高速鐵路工務工程前沿基礎理論與科學問題
——輪軌關系

閆子權，孫林林，肖俊恒，涂英輝，司道林

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路以高安全性、高穩(wěn)定性和高舒適性贏得了社會的認同。截至2017年底，我國高速鐵路運營里程已達2.5萬km，位列世界第一。同時，在國家鐵路“八縱八橫”長期規(guī)劃和“一帶一路”倡議的指導下，高速鐵路建設速度不斷加快。輪軌關系是鐵路的基本問題，也是高速鐵路的核心技術之一，不但直接影響動車組運行的安全性和旅客乘坐舒適性，同時對于運營成本也有重要的影響。輪軌關系研究既與應用技術相關，也涉及基礎理論問題，是保障高速鐵路安全、高效運營和技術創(chuàng)新的重要支撐[1]。

輪軌關系反映了車輪與鋼軌之間的動力相互作用，是鐵路科研領域的核心科學問題。列車的牽引、制動、行車安全、磨耗、疲勞等均與輪軌接觸有密切關系，尤其是隨著高速鐵路的發(fā)展，輪軌關系問題變得更為復雜。目前高速鐵路輪軌關系的研究主要集中在車輛-軌道系統(tǒng)耦合動力學、輪軌高頻振動及耦合模態(tài)辨識、輪軌周期性磨耗、輪軌接觸疲勞及輪軌黏著等方面，涉及多個學科領域，如系統(tǒng)動力學、材料學、摩擦學、固體力學、計算科學等[2-3]。

盡管我國在高速鐵路輪軌關系研究領域取得了長足進步，但從技術體系角度而言，高速鐵路輪軌關系研究仍處于初級階段。由于我國高速鐵路具有地質條件和氣候環(huán)境復雜、軌道結構類型及零部件種類較多、動車組系列化齊全、轉向架結構形式和懸掛參數差異大等特點，高速鐵路輪軌關系的研究更為復雜，如輪軌型面和硬度的優(yōu)化匹配問題、輪軌接觸疲勞傷損問題、輪軌黏著系數分布問題、輪軌等效錐度限值問題、輪軌耦合振動問題等。此外，我國高速鐵路缺乏輪軌系統(tǒng)設計理論和方法，易造成輪軌系統(tǒng)各部件之間動力性能匹配性較差，形成安全隱患。因此，需從技術應用和理論基礎2個方面對輪軌關系進行深入研究，優(yōu)化高速鐵路輪軌系統(tǒng)設計，從而進一步提升高速鐵路運行的安全性、舒適性、可靠性和經濟性。

1 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1.1 輪軌接觸疲勞

輪軌滾動接觸疲勞是輪軌關系研究的主要問題之一。國內外眾多學者對此做了大量研究，采取了新材料、優(yōu)化輪軌型面、硬度匹配等多種緩解和抑制措施，以減少輪軌接觸應力，改善軌道與車輛結構性能，減少輪軌之間的動力作用[4-6]。

輪軌滾動接觸疲勞試驗研究方面，Bernasconi等[7]發(fā)現(xiàn)在滾動接觸循環(huán)作用下，車輪表面材料發(fā)生嚴重塑性變形積累，從而導致車輪表面產生裂紋；Eadie等[8]認為切向摩擦力是造成輪軌表面材料塑性流動的根本原因；Stock等[9]利用實尺輪軌試驗臺研究了珠光體鋼和貝氏體鋼鋼軌，發(fā)現(xiàn)同等硬度條件下貝氏體鋼鋼軌的耐磨性差而耐疲勞性提高。中國鐵道科學研究院集團有限公司周清躍等[10]對因輪軌匹配問題而導致輪軌接觸位置不良、動車組構架橫向加速度超限報警、動車組異常抖動、鋼軌波浪形磨耗、道岔直尖軌非工作邊疲勞裂紋等問題的具體成因進行了研究。結果表明：車輪型面與60鋼軌廓形不匹配導致了輪軌接觸位置不良，采用60N鋼軌可使輪軌的接觸位置居中；按設計的鋼軌廓形或60N鋼軌廓形進行鋼軌打磨，可以有效降低輪軌的等效錐度，從而抑制動車組異常抖動和構架橫向加速度超限。張銀花等[11]在實驗室進行3種硬度車輪與3種硬度鋼軌的對磨試驗，對比分析硬度不同的車輪與鋼軌對磨時的輪軌磨損、變形和接觸疲勞傷損。結果表明：適當提高車輪的硬度即提高輪軌硬度比以減輕車輪磨耗較大的問題已成為國際上通行的做法；9組輪軌磨損試驗中，輪軌硬度比為0.95∶1～1.15∶1時輪軌總磨耗量較小，輪軌硬度比大于1∶1時，輪軌變形和表面接觸疲勞傷損較輕，輪軌硬度比為1.15∶1時輪軌總磨耗量最小且接觸疲勞傷損也最輕。Garnham等[12]從微觀角度揭示了鋼軌表面在循環(huán)荷載作用下晶粒破碎細化，硬度升高，產生塑性變形層。Takikawa等[13]使用雙盤滾動試驗機實現(xiàn)了鋼軌曲線段軌頭裂紋的模擬試驗，發(fā)現(xiàn)材料硬度對表面裂紋的形成有較大影響；Alfredsson[14]認為輪軌表面粗糙引起的高應力區(qū)域是裂紋萌生源；Sato等人的研究又表明裂紋萌生于表面并沿著塑性流線而不是沿著局部最大拉應力的法向發(fā)展；Alfredsson,Donzella等[14-15]在雙盤試驗機上完成了輪軌材料配副的棘輪效應試驗，借助掃描電鏡觀察了不同階段的輪軌表面?zhèn)麚p的演化。

輪軌接觸疲勞數值仿真方面，Ringsberg等[16]采用棘輪效應本構關系及其疲勞傷損預測模型，進行了輪軌滾動接觸疲勞傷損有限元分析。Olzak 等[17-18]采用斷裂力學和有限元法對2D和3D接觸疲勞裂紋進行分析，重點研究了鋼軌踏面單個裂紋對應力分布狀態(tài)和應力強度因子的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)輪軌滾動接觸過程中接觸斑形狀和應力分布與無裂紋的情況相比差異顯著。Liu，Alfredsson等[19-20]考慮輪軌塑性變形累積的金屬高周疲勞準則和壽命預測方法，結合有限元分析預測了輪軌滾動接觸表面裂紋的萌生，并得到了與現(xiàn)場數據相對一致的結論；建立三維彈塑性模型計算應力強度因子，通過混合模式疲勞裂紋擴展模型預測車輪表面損傷[21]。Kapoor[22]提出用于預測由材料棘輪效應所引起的疲勞裂紋的經驗模型，且該經驗模型在由棘輪效應引起的疲勞裂紋預測方面得到了驗證。Taraf等[23]采用移動赫茲接觸在二維的輪軌滾動接觸彈塑性有限元模型基礎上分析了車輪踏面的表面裂紋萌生規(guī)律，發(fā)現(xiàn)材料缺陷、軸重和摩擦因數直接影響輪軌滾動接觸疲勞損傷。胡軍等[24]以直徑為860 mm的LMA型踏面輪對和60 kg/m鋼軌為例，用有限元方法分析了不同軸重和摩擦因數對最大接觸法向應力、接觸剪切應力以及最大Mises應力的影響。結果表明：隨著軸重的增加，輪軌最大接觸法向應力和最大Mises應力會逐漸增大，接觸疲勞裂紋萌生的速度隨之增大。隨著摩擦因數的增加，最大接觸法向應力和最大Mises應力的變化不顯著，而接觸剪切應力則隨之增大，加快接觸疲勞裂紋的萌生。王建西等[25]以現(xiàn)場實測輪軌力為樣本，利用參數假設檢驗方法確定輪軌力幅值和頻率特征，進而根據輪軌力分布特征編制荷載譜，建立子模型分析不同幅值下輪軌接觸斑內局部應力情況，并根據臨界平面法思想建立隨機輪軌力作用下鋼軌滾動接觸疲勞裂紋萌生壽命預測模型。結果表明：在一定速度范圍內，輪軌力符合正態(tài)分布；根據隨機輪軌力作用下鋼軌滾動接觸疲勞裂紋萌生壽命預測模型，預測U75V鋼軌通過約560萬t總重時軌面萌生裂紋，與現(xiàn)場觀察結果吻合。江曉禹等[26]根據威布爾分布，用可能擴展角度均值作為裂紋擴展方向，獲得了裂紋擴展路徑。結果表明：低速列車鋼軌的裂紋擴展為張開型裂紋逐漸變?yōu)榛_型裂紋，高速列車的鋼軌裂紋擴展基本都是張開型裂紋；高速列車鋼軌的裂紋擴展速率快于低速列車鋼軌；模擬的裂紋路徑與試驗測得的裂紋路徑吻合，驗證了用可能擴展角度的均值作為裂紋擴展方向的合理性。劉圓[27]通過建立三維有限元模型，計算不同裂紋間距條件下原有裂尖前緣的應力強度因子。結果表明：隨著裂紋間距的減小，新裂紋的萌生能降低原有裂紋的擴展速率，但原有裂紋擴展方向向新裂紋彎曲，容易導致2裂紋融合，從而形成新的裂紋，其擴展速率可能會遠遠大于原有裂紋。

1.2 輪軌周期性磨耗

輪軌周期性磨耗是輪軌關系領域的另一個熱點問題。車輪的周期性磨耗表現(xiàn)為車輪多邊形磨耗，而鋼軌的周期性磨耗表現(xiàn)為鋼軌表面的波浪形磨耗。

對車輪多邊形磨耗的研究可以追溯到20世紀90年代[28]。Morys[29]建立了ICE-1車輛-軌道耦合動力學模型，并通過迭代磨損模型分析在長期運行期間半徑偏差的變化。分析結果表明，垂向力的變化能激起輪對軸的彎曲振動，導致車輪側滑和材料屈服。Johansson等[30-31]對瑞典鐵路車輪的多邊形特征進行了研究，結合99個超過10萬km運營里程的輪對，分析了由磨耗和塑性變形引起的車輪多邊形和踏面變形現(xiàn)象。Meinders，Dekker等[32-33]研究認為車輪在鋼軌上滾動時，輪軌表面粗糙度激勵輪軸共振而引起輪軌摩擦功變化，從而產生車輪多邊形磨耗。Brommundt[34]認為輪軌系統(tǒng)的黏-滑自激振動是引起車輪多邊形磨耗的主要原因。Meinke等[35]研究認為高速時輪對的重心偏移導致動靜不平衡，從而使得輪軌系統(tǒng)產生共振是引起車輪多邊形磨耗的主要因素。宋春元等[36]從運行速度、運行線路條件、車輛結構等角度系統(tǒng)地研究了產生車輪多邊形的影響因素。周殿買等[37]分析了高速動車組車輪多邊形的形成機理以及與轉向架結構之間的關系，認為：當采用轉臂定位結構時，由于一系鋼彈簧的沉浮運動，使車輪在鋼軌方向產生有規(guī)律的微小滑動，造成車輪多邊形磨耗。陳光雄等[38]對由輪對-鋼軌-軌枕組成的系統(tǒng)建立有限元彈性振動模型，并分析該模型的運動穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在一些條件下輪軌系統(tǒng)存在嚴重的黏-滑彈性振動，車輪相對鋼軌發(fā)生橫向滑動，而輪軌系統(tǒng)的低頻黏-滑振動是引起車輪多邊形磨耗的原因之一。鐵科院通過京滬高速鐵路、武廣高速鐵路、哈大高速鐵路、蘭新客專、貴廣客專及丹大鐵路6條線的跟蹤測試試驗，并結合仿真分析研究，認為車輪多邊形的產生和發(fā)展與車輪初始表面狀態(tài)、車輪硬度、鋼軌表面粗糙度、軌道結構形式、運行交路、季節(jié)氣候等因素密切相關。輪軌作用條件下產生的550～650 Hz頻帶內的輪軌耦合共振是產生車輪多邊形的內在原因；鋼軌短波不平順、車輪擦傷、鋼軌軋傷、道岔沖擊、軌縫沖擊等產生沖擊特征的外部激擾是產生車輪多邊形和鋼軌波浪形磨耗的外部原因。在外部激擾作用條件下，當550～650 Hz頻帶內輪軌耦合系統(tǒng)能量控制在一定范圍內時將大幅降低產生高階車輪多邊形的可能性。如果該頻段的輪軌耦合系統(tǒng)能量大幅增加，易產生高階車輪多邊形[39]。

在鋼軌波浪形磨耗研究方面，自1889年記載英國Midland鋼軌波磨的第1篇文獻開始，人們對波磨的研究至今已有百年歷史。雖然對鋼軌波磨的產生機理尚沒有統(tǒng)一定論，但經過世界各國的百余年努力仍取得了顯著成果[40]。20世紀50年代之前的波磨研究多注重觀察鋼軌波磨的現(xiàn)象，對其產生機理幾乎沒有進行系統(tǒng)論證[41-47]。

自20世紀70年代起各國開始對波磨產生機理進行研究。Carson等[48]在圓盤試驗機上研究了2個彈性圓盤在接觸點附近由于發(fā)生“接觸共振”而產生波磨的機理。Johnson等[49]首次認識到波磨形成過程中的波長固定機理和傷損機理。列車行進過程中輪軌之間發(fā)生滾動接觸，車輪和鋼軌表面的初始不平順引發(fā)包含諸多不同頻率的振動，輪軌接觸系統(tǒng)則根據其自振頻率扮演著“過濾器”和“放大器”的角色，將與其自振頻率相近的頻率檢出并放大。經過多次滾動接觸循環(huán)，輪軌接觸表面材料出現(xiàn)塑性變形而形成波磨。

20世紀80年代Clark等[50-51]首次對自激振動車轍型波磨進行了研究，并考慮了彈性輪對與離散支承鋼軌在高蠕滑條件下的自激振動。結果表明：軌道剛度不均勻變化引起Mathieu振動，進而發(fā)展為長波長波磨；輪軌接觸蠕滑力變化導致輪軌接觸的滾滑振動，進而引起短波長波磨。除對長波長波磨研究以外，20世紀80年代短波長波磨開始引起重視，當時短波長波磨主要發(fā)生在高速線路的直線或大半徑曲線上，其波長分別為2 cm和8～10 cm。對短波長波磨的研究工作主要在英國劍橋大學、牛津大學[52]和德國柏林工業(yè)大學[53]進行。日本在研究波磨方面取得了較大進展，尤其以Suda，Matsumoto和Ishida為代表，在曲線鋼軌波磨產生機理和預防措施研究方面取得很多成果[54-57]，通過試驗和理論分析，認為輪軌系統(tǒng)自激波磨波長由系統(tǒng)共振頻率決定，其波磨發(fā)展速率與滾動速度成正比；磨損較嚴重的波磨波長大于輪軌垂向振動波峰之間的距離；系統(tǒng)阻尼對波磨的發(fā)展有較大影響，在不同系統(tǒng)固有頻率和滾動速度條件下可以形成同樣波長的波磨；在相同固有頻率和不同滾動速度條件下可以形成不同波長的波磨。因此，改變系統(tǒng)阻尼、行車速度和系統(tǒng)共振頻率可以抑制波磨的產生和發(fā)展。

1993年，Grassie等[58]根據42篇波磨研究文獻，按照波磨波長、產生機理及軌道類型將波磨劃分為6類，并逐一分析其產生原因與預防措施。這6類波磨分別為：①重載鋼軌波磨，一般發(fā)生在低速重載線路上，產生波磨的主要原因是車輛簧下質量與軌道發(fā)生垂向共振(P2力引起的垂向共振)，導致波谷處產生塑性流動。②輕軌波磨，主要發(fā)生在47 kg /m 及53 kg /m的輕質量鋼軌上，產生波磨的主要原因是焊縫接頭等導致車輛簧下質量與軌道發(fā)生垂向共振，損傷機理為鋼軌塑性彎曲。③套靴軌枕波磨,此類波磨最早發(fā)生在雙塊式橡膠套靴減振軌道的地鐵系統(tǒng)上，且半徑小于400 m的曲線內軌波磨較為嚴重。產生波磨的主要原因是軌枕共振或彈性輪對共振或輪軌均產生共振，損傷機理是輪軌接觸振動導致波峰處的材料產生塑性流動。④接觸疲勞波磨,該類波磨主要發(fā)生在曲線上，其產生原因是P2力引起輪軌接觸表面疲勞。接觸表面微觀裂紋導致鋼軌不平順，引發(fā)簧下質量與軌道發(fā)生共振。⑤車轍型波磨,產生機理為輪對扭轉共振和車輛簧下質量和軌道共振引起的。傷損機理為縱向振動引起磨損進而形成波谷。⑥嘯叫鋼軌波磨,主要發(fā)生在高速干線的直線和大半徑曲線上，英國、加拿大溫哥華以及德國均出現(xiàn)了類似波磨。波長隨速度變化很小，該現(xiàn)象很難用單個頻率共振機理解釋，其傷損機理為輪軌之間的縱向滑動引起材料磨損。

進入21世紀，各國對鋼軌波磨的研究更加深入和全面。通過對波磨現(xiàn)象及產生機理的研究，認為影響波磨產生和發(fā)展的主要原因有：①軌道垂向反共振及橫向pinned-pinned振動；②輪軌自激垂向振動；③輪軌振動引起鋼軌產生塑性變形；④軌道垂向pinned-pinned振動；⑤輪對扭轉振動；⑥軌道垂向振動對直線鋼軌波磨起主要作用，軌道橫向振動對曲線鋼軌波磨起主要作用；⑦P2共振；⑧自由共振，包括輪軌接觸共振、軌道共振、輪對共振等。

金學松、溫澤峰等[59-62]在分析國內外鐵路鋼軌波浪形磨耗理論基礎上，提出了車輛軌道垂向橫向耦合動力學、輪軌滾動接觸力學和鋼軌材料摩擦磨損模型為一體的鋼軌磨耗型波浪形磨損計算模型。劉學毅[63]建立了輪軌系統(tǒng)垂向-橫向-輪對彎曲和扭轉非線性空間耦合振動時變模型，通過空間耦合振動研究，融合輪軌系統(tǒng)垂向振動、輪對彎曲振動、輪對扭轉振動和磨耗功波動等波磨成因理論，建立了“輪對黏滑振動-磨耗功波動-磨損型波磨”的波磨成因理論。閆子權等[64-66]針對北京地鐵鋼軌異常波磨問題，從輪對角度出發(fā)探討輪對振動與鋼軌異常波磨之間的關系；建立輪對三維有限元分析模型，分別對動車和拖車輪對進行垂向及扭轉振動分析，認為在鋼軌異常波磨頻率處輪對發(fā)生反共振。輪對垂向振動對鋼軌異常波磨產生的影響比扭轉振動大，同時利用多點近似和遺傳算法對軌道系統(tǒng)動力學參數進行了優(yōu)化，以消除和減緩波磨的產生。

2 存在的問題

雖然在輪軌關系領域國內外進行了大量的研究，但仍存在如下問題，需進一步深入分析。

1)高速鐵路道岔區(qū)輪軌關系及長期運營條件下岔區(qū)鋼軌磨耗發(fā)展和動力性能劣化機制已成為當前高速鐵路科研、運營、養(yǎng)護維修中急需研究的關鍵科學問題之一，也是迄今尚未解決的一個多學科交叉(輪軌接觸力學、摩擦學、多體動力學、材料學等)技術難題。

2)現(xiàn)有適用于輪軌高頻動態(tài)響應分析的瞬態(tài)滾動接觸有限元模型計算成本過高，尚局限于法向動力的作用，無法將高速鐵路輪對橫移等因素準確考慮在內。為了準確模擬高速鐵路輪軌關系，必須將振動、溫度場、第三介質等因素的耦合作用考慮到模型中，有必要開展高速鐵路輪軌瞬態(tài)滾動接觸行為及輪軌關系模擬的研究。

3)目前軌道結構類型及零部件類型較多，前期研究主要集中在靜態(tài)或準靜態(tài)荷載作用下的強度分析，以及無砟軌道結構模態(tài)的理論分析，而系統(tǒng)性的試驗研究較少，尤其缺乏列車荷載作用條件下的輪軌耦合模態(tài)研究。在研究輪軌周期性磨耗過程中，目前大部分為定性研究，而對輪軌周期性磨耗的演化過程缺少定量分析。

4)雖然對磨耗和裂紋部分發(fā)展階段的分析有了初步的探索，但是鋼軌裂紋和磨耗損傷全過程(特別是裂紋從無到有的過渡過程)及共存關系還缺少理論解釋和數學描述方法；由于磨耗、裂紋導致的應力應變改變、疲勞和斷裂參量的累積變化還需要理論研究；各個影響因素需要科學的試驗與檢驗。

5)輪軌作為一個系統(tǒng)，在滾動接觸過程中在強摩擦力、多環(huán)境耦合作用下服役，服役中承受著復雜的高應變率載荷，其摩擦磨損及疲勞損傷行為變得十分復雜。為了減少高速車輪磨損，減緩高速輪軌疲勞損傷，在前期研究的基礎上，開展不同工況下輪軌摩擦磨損機理及組織硬度演變規(guī)律研究十分必要與緊迫。

3 研究方向與建議

3.1 高速鐵路道岔鋼軌磨耗發(fā)展規(guī)律及動力學性能演化規(guī)律研究

預期目標：提出適用于高速道岔鋼軌磨耗預測分析的岔區(qū)輪軌接觸及車輛-道岔系統(tǒng)動力學分析方法；構建高速道岔鋼軌磨耗演化發(fā)展的仿真預測模型，揭示復雜運營條件下高速道岔磨耗產生及發(fā)展特征規(guī)律；揭示長期運營中隨著磨耗的加劇輪軌接觸及系統(tǒng)動力性能的劣化演變規(guī)律；提出合理有效的岔區(qū)鋼軌磨耗控制方法措施。

科學問題：①高速道岔鋼軌磨耗產生機制及發(fā)展規(guī)律；②高速道岔輪軌接觸關系及車-岔動力學性能劣化演變規(guī)律。

研究內容：①列車高速通過道岔時輪軌接觸和系統(tǒng)動力學分析方法；②高速道岔尖軌磨耗產生機理和發(fā)展過程預測；③高速道岔尖軌磨耗發(fā)展規(guī)律；④隨著高速道岔尖軌磨耗加劇輪軌接觸關系和列車過岔動力學性能劣化規(guī)律；⑤高速道岔鋼軌磨耗傷損評價方法和控制措施。

3.2 高速鐵路輪軌瞬態(tài)滾動接觸行為及輪軌關系模擬

預期目標：構建高速鐵路輪軌接觸多尺度模型，探明高速鐵路輪軌接觸損傷機理及相互影響機制。

科學問題：①高速鐵路輪軌接觸多尺度模型；②高速鐵路輪軌接觸損傷機理。

研究內容：①考慮振動、溫度場和第三介質等因素耦合作用的輪軌接觸精細化模型；②考慮高頻振動及滾滑響應的輪軌接觸高頻振動模型；③多尺度因素對輪軌接觸行為及損傷機制的影響。

3.3 高速鐵路輪軌周期性磨耗萌生演化機理及控制措施研究

預期目標：針對當前高速鐵路運營過程中出現(xiàn)的列車車輪多邊形和鋼軌波浪形磨耗現(xiàn)象，從列車整車及其零部件、軌道結構及其零部件的固有模態(tài)特征出發(fā)，深入研究輪軌耦合作用條件下車輪和鋼軌的振動特性，揭示車輪多邊形和鋼軌波磨的萌生機理，并理論再現(xiàn)其演化過程。探明影響車輪多邊形和鋼軌波磨萌生過程的敏感因素，提出有效抑制措施并通過試驗予以驗證，為解決當前輪軌周期性磨耗提供有力的理論基礎和技術支撐。

科學問題：①輪軌耦合條件下車輛及無砟軌道結構模態(tài)參數的辨識方法及數值分析模型；②輪軌周期性磨耗形成及發(fā)展機理，車輛和軌道系統(tǒng)各零部件的傷損機理；③延長軌道結構及部件服役壽命的有效科學方法。

研究內容：①車輛和軌道系統(tǒng)及其各零部件的模態(tài)特征及振動傳遞特性；②結構部件參數對輪軌耦合條件下軌道系統(tǒng)模態(tài)及軌道系統(tǒng)振動傳遞函數的影響；③輪軌耦合振動對輪軌周期性磨耗的影響機理；④輪軌周期性磨耗的萌生過程和演化規(guī)律再現(xiàn)；⑤延長軌道部件服役壽命的措施和方法。

3.4 高速鐵路鋼軌接觸疲勞傷損機理及預測研究

預期目標：建立考慮真實條件的鋼軌疲勞裂紋-磨耗共存發(fā)展研究方法及分析模型，定量分析鋼軌全壽命周期內裂紋和磨耗的共存關系、相互影響特征、影響因素和規(guī)律，揭示兩者的機理和轉化條件，量化各種因素的影響程度，掌握鋼軌全壽命期間損傷發(fā)展過程。

科學問題：①鋼軌全壽命過程中裂紋與磨耗的相互關系；②裂紋和磨耗發(fā)展過程中各種因素的影響機制和定量效果。

研究內容：①鋼軌疲勞裂紋和磨耗之間的關系；②鋼軌疲勞裂紋和磨耗共存現(xiàn)象的理論描述、數學表達和建模；③模型算法及評判準則；④鋼軌疲勞裂紋與磨耗共存關系；⑤鋼軌疲勞裂紋與磨耗影響機制。

3.5 高速輪軌材料磨損機理及組織硬度演變規(guī)律研究

預期目標：揭示復雜服役工況下高速輪軌材料摩擦磨損及疲勞損傷機制，建立適合我國復雜服役環(huán)境條件下的高速輪軌材料匹配理論。掌握服役中輪軌表層組織與性能的演變規(guī)律和輪軌性能的相互作用關系。為減少車輪磨損、緩解輪軌疲勞損傷、科學制定車輪鏇修和鋼軌打磨周期提供依據。

科學問題：①復雜服役條件下輪軌摩擦磨損及疲勞損傷機理；②不同工況條件下，輪軌摩擦磨損及疲勞損傷影響因素；③服役輪軌表層組織和硬度演變規(guī)律。

研究內容：①復雜服役工況下高速輪軌材料摩擦磨損規(guī)律及疲勞損傷機制研究；②不同工況條件下輪軌摩擦磨損及疲勞損傷影響因素研究；③服役輪軌表層組織和硬度等性能的演變規(guī)律與理論研究。

4 結語

本文對國內外在輪軌關系研究，特別是輪軌接觸疲勞和輪軌周期性磨耗方面所開展的研究工作和取得的研究成果進行了系統(tǒng)的梳理和總結。同時結合我國高速鐵路在實際運營過程中出現(xiàn)的輪軌關系問題，指出目前我國高速鐵路輪軌關系領域研究的不足和存在的問題，并對未來需要開展的研究工作及其主要的科學問題提出建議。主要研究方向包括5個方面：高速鐵路道岔鋼軌磨耗發(fā)展及動力學性能演化規(guī)律研究;高速鐵路輪軌瞬態(tài)滾動接觸行為及輪軌關系模擬;高速鐵路輪軌周期性磨耗萌生演化機理及控制措施研究;高速鐵路鋼軌接觸疲勞傷損機理及預測研究;高速輪軌材料磨損機理及組織硬度演變規(guī)律研究。