基于試驗驗證的磨耗型鋼軌波磨形成機理

堯輝明， 沈 鋼， 高利君

(1. 同濟大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院, 上海 201804; 2. 上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院, 上海 201620)

鋼軌的波浪型磨耗(波磨)是輪軌系統(tǒng)中常見的磨損形式之一，長期以來一直難以徹底解決.國內(nèi)外專家對波磨的形成機理進行了大量的研究[1-4]，Grassie和 Kalousek[1]在1993年第一次提出了一個較為完整的波浪形磨耗產(chǎn)生機理圖，給出了表示車輛-軌道系統(tǒng)的動力學(xué)性能的定波長機理和改變鋼軌初始縱向外形的磨損機理，認(rèn)為只通過波長的長短來對波浪形磨耗進行分類是不全面的；Frederick[5]在1986年為了預(yù)測鋼軌表面特定波長的周期模式是否被通過的車輪加深或消除，利用測量結(jié)果來量化輪軌垂向、橫向、縱向動力特性輸出；Valdivia[6]從純分析的角度獲得了同樣的結(jié)論，整合法向、切向接觸力學(xué)方程，計算出車輪和鋼軌響應(yīng)，最后做出磨損分析；在日本，東京大學(xué)的Matsumoto等[7-8]進行了很多有關(guān)波磨的研究，從各種不同的角度研究了小半徑曲線處波磨的形成機理和應(yīng)對措施.劉啟躍等[9-10]利用JD -1型輪軌摩擦學(xué)模擬實驗機在室內(nèi)再現(xiàn)了鋼軌波磨，分析了初始波磨形成后波長與轉(zhuǎn)速的關(guān)系、波磨波長與載荷關(guān)系、車輪轉(zhuǎn)速與波長關(guān)系、波磨波長與蠕滑率的關(guān)系，結(jié)果得到模擬實驗中試件出現(xiàn)的波長與載荷無關(guān)而與轉(zhuǎn)速、蠕滑率成正比關(guān)系，在初始波磨形成以后，波磨波長不隨轉(zhuǎn)速的變化而改變，輪軌之間的切向力在鋼軌波磨的形成和發(fā)展過程中起著極為重要的作用.

這些波磨的成因機理研究基本停留在宏觀層面，波磨的種類繁多，形式不一，在重載線路、輕軌地鐵、高速鐵路的直線和曲線都有出現(xiàn)，尤其在快速發(fā)展的地鐵系統(tǒng)，波磨在小半徑區(qū)段，甚至在直線區(qū)段也經(jīng)常反復(fù)出現(xiàn).波磨在形式上有長波、中波和短波之分；也有塑性壓潰型、磨耗型以及壓潰和磨耗混合型.不管什么類型的波磨，最終的危害都是嚴(yán)重的，即會造成輪軌間的高頻沖擊、巨大的動作用力和巨大的噪聲，會導(dǎo)致輪軌系統(tǒng)的疲勞損壞.本文探索磨耗型波磨的形成微觀(接觸斑范圍)機理的研究，即僅關(guān)注接觸點區(qū)域.

1 波磨的微觀機理

一般波磨的機理可以敘述為：波磨是由2種機制作用而產(chǎn)生的，這2種機制稱為磨損機制和波長鎖定機制，如圖1所示.波磨的形成周期分為初始形成期和發(fā)展期[4].

圖1 波磨形成機理

輪軌系統(tǒng)近輪軌接觸點附近的結(jié)構(gòu)因不同的線路結(jié)構(gòu)和車輛有較大差異，比如鋼軌下的軌墊剛度、軌枕形式和道床形式有多種.車輛的一系懸掛剛度、輪對組成的質(zhì)量也不同.這些因素都會影響波磨的形成和發(fā)展，因此從宏觀看會出現(xiàn)有眾多波磨成因的結(jié)果，一旦其中有一項參數(shù)發(fā)生變化，這個成因就會不成立，因此會造成預(yù)測的誤判.

若從微觀考量，情況就會相對簡單，即微觀的接觸區(qū)僅存在切向的輪軌作用和垂向的壓力作用，切向作用必然存在蠕動或滑動；法向的壓力作用必然會有塑性形變.可以推測假定這種作用是隨機性的，那就不應(yīng)該有波磨.磨耗是均勻的，那必然存在嚴(yán)格的確定性磨損規(guī)律才有可能形成波磨，這個規(guī)律可以表達為：在凸起處的磨損相對于低凹處的磨損小，產(chǎn)生這個現(xiàn)象的機理就是波磨的微觀機理，可以適用于任何場合，解釋任何波磨現(xiàn)象.

2 磨耗型波磨的波長鎖定機制理論分析

對于磨耗型波磨而言，磨損的形式主要是切向滑動，若產(chǎn)生了波磨，則必然這種滑動磨損的強度是周期性的.由于這種周期性振動具有微觀高頻、高載荷特征，不宜采用傳統(tǒng)的輪軌時不變模型進行論證，為此采用基于物理現(xiàn)象的理論分析方法，再用試驗方法論證.圖2示出了這種波磨鎖定機制的理論推理.圖2中左側(cè)是輪軌切向蠕滑率ξ與切向蠕滑力T的在不同正壓力下的關(guān)系曲線族，右側(cè)圖是沿波磨方向長度s和正壓力N(左側(cè)坐標(biāo))以及波磨幅度h(右側(cè)坐標(biāo))的關(guān)系圖，中部指向紙面內(nèi)的坐標(biāo)是左側(cè)圖中的切向力響應(yīng).左側(cè)圖中示出了2條曲線，上方是正壓力較大的蠕滑率和蠕滑力曲線，下方是正壓力較小的蠕滑率和蠕滑力曲線.假設(shè)此時輪軌的工作點在ξ0處，波磨的垂向剖面形狀如右側(cè)圖的下方所示，由于沖擊作用，推測高點的正壓力會大于低點的，即如上方的曲線所示，均值為輪重N0，振幅為Nmin-Nmax，對應(yīng)左側(cè)的曲線上下線，這2條線與工作點交點為A和B，假定A的變化斜率為正，B點的變化斜率為負(fù)，由于斜率的正負(fù)相當(dāng)于輪軌間橫向接觸剛度特性，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)剛度時將發(fā)生黏滑振動，會導(dǎo)致如右側(cè)圖中間的橫向切向力曲線的周期顫振，顫振較大處位于波磨的低谷區(qū)，較小的顫振處于波磨的峰值區(qū)，這樣就會使波磨不斷加深發(fā)展.這里有2個條件必須成立，一是輪軌表面存在能夠磨損軌面的切向黏滑振動；二是正壓力有一定交變幅值，切向蠕滑率正好位于正負(fù)交變點.這時切向滑動出現(xiàn)周期性，波磨就會加劇發(fā)展.為了驗證這2個條件，先后進行了現(xiàn)場試驗和實驗室試驗.研制了一個小比率雙輪滾動試驗臺，用來獲得不同正壓力下的蠕滑率-蠕滑力特性曲線.

圖2 磨耗型波磨的波長鎖定機制理論分析示意

Fig.2Theoreticalschematicdiagramofthewavelengthlockingmechanismofwornprofilerailcorrugation

圖2可以清楚地說明，當(dāng)蠕滑水平很高時，即都處于負(fù)斜率段，波磨將不會有，但會有嚴(yán)重的輪軌磨耗；當(dāng)蠕滑水平很低時，即都處于正斜率段，波磨也不會有，磨耗也?。蝗绻\行初期輪軌正壓力動載荷沒有足夠大達到正負(fù)斜率的交變點，則波磨也不會很快產(chǎn)生，但隨著鋼軌粗糙度引起的磨耗達到一定幅值時，導(dǎo)致正壓力達到正負(fù)斜率的交變點，波磨就開始加劇了.

根據(jù)上面的理論推理，需要對以下幾個關(guān)鍵問題進行試驗論證.關(guān)鍵問題為：

(1) 當(dāng)蠕滑率較大時是否存在負(fù)斜率段？蠕滑力的峰值點是否隨正壓力變化而變化，變化的方向是否為正壓力越大越向蠕滑率大的方向滑動？

(2) 在負(fù)斜率段處輪軌是否會出現(xiàn)切向的黏滑振動？負(fù)斜率段消失時是否振動減緩？

3 小比率雙輪滾動試驗臺試驗驗證

小比例雙輪滾動試驗臺主要目的是通過模擬軌道車輛輪軌的局部切向滑動，觀察在不同等效正壓力作用下的蠕滑力-蠕滑率特性曲線.

3.1 雙滾輪試驗臺的原理模型

圖3為研制的小比率雙滾輪黏滑振動試驗臺的原理模型.它由上滾輪A、下滾輪B和支撐加載及驅(qū)動裝置等組成.滾輪B由一電機驅(qū)動可以不同的恒定速度轉(zhuǎn)動，滾輪A隨滾輪B轉(zhuǎn)動，可以通過一偏角調(diào)節(jié)裝置相對于滾輪B轉(zhuǎn)動一個角度φ，以此角度引起的橫向蠕滑模擬輪軌切向蠕滑.滾輪A上部有彈性加載裝置，使兩輪的接觸處有一恒定的正壓力N.軸向蠕滑力由一個與滾輪B軸串聯(lián)的傳感器測得，圖中ω指B輪的角速度.

圖3 試驗裝置原理

3.2 雙滾輪試驗臺裝置設(shè)計及實物

圖4為小比例雙滾輪試驗臺裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)圖.試驗臺機械裝置結(jié)構(gòu)共有5大部分組成，分別為輪軌模擬裝置、垂向加載裝置、軸向驅(qū)動約束裝置、角度調(diào)節(jié)裝置、整體框架支撐裝置.電動機驅(qū)動模擬軌輪通過變頻調(diào)速器可控制驅(qū)動軸和模擬軌輪的轉(zhuǎn)速，模擬軌輪通過軸承座支撐，軸承座采用橫向無約束止擋軸承座，軸圈可在軸向做自由伸縮運動，保證橫向力向平面軸承方向的力的傳遞.

1-垂直加載絲杠； 2-上端蓋； 3-加載彈簧； 4-角度調(diào)節(jié)裝置；5-垂向載荷傳感器； 6-下端蓋； 7-模擬車輪； 8-電動機； 9-橫向可移動十字聯(lián)軸器； 10-模擬軌輪； 11-平面滾珠球軸承；12-橫向載荷傳感器

圖4小比例雙滾輪試驗臺裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)

Fig.4Designstructurechartofsmall-scaleddouble

wheelstestrig

聯(lián)軸器選用常用的SL100型號聯(lián)軸器，對聯(lián)軸器進行改造增加滾動體、滾道，滾動體和滾道可使聯(lián)軸器在傳遞扭矩的同時又能使兩半軸在軸向上自由伸縮運動，使模擬車輪和模擬軌輪之間產(chǎn)生的橫向力自由傳送到平面軸承和橫向載荷傳感器上，從而獲得不同角度下的橫向蠕滑力.

模擬車輪和模擬軌輪的設(shè)計主要依據(jù)實際車輪和鋼軌的幾何尺寸和共振頻率進行比例設(shè)計，并進行模態(tài)分析，設(shè)計模擬車輪的共振頻率盡可能與實際車輪接近，并在保證最大施加壓力的情況下車輪不至于變形量過大，而模擬軌輪的設(shè)計則以共振頻率盡可能大于模擬車輪3倍以上來進行設(shè)計,如圖5所示.

模擬車輪上方通過角度調(diào)節(jié)裝置旋轉(zhuǎn)模擬車輪支架進行車輪的搖頭角度調(diào)節(jié)，角度調(diào)節(jié)通過旋轉(zhuǎn)絲杠可精確控制車輪的旋轉(zhuǎn)角度.通過垂直加載絲杠調(diào)節(jié)壓力彈簧的壓縮量來調(diào)節(jié)給定壓力大小，在壓力彈簧和車輪支架之間設(shè)置壓力傳感器獲得垂向壓力.垂向傳感器和橫向傳感器通過數(shù)據(jù)采集裝置進行數(shù)據(jù)采集，通過設(shè)置和軟件處理可實時顯示和存儲模擬車輪和模擬軌輪之間的垂向和橫向壓力，從而精確得出輪軌間的橫向蠕滑率.最終設(shè)計成型的實物圖如圖6所示.

圖5 輪軌尺寸(單位：mm)

圖6 小比例模擬輪軌試驗臺實物

3.3 試驗結(jié)果

圖7為一典型的試驗結(jié)果，圖中橫軸為偏角，可以看成是橫向蠕滑率的變化，縱軸為橫向蠕滑力，圖中顯示了3條在不同正壓力作用下的蠕滑力與偏角的變化曲線.可見當(dāng)正壓力由 400 N增大至500 N和600 N時，最高蠕滑力的峰值點向右側(cè)移動，與圖2中左側(cè)的假設(shè)曲線一致.證實了第2節(jié)問題(1)中的論點.

4 現(xiàn)場黏滑振動試驗的驗證結(jié)果

為了驗證曲線波磨區(qū)段是否存在嚴(yán)重的切向黏滑振動，對一地鐵300m曲線附近建立了試驗段，測點布置見圖8.列車首先經(jīng)過直線比較點，該點的內(nèi)軌上布置了垂向/橫向加速度傳感器，接著經(jīng)過圓曲線測點1，同樣在圓曲線測點1的內(nèi)軌上布置了垂向/橫向加速度傳感器.隨后列車經(jīng)過在軌面進行了摩擦特性控制的圓曲線測點2，該點的軌面涂敷了一層摩擦控制劑，使摩擦系數(shù)控制在0.3 左右，且沒有負(fù)斜率特性，該點也在內(nèi)軌上布置了垂向/橫向加速度傳感器.分別見圖9.

圖7 不同正壓力作用下的蠕滑力-偏角的變化曲線

圖8 測點的布置方案

a 直線段b 曲線段c 曲線段(涂敷)

圖9測點傳感器布置

Fig.9Sensorsplacementdiagrams

該曲線處的波磨測量結(jié)果見圖10.峰峰值為0.5～0.6 mm，波長為200 mm左右.

主要試驗結(jié)果的對比見圖11，圖中PSD表示加速度功率譜密度.自上而下分別為直線、曲線測點1

圖10 鋼軌的波磨測量

和曲線測點2，左側(cè)為垂向加速度，右側(cè)為橫向加速度.對比左側(cè)的垂向加速度曲線，由于曲線區(qū)段存在波磨，垂向加速度遠(yuǎn)大于直線區(qū)段的，涂敷不會減少垂向加速度，中心頻率在70～90 Hz左右.對比右側(cè)的橫向加速度曲線，可見直線區(qū)段沒有明顯的橫向周期性振動，但曲線測點1存在2個周期振動，一個是70～90 Hz的，另一個是150 Hz為中心頻率的周期振動.150 Hz的振動能量更大.但曲線測點2處的橫向加速度發(fā)生了變化，150 Hz的振動明顯消減，但70～90 Hz的仍然存在.可見70～90 Hz的可能是垂向波磨振動的分量.而150 Hz的振動就是預(yù)測的黏滑振動，當(dāng)摩擦特性改變后，立即消減了.表明這種振動是波磨加劇的直接原因.

a 直線垂向

b 直線橫向

c 曲線垂向未潤滑

d 曲線橫向未潤滑

e 曲線垂向潤滑

f 曲線橫向潤滑

5 結(jié)論

理論分析了鋼軌波浪型微觀擴展機制，著重分析了鋼軌波磨波長鎖定機制的機理，并研制了小比率的滾動臺對不同正壓力下的蠕滑力-蠕滑率變化規(guī)律進行了驗證,也進行了波磨區(qū)段的不同黏滑特性下的振動測量分析.根據(jù)理論推導(dǎo)的行成機制，表明磨耗型波磨的形成機制是2個必要且充要條件都具備時產(chǎn)生的，即輪軌表面有較強的切向滑動或黏滑振動，同時波磨幅值達到了由動態(tài)正壓力觸動的、由輪軌黏滑特性配合的周期性切向磨損這2個條件.理論分析推理和試驗驗證的機理理論可以解釋實際工程中的多種波磨現(xiàn)象.