨波長(zhǎng)同輪軌系統(tǒng)的垂向和水平振動(dòng)的頻率無(wú)密切聯(lián)系,而與車軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的頻率相關(guān),輪軌間的縱橫蠕滑力波動(dòng)是波磨形成的原因,而從波峰至波谷蠕滑力逐漸增大,造成的輪對(duì)扭轉(zhuǎn)是蠕滑力波動(dòng)的原因[5,56].該理論認(rèn)為輪對(duì)二階扭轉(zhuǎn)共振是車轍型波磨的主要成因[57-61].由于同一根車軸上的兩輪不平行或由于制造誤差引起的輪徑不同,或是通過曲線以及發(fā)生蛇行時(shí),由于存在著粘著重量、牽引制動(dòng)力矩分配等方面的差異,引起輪對(duì)相對(duì)鋼軌的橫向移動(dòng),導(dǎo)致車輪橫向蠕滑,使內(nèi)外輪軌間的粘著系數(shù)不完全相同[62].車軸作為扭轉(zhuǎn)彈性體,使車軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和軌道縱向耦合振動(dòng),它們也是波磨的來源.但李偉等最近的研究工作[63]否認(rèn)了上述結(jié)論.

2.2.3 接觸共振理論

英國(guó)Johnson等通過圓盤試驗(yàn)機(jī)和理論數(shù)值模擬分析指出[35],輪軌接觸共振誘發(fā)了鋼軌波磨.輪軌間的接觸會(huì)產(chǎn)生彈性變形,它組成一個(gè)彈性系統(tǒng),有自己的固有頻率.當(dāng)這個(gè)固有頻率與線路不平順激發(fā)起來的輪軌系統(tǒng)振動(dòng)頻率相吻合時(shí)就發(fā)生接觸共振,其表面產(chǎn)生塑性變形.并在下一次滾動(dòng)時(shí)激起更大幅度的振動(dòng),形成材料塑流性波磨.在列車的反復(fù)作用下,塑性變形不斷擴(kuò)大而使波磨發(fā)展,且這種波磨的波長(zhǎng)最終是由接觸共振的頻率和車輪(或試驗(yàn)圓盤)滾動(dòng)速度來決定的.另外,軌枕間距[46]和鋼軌的接頭[47]也是導(dǎo)致車輪軌道間產(chǎn)生接觸共振的主要來源,并且對(duì)波磨的形成和發(fā)展影響很大.到目前為止,對(duì)輪軌系統(tǒng)接觸共振(包括垂向、橫向和縱向)是鋼軌波磨形成的基本因素這一觀點(diǎn),基本形成了共識(shí).

2.2.4 磨耗功理論[64-65]

該理論認(rèn)為,波磨是由許多原因引起的,而非單一原因.它指出輪軌間磨耗功的波動(dòng)反映了輪軌系統(tǒng)中多種振動(dòng)形式的綜合影響,鋼軌磨損速率同磨耗功成正比.磨耗功大的地方磨損嚴(yán)重,形成波谷;磨耗功小的地方相對(duì)磨損較輕,形成波峰.目前,該理論與輪對(duì)或車輛的振動(dòng)結(jié)合在一起,在波磨的研究中被廣泛采用.如劉學(xué)毅建立了可以考慮輪軌系統(tǒng)垂向振動(dòng)、輪對(duì)彎曲振動(dòng)、輪對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和摩擦功波動(dòng)理論鋼軌波磨成因分析模型,并以此分析了我國(guó)重載線上的長(zhǎng)波長(zhǎng)波磨成因[5];金學(xué)松團(tuán)隊(duì)基于車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論、輪軌非赫茲滾動(dòng)接觸理論和輪軌摩擦學(xué)理論建立較完整的鋼軌波磨計(jì)算模型,并以此分析了多種波磨成因[1,17,30].

2.3 其他理論

除了前面的一些主要波磨成因理論外,人們還提出了如下理論,如Kalousek的接觸疲勞理論[5,66]、Feller H J的腐蝕磨損理論[67]、Baumann的冶金理論[68]、Eisenmann J的初始?xì)堄鄳?yīng)力理論[69]等.目前,這些理論被認(rèn)為不是研究波磨的主要理論,故在此不予贅述.

3 波磨成因理論的探討

以上幾種理論可以解釋一些特定的波磨現(xiàn)象,但不具有普適性和一般性.例如,對(duì)于反饋理論來說,軌接頭和各種不平順在各種線路都有,但是為什么波磨卻主要發(fā)生在小半徑曲線地段;再如,自激振動(dòng)理論中,雖然指出波長(zhǎng)與曲線的半徑有關(guān),可是為何在有些曲線的內(nèi)軌是短波長(zhǎng)波磨,而在外軌上卻產(chǎn)生長(zhǎng)波長(zhǎng)波磨.自激理論強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)固有特性對(duì)波磨的決定性作用,基于初始不平順的反饋理論強(qiáng)調(diào)波磨發(fā)展程度對(duì)波磨發(fā)展速率的影響.

綜合目前分析方法和現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期觀察,發(fā)現(xiàn)波磨的發(fā)生發(fā)展規(guī)律,既與系統(tǒng)固有特性相關(guān),又和運(yùn)行環(huán)境、條件相關(guān).對(duì)于系統(tǒng)的固有結(jié)構(gòu),尤其是軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性,在不同的運(yùn)行車輛和不同運(yùn)行速度以及不同輪軌粗糙度(或不平順)激勵(lì)下,軌道的敏感共振頻率不同,由此形成的波磨波長(zhǎng)(特征)不同和發(fā)展速率不同,車輛的質(zhì)量尤其是簧下質(zhì)量,對(duì)軌道低頻的共振頻率影響略大,但對(duì)高頻區(qū)域的共振頻率影響較小.影響軌道結(jié)構(gòu)特性的有軌枕間距、扣件剛度阻尼、軌道板和軌枕以及相應(yīng)的減振措施.所謂運(yùn)行環(huán)境主要指線路形式和車輛結(jié)構(gòu).在曲線段,列車要改變運(yùn)動(dòng)方向,是通過輪軌導(dǎo)向來實(shí)現(xiàn),輪軌作用復(fù)雜,輪軌之間不僅存在垂向振動(dòng),還存在縱橫向滑動(dòng)和振動(dòng),雖然它們之間存在較強(qiáng)的耦合,但是各個(gè)方向主振動(dòng)頻率和強(qiáng)烈程度不同,哪個(gè)因素對(duì)鋼軌累積磨損和塑形累計(jì)變形貢獻(xiàn)大,哪個(gè)因素就決定了此段鋼軌波磨的主波長(zhǎng).而在直線段,輪軌系統(tǒng)振動(dòng)主要在垂直方向上占優(yōu),主要由垂向振動(dòng)頻率和運(yùn)行速度決定了波磨的特征或波長(zhǎng),相對(duì)曲線來說,影響因素相對(duì)少一些,在焊接接頭處,因不平順引起的垂向沖擊導(dǎo)致軌頭波磨均有材料磨損和累計(jì)變形的貢獻(xiàn).在直線段非焊接接頭處,鋼軌波磨主要以磨耗為主,除了和輪軌垂向振動(dòng)相關(guān)外,列車的驅(qū)動(dòng)車輪對(duì)波磨的形成也起到主要作用.影響波磨的車輛類型主要是指軸重軸距等,如重載鐵路鋼軌波磨特征區(qū)別于輕軌波磨特征.營(yíng)運(yùn)速度也對(duì)波磨的形成也很重要,速度較高的情況下,輪軌激發(fā)能量較大,易激發(fā)離散支撐的鋼軌“弦線”高頻振動(dòng)和Pinned-Pinned共振,一些特殊結(jié)構(gòu)直線的軌道也會(huì)出線短波長(zhǎng)波磨(30 mm左右).材料的硬度和輪軌界面摩擦系數(shù)大小也會(huì)影響波磨的形成和發(fā)展速度,但是不影響其特征及波長(zhǎng).

波磨和上述討論的因素有關(guān),目前沒有任何理論模型能夠包含它們.所以,建成統(tǒng)一的理論模型和達(dá)成統(tǒng)一的共識(shí),是不可能的.

4 波磨預(yù)防控制措施

盡管波磨的形成機(jī)理復(fù)雜,尚未完全弄清,但近些年來,人們?cè)诓サ念A(yù)防和減緩措施方面的成果顯著,如摩擦調(diào)節(jié)器[70-82]、輪對(duì)抗扭振動(dòng)吸震器[83]和軌道吸震器[84- 85]等.Eadie和Kalousek等研制了一種高摩擦系數(shù)調(diào)節(jié)裝置(摩擦調(diào)節(jié)器)[70],這種裝置能夠?qū)⑤嗆壗缑骈g的負(fù)摩擦特性轉(zhuǎn)換為正摩擦特性,并保證所得到的摩擦系數(shù)穩(wěn)定不變化,且不影響列車的牽引制動(dòng)性能.它能有效緩解粘滑振動(dòng)所致的短波長(zhǎng)波磨,對(duì)曲線嘯叫也有很好的控制作用.他們的后期研究[74,77]中,通過現(xiàn)場(chǎng)跟蹤試驗(yàn)研究證實(shí)了該裝置對(duì)鋼軌波磨,尤其是短波磨問題以及曲線嘯叫有很好的減緩作用.此外,還有一些學(xué)者從軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)角度出發(fā),提出了鋼軌波磨的減緩措施,例如,Ilias和Egana等調(diào)查了軌墊剛度對(duì)波磨的影響[26,86],Oyarzabal等利用頻域波磨模型,對(duì)影響波磨的主要軌道參數(shù)(軌枕間距、軌枕質(zhì)量、軌墊垂向剛度、軌墊橫向剛度和道床垂向剛度)進(jìn)行了調(diào)研[87].

我國(guó)鐵路不同的線路鋼軌波磨特征和發(fā)展速度不同,其形成的機(jī)理不完全相同,采取的治理措施也不一樣.對(duì)重載線路曲線鋼軌波磨治理的辦法主要有鋼軌打磨、鋼軌潤(rùn)滑、輪軌摩擦系數(shù)調(diào)節(jié)、增加曲線鋼軌材料硬度提高其抗磨損能力和更換鋼軌.地鐵鋼軌治理辦法除了采用上述類似的辦法以外,我國(guó)相關(guān)研究人員一直努力探索從改變和優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)特性的根源上來消除誘發(fā)波磨的因素,如采用最佳扣件減振剛度和枕距,研究速度、輪軌粗糙度激勵(lì)以及軌道共振特性敏感程度之間的關(guān)系等.另外，我國(guó)高速線路由于線路的最小半徑大,軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,波磨現(xiàn)象輕微,故而沒有引起我們太多的注意.

5 研究展望

鋼軌波磨仍然是鐵路業(yè)界的難題,研究者們提出了很多方法對(duì)其進(jìn)行解釋,并提出了相應(yīng)的減緩措施,但是人們卻一直未能提出一種廣泛認(rèn)同的理論來解釋各種波磨現(xiàn)象.其原因是該問題的研究不僅涉及到多個(gè)學(xué)科的知識(shí),而且還與復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)情況有很大關(guān)系.因此,波磨成因理論這方面的研究工作尚待深入.現(xiàn)有的成因理論幾乎涉及到了車輛軌道系統(tǒng)有關(guān)的所有領(lǐng)域,盡管還有一些新的理論在不斷提出,但多數(shù)是對(duì)已有理論的發(fā)展,且研究的整體思路也逐步統(tǒng)一.關(guān)于波磨成因未來的研究方向,可考慮將彼此獨(dú)立的一些理論聯(lián)系起來,如將現(xiàn)有的自激理論和反饋理論相結(jié)合,構(gòu)建更加完善的理論模型，同時(shí)綜合考慮更多實(shí)際因素,如制動(dòng)、氣象等外部因素,以及材料塑性、材料微觀結(jié)構(gòu)等內(nèi)部因素等.

致謝：牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目(TPL1406).

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金學(xué)松(1956—),博士,1987年起至今任職于西南交通大學(xué),現(xiàn)為牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特聘教授,博士生導(dǎo)師.主要研究方向?yàn)檩嗆夑P(guān)系、軌道交通減振降噪.承擔(dān)國(guó)家973/863、國(guó)家支撐計(jì)劃項(xiàng)目、 自然科學(xué)基金重點(diǎn)和面上項(xiàng)目、博士點(diǎn)基金、省部級(jí)項(xiàng)目和企業(yè)項(xiàng)目100余項(xiàng)，發(fā)表論文200多篇.現(xiàn)任國(guó)際雜志“International Journal of Railway Transportation”、《工程力學(xué)》、《機(jī)械強(qiáng)度》、《浙江大學(xué)學(xué)報(bào)》(英文版)和《計(jì)算機(jī)輔助工程》雜志編委.

E-mail: xsjin@swjtu.cn

李霞(1986—),博士.2013年起至今在大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院任教,講師.主要從事輪軌關(guān)系和車輛軌道動(dòng)力學(xué)方面研究.主持和參與多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金、鐵道部重大課題和省部級(jí)課題.目前正主持國(guó)家自然科學(xué)基金-青年基金1項(xiàng),牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題1項(xiàng),遼寧省自然科學(xué)基金1項(xiàng).在國(guó)內(nèi)外雜志上發(fā)表和合作發(fā)表論文30余篇.獲2014年度領(lǐng)跑者5000中國(guó)精品科技期刊頂尖學(xué)術(shù)論文(排名第二).2015年獲遼寧省科協(xié)中青年科技工作者國(guó)(境)外交流提升計(jì)劃,入選第九批遼寧省百千萬(wàn)人才工程萬(wàn)人層次人選.

(中文編輯:唐 晴 英文編輯:周 堯)

Review of Rail Corrugation Progress

JINXuesong1,LIXia2,LIWei1,WENZefeng1

(1. State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. School of Traffic and Transportation, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Rail corrugation leads to fierce vibration, strong noise and fatigue of vehicle and track, and discomfort for passengers. Severe corrugation may cause derailment accident. This paper briefly introduces the distribution of railway rail corrugation all over the world and its basic characteristics, and presents the rail corrugation characteristics and structure features of heavy haul track, high-speed railway, subway and urban mass rail in China. Then, it reviews the history of rail corrugation study, and focuses on the recent advances in the theoretical models to understand the formation mechanism of rail corrugation for the past 40 years. Finally, the paper discusses the drawbacks of these models, and the current adopted measures for curing rail corrugation in China. The outlook of rail corrugation study is provided.

rail corrugation; mechanism; self-excited vibration; feedback vibration

2015-11-16

國(guó)家自然科學(xué)基金-煤炭聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1361117); 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405055); 遼寧省自然科學(xué)基金資項(xiàng)目助(2015020116)

金學(xué)松,李霞,李偉,等. 鐵路鋼軌波浪形磨損研究進(jìn)展[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016,51(2): 264-273.

0258-2724(2016)02-0264-10

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.006

U211

A