城軌小半徑曲線鋼軌波磨的成因與整治研究綜述

潘健英，李英奇，梁 旭，楊 光，許 鑫，劉豐收

城市軌道交通穿行城區(qū)，線路設(shè)計(jì)受限于城市規(guī)劃，存在較多小半徑曲線，曲線下股鋼軌波磨問題突出。鋼軌出現(xiàn)波磨傷損會(huì)使得輪軌之間振動(dòng)加劇，增大車輛運(yùn)行過程中的噪聲，影響線路沿線的生產(chǎn)生活及旅客乘坐舒適性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)車輛部件、軌道部件造成損傷，加劇軌下基礎(chǔ)病害，增加線路的養(yǎng)護(hù)維修成本，甚至威脅列車運(yùn)行安全。研究城軌小半徑曲線鋼軌波磨病害特征、產(chǎn)生機(jī)理、發(fā)展規(guī)律和整治措施，有助于為線路的新建設(shè)計(jì)預(yù)防鋼軌波磨及養(yǎng)護(hù)維修來緩解波磨提供指導(dǎo)。

1 鋼軌波磨病害特征及形成機(jī)理

1.1 波磨病害特征

鋼軌波磨種類較多，其分類方法也不同。根據(jù)波長(zhǎng)特征，可以分為波長(zhǎng)范圍在25～80 mm 的短波波磨及波長(zhǎng)大于100 mm 的長(zhǎng)波波磨[1-2]，此外，地鐵波磨波長(zhǎng)在30～300 mm之間不等，而且波磨的幅值最大約1 mm。根據(jù)頻率特征，可以分為特征頻率在40～140 Hz 的低頻波磨、特征頻率在140～300 Hz的中頻波磨和特征頻率在300～1 500 Hz 的高頻波磨。鋼軌波磨分類還可以根據(jù)波磨出現(xiàn)所伴隨的軌道結(jié)構(gòu)或者軌道形式進(jìn)行具體特征劃分[3]，地鐵鋼軌波磨分類如表1所示。

表1 地鐵鋼軌波磨分類Tab.1 Classification of subway rail corrugation

Grassie 等[4]依據(jù)輪軌動(dòng)力學(xué)建模分析，提出波長(zhǎng)固定機(jī)理以及損傷機(jī)理，將鋼軌波磨分為6 個(gè)類型，波磨種類及特征如表2所示[2，4]。

表2 波磨種類及特征Tab.2 Types and features of rail corrugation

關(guān)慶華等[5]對(duì)世界各國(guó)地鐵鋼軌波磨進(jìn)行系統(tǒng)梳理，對(duì)比總結(jié)波磨的出現(xiàn)位置、軌道類型、扣件類型以及波磨波長(zhǎng)等基本特征，主要發(fā)生位置為小半徑曲線，波長(zhǎng)范圍包含長(zhǎng)波和短波，曲線處波磨病害主要出現(xiàn)在下股鋼軌。曾向榮等[6]對(duì)北京地鐵5 號(hào)線減振扣件區(qū)段鋼軌波磨進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，直線波磨占比12%，800 m 半徑以下出現(xiàn)波磨占比88%。秦艷[7]總結(jié)深圳地鐵的鋼軌波磨特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)波磨主要出現(xiàn)在半徑為600 m 以下的小半徑曲線區(qū)段、進(jìn)出站和長(zhǎng)大坡道的直線區(qū)段、高車速區(qū)段、減振類道床和扣件等區(qū)段。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外城軌鋼軌波磨的出現(xiàn)位置分析，波磨病害在直線曲線位置都會(huì)存在，但多發(fā)于小半徑曲線區(qū)段，并且主要出現(xiàn)在小半徑曲線下股鋼軌，少部分發(fā)生于直線和大半徑曲線。地鐵線路波磨病害受到列車在該區(qū)段運(yùn)行速度、軌道類型、扣件類型等影響，呈現(xiàn)不同特征波長(zhǎng)。

1.2 曲線段波磨形成機(jī)理

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼軌波磨的形成機(jī)理主要分為動(dòng)力類成因及非動(dòng)力類成因。動(dòng)力成因認(rèn)為輪軌系統(tǒng)的振動(dòng)導(dǎo)致波磨的出現(xiàn)，而引起波磨的振動(dòng)可以分為自激、共振和反饋振動(dòng)3 類[8]；非動(dòng)力成因主要從鋼軌材質(zhì)、接觸表面不均勻塑性流動(dòng)、磨損和接觸疲勞等方面對(duì)鋼軌波磨進(jìn)行解釋[9]。

Matsumoto 等[10]提出曲線段鋼軌波磨是輪軌接觸面上較大的蠕滑和豎向力波動(dòng)造成的。認(rèn)為在曲線半徑較小的情況下，上下股鋼軌的長(zhǎng)度差不能被車輪滾動(dòng)半徑差吸收，下股粘滑更容易發(fā)生，可能導(dǎo)致波磨產(chǎn)生。

劉啟躍等[11-13]提出在接觸表面處切向力和輪軌振動(dòng)的共同作用下，導(dǎo)致鋼軌波磨的形成和進(jìn)一步發(fā)展，振動(dòng)使得輪軌試樣接觸表面發(fā)生不均勻的塑性形變，即出現(xiàn)波磨波峰波谷現(xiàn)象。

Jin 等[14]復(fù)現(xiàn)曲線區(qū)段鋼軌波磨，表明高頻共振是產(chǎn)生波磨的主因，大蠕滑率是其萌生的必要條件，此外，輪對(duì)的橫移以及沖角分別影響輪軌縱向蠕滑、自旋與橫向蠕滑，導(dǎo)致波磨的產(chǎn)生。

李偉[3]提出滑移的發(fā)生是鋼軌波磨發(fā)展的重要條件。Kaess[15]提出無滑動(dòng)的情況下，不會(huì)產(chǎn)生波磨，滑動(dòng)水平增加會(huì)導(dǎo)致波磨嚴(yán)重程度增加，與Jin等[14]研究結(jié)論一致。

張厚貴[16]提出軌下支點(diǎn)結(jié)構(gòu)模態(tài)誘導(dǎo)型鋼軌波磨，即與鋼軌下支撐結(jié)構(gòu)模態(tài)相關(guān)的鋼軌模態(tài)頻率和輪對(duì)的反共振頻率一致時(shí)，在輪軌接觸位置造成鋼軌磨損，形成波磨，其波長(zhǎng)與鋼軌下支撐結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率相關(guān)。

既有地鐵線路鋼軌出現(xiàn)波磨的位置，80%以上在小半徑曲線下股鋼軌上，而小半徑曲線上股鋼軌和大半徑曲線的上股鋼軌幾乎沒有出現(xiàn)波磨傷損[17]。Chen 等[18]通過仿真分析提出輪軌摩擦自激振動(dòng)會(huì)造成鋼軌萌生波磨，其觀點(diǎn)可以用來解釋大部分曲線區(qū)段的鋼軌波磨現(xiàn)象。陳曉麗等[17]建立起曲線半徑和波磨之間的聯(lián)系，認(rèn)為蠕滑力飽和時(shí)輪軌系統(tǒng)有可能出現(xiàn)摩擦自激振動(dòng)，即產(chǎn)生鋼軌波磨。李英[19]、夏晨光[20]也基于摩擦自激振動(dòng)進(jìn)行建模分析，認(rèn)為飽和蠕滑力和輪軌接觸角是導(dǎo)致曲線上下股波磨現(xiàn)象不同的原因。

小半徑曲線鋼軌波磨的成因主要與輪軌接觸時(shí)產(chǎn)生的高頻振動(dòng)有關(guān)，在較小的曲線半徑情況下，上下股鋼軌的長(zhǎng)度差不能被車輪滾動(dòng)半徑差抵消，下股鋼軌的輪軌接觸界面處會(huì)產(chǎn)生較大的黏滑或者大蠕滑，導(dǎo)致在飽和的輪軌蠕滑力作用下引起自激振動(dòng)，振動(dòng)加劇鋼軌表面不均勻塑性變形和不均勻磨耗，形成波峰波谷，從而產(chǎn)生鋼軌波磨，在沒有外界干擾下，波磨逐漸發(fā)展。

2 鋼軌波磨演化規(guī)律

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)縮尺和全尺寸試驗(yàn)進(jìn)行波磨復(fù)現(xiàn)，結(jié)合仿真分析，研究鋼軌波磨萌生-發(fā)展的演化規(guī)律，從蠕滑、振動(dòng)及鋼軌材料的磨損和塑性變形角度出發(fā)解釋鋼軌波磨的發(fā)展，并提出最終波磨不會(huì)無限制發(fā)展，收斂到一定水平不再變化，處于一種安定狀態(tài)。

夏晨光[20]提出鋼軌波磨的發(fā)展與鋼軌磨耗有一定關(guān)系，外軌的側(cè)磨、內(nèi)軌的壓潰和鋼軌的塑性變形共同導(dǎo)致波磨的形成，過程分為3 個(gè)階段：①鋼軌表面具有初始不平順，②鋼軌表面材料發(fā)生硬化和出現(xiàn)表面微裂紋，③鋼軌表面金屬組織產(chǎn)生微滑移，塑性變形累積成較大區(qū)域形成鋼軌波磨。

Matsumoto 等[10]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，鋼軌不同截面處，波磨深度具有不同增長(zhǎng)速度；波磨形態(tài)在移動(dòng)，最后深度可能會(huì)收斂到一定的水平；其生長(zhǎng)速度與磨損的進(jìn)展速度成正比，但對(duì)波磨的波長(zhǎng)特征無影響。

溫澤峰等[21-22]采用有限元法進(jìn)行分析，提出由于非穩(wěn)態(tài)載荷作用，鋼軌表面發(fā)生不均勻的塑性形變，導(dǎo)致波磨的萌生，并且鋼軌波磨發(fā)展的速率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，最終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

王步康等[23]基于彈—塑性接觸力學(xué)以及增量塑性理論研究短波長(zhǎng)的波磨，表明在輪軌反復(fù)接觸作用下，接觸表面發(fā)生硬化并達(dá)到安定極限狀態(tài)，生成有規(guī)律的短波長(zhǎng)波磨。

Jin 等[24]建立曲線車輛軌道耦合模型，結(jié)合全尺寸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：曲線新鋼軌初始不平順的谷深隨著車輪通過次數(shù)增加而減小，初始波磨有向軋制方向移動(dòng)的趨勢(shì)；曲線新鋼軌表面初始不平順幅值逐漸變小，隨后逐漸出現(xiàn)深度和頻率固定的第二種波磨。

文獻(xiàn)[25]結(jié)合日本鐵路的研究綜述，提出在萌生階段，鋼軌表面初期不平順導(dǎo)致輪軌力發(fā)生變動(dòng)，形成鋼軌波磨，同時(shí)由于輪軌之間的蠕滑增大導(dǎo)致小半徑曲線上出現(xiàn)波磨；發(fā)展階段，在波谷位置的輪軌接觸力較大，波峰位置輪軌接觸力較小，導(dǎo)致波谷位置的鋼軌磨損相對(duì)于波峰處較大，不平順狀態(tài)加劇，并且易于形成不同波長(zhǎng)的波磨；穩(wěn)態(tài)階段，不平順幅值增大，使得輪軌無法緊密貼合，抑制鋼軌波磨進(jìn)一步發(fā)展，最終趨于飽和穩(wěn)定狀態(tài)。

B?hmer 等[26]研究表明磨損和塑性變形的共同作用導(dǎo)致波磨出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，提出一個(gè)充分發(fā)展的波磨系統(tǒng)，在物理和幾何上是穩(wěn)定的。

鋼軌波磨發(fā)展和演變的研究表明，充分發(fā)展的波磨最終是處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)。主要將波磨的發(fā)展分為3 個(gè)階段：初始階段，由于鋼軌軌面的初始不平順導(dǎo)致振動(dòng)或者由于蠕滑振動(dòng)等原因，導(dǎo)致鋼軌波磨萌生；發(fā)展階段，由于振動(dòng)使得波峰和波谷的輪軌接觸力不同，加劇鋼軌表面的塑性形變和磨損，使得波磨進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)，在發(fā)展階段，鋼軌波磨存在沿著鋼軌長(zhǎng)度方向進(jìn)行移動(dòng)的趨勢(shì)，在車輪多次通過之后可能出現(xiàn)區(qū)別于初始不平順的第二種波磨；穩(wěn)定階段，鋼軌波磨發(fā)展的速率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，最終處于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，從材料硬化的角度分析，隨著輪軌接觸次數(shù)增加，接觸表面發(fā)生硬化并達(dá)到安定極限狀態(tài)，最終形成物理和幾何形態(tài)上的穩(wěn)態(tài)。

3 鋼軌波磨的整治措施

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于鋼軌波磨的特征、形成機(jī)理及發(fā)展規(guī)律，進(jìn)行多方向多角度的分析和闡述，并基于這些分析給出不同的整治措施，如控制列車通過曲線的速度分布，開發(fā)并使用鋼軌正摩擦調(diào)節(jié)劑改善輪軌接觸摩擦特性，從車輛和軌道參數(shù)角度進(jìn)行優(yōu)化來改善鋼軌波磨病害，提高鋼軌的硬度緩解鋼軌波磨的發(fā)展時(shí)間，對(duì)出現(xiàn)鋼軌波磨的區(qū)域進(jìn)行鋼軌打磨并制定合理的打磨計(jì)劃和打磨周期，以此改善鋼軌波磨帶來的影響。

3.1 控制速度分布

Meehan 等[27]研究提出車輛通過曲線時(shí)，改變速度分布對(duì)于鋼軌波磨增長(zhǎng)率有較大影響，并提出通過控制速度來抑制鋼軌波磨，可以采用不同時(shí)間段和不同線路區(qū)段進(jìn)行運(yùn)行速度的調(diào)整來減緩或者防止鋼軌波磨。

3.2 軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑

Eadie[28]等改用正摩擦調(diào)節(jié)劑改善鋼軌波磨。在地鐵畢爾堡的2條曲線上，18個(gè)月內(nèi)波磨從0.1 mm增長(zhǎng)到0.5 mm，在相同的時(shí)間段內(nèi)使用摩擦調(diào)節(jié)劑后波磨基本沒有增長(zhǎng)[29]。此外，歐洲和日本在不同軌道交通線路摩擦調(diào)節(jié)劑的應(yīng)用使波磨增長(zhǎng)率降低6～11倍，應(yīng)用在易于產(chǎn)生波磨的部位時(shí)，很少出現(xiàn)新的波磨[30]。肖祥龍等[31]建立有限元模型，分析指出通過摩擦調(diào)節(jié)劑控制摩擦系數(shù)對(duì)于鋼軌波磨的緩解是有效果的。

3.3 車輛及軌道參數(shù)

張厚貴[16]通過改造扣件和應(yīng)用調(diào)頻式阻尼鋼軌，緩解北京地鐵線路中剪切型減振器區(qū)段的波磨。劉衛(wèi)豐等[32]在北京地鐵6 號(hào)線上應(yīng)用調(diào)頻式鋼軌減振器，可以有效減緩鋼軌波磨的發(fā)展，延長(zhǎng)鋼軌的打磨周期。方格[33]研究鋼軌吸振器對(duì)鋼軌振動(dòng)衰減率的影響，提出降低沿軌道方向的振動(dòng)波會(huì)起到抑制鋼軌波磨發(fā)展的作用。孫天馳[34]提出從軌道的剛度、振動(dòng)模態(tài)、高頻共振現(xiàn)象、幾何狀態(tài)、與原設(shè)的差異等方面進(jìn)行直接或間接的調(diào)整與改善。蔣忠輝等[35-36]研究認(rèn)為高速鐵路鋼軌波磨會(huì)隨著車輛一系懸掛剛度的增加而加速發(fā)展，其發(fā)展速度在車輛一系懸掛阻尼維持在某個(gè)最優(yōu)值附近時(shí)將會(huì)得到緩解。

3.4 鋼軌材質(zhì)

研究表明減緩鋼軌波磨的發(fā)展可以通過增加鋼軌硬度來實(shí)現(xiàn)，鋼軌脫碳層的深度與最大波深呈指數(shù)遞增關(guān)系，且脫碳層越厚，鋼軌波磨的發(fā)展速度越快。劉學(xué)毅等[37]提出可以通過提高鋼軌的耐磨性能，來減緩波磨的發(fā)展。楚永萍[38]也提到提高鋼軌強(qiáng)度可以作為緩解鋼軌波磨的措施。姚湘靜[39]根據(jù)深圳地鐵鋼軌波磨病害情況，提出小半徑曲線地段應(yīng)采用全長(zhǎng)淬火耐磨鋼軌，能夠延緩鋼軌波磨發(fā)展。

3.5 鋼軌打磨

秦艷[7]根據(jù)深圳地鐵現(xiàn)場(chǎng)鋼軌波磨的大量調(diào)查和分析，提出新線開通前應(yīng)該進(jìn)行全線路的鋼軌打磨，以免鋼軌材質(zhì)本身或其他原因?qū)е碌匿撥壉砻婧徒宇^不平順。新線開通后3 個(gè)月左右打磨鋼軌表面疲勞層，否則將導(dǎo)致波磨快速形成和發(fā)展。既有線路已經(jīng)出現(xiàn)波磨的區(qū)段，合理安排打磨計(jì)劃。劉學(xué)毅等[37]指出鋼軌校正性打磨使得換軌周期延遲20%。姚湘靜[39]研究指出通過鋼軌打磨改善波磨，既兼顧了較低的成本又能保證鋼軌維護(hù)的效果。王青波[40]對(duì)非對(duì)稱打磨展開深入研究，優(yōu)化曲線上輪軌間的接觸狀況。Tanaka等[41]對(duì)鋼軌打磨策略進(jìn)行研究，通過鋼軌打磨去除鋼軌波磨，降低維護(hù)成本。

從鋼軌波磨成因來看，動(dòng)力類成因是輪軌振動(dòng)，非動(dòng)力類成因與鋼軌塑性變形和磨耗等鋼軌材質(zhì)屬性相關(guān)。從上述分析來看，不同結(jié)構(gòu)體系具有不同的振動(dòng)頻率，在不同列車運(yùn)行速度下，出現(xiàn)不同的特征波長(zhǎng)，通過控制列車運(yùn)行在不同區(qū)段時(shí)的速度可以避開特征頻率，從而較少出現(xiàn)波磨。另外，通過控制扣件剛度、采用鋼軌吸振器等手段改變軌道剛度，或者通過涂層等改變車輪剛度以及改變懸掛系統(tǒng)的阻尼和剛度，有效避免一些特征頻率，有助于減少波磨的產(chǎn)生。由于大蠕滑和飽和蠕滑力引起摩擦自激振動(dòng)使得波磨產(chǎn)生，因此可以采用軌頂面摩擦調(diào)節(jié)劑有效減少蠕滑力，減緩不均勻磨耗，從而減少或者減緩波磨的產(chǎn)生和發(fā)展。此外，通過在曲線位置鋪設(shè)硬度較高的鋼軌，可以有效地減緩塑性變形和鋼軌磨耗，以及波磨的萌生和發(fā)展。在產(chǎn)生鋼軌波磨以后，鋼軌打磨是最有效的直接消除鋼軌波磨的手段，使得鋼軌表面恢復(fù)到較為平順的階段，短時(shí)間內(nèi)緩解由于波磨引起的強(qiáng)烈的輪軌振動(dòng)，此外，在新線開通前鋼軌預(yù)打磨可以消除鋼軌表面的脫碳層，去除較軟的表面組織，降低不均勻塑性變形產(chǎn)生的可能，同時(shí)可以改善鋼軌表面初始不平順，減少由于初始不平順而導(dǎo)致的鋼軌波磨。但目前所有手段都只能用來緩解和暫時(shí)消除鋼軌波磨，無法根除鋼軌波磨。

4 研究結(jié)論

（1）分析不同鐵路鋼軌波磨的特征可知，地鐵鋼軌波磨波長(zhǎng)從短波到長(zhǎng)波不等，波磨幅值一般較大，分析小半徑曲線鋼軌波磨的成因，在半徑較小情況下，下股鋼軌的輪軌接觸界面處會(huì)產(chǎn)生較大的黏滑或者大蠕滑，導(dǎo)致在飽和的輪軌蠕滑力作用下引起自激振動(dòng)，振動(dòng)加劇鋼軌表面不均勻塑性變形和不均勻磨耗，形成波峰波谷，從而產(chǎn)生鋼軌波磨。

（2）充分發(fā)展的波磨最終處于穩(wěn)定狀態(tài)。波磨的發(fā)展主要分為3 個(gè)階段：初始階段，存在初始不平順或者由于振動(dòng)導(dǎo)致鋼軌表面不均勻磨耗及塑性變形，波磨產(chǎn)生；發(fā)展階段，振動(dòng)使得波峰和波谷的輪軌接觸力不同，加劇鋼軌表面的塑性形變和磨損，使得波磨進(jìn)一步發(fā)展；穩(wěn)定階段，不平順幅值增大，使得輪軌無法緊密貼合，同時(shí)，接觸表面發(fā)生硬化并達(dá)到安定極限狀態(tài)，使得波磨發(fā)展的速率下降，最終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）不同結(jié)構(gòu)體系具有不同的振動(dòng)頻率，在不同列車運(yùn)行速度下，出現(xiàn)不同的特征波長(zhǎng)，通過控制列車運(yùn)行在不同區(qū)段時(shí)的速度可以避開特征頻率，從而較少出現(xiàn)波磨的產(chǎn)生。采用軌頂面摩擦調(diào)節(jié)劑可以有效減少蠕滑力，并減緩不均勻磨耗，從而減少或者減緩波磨的產(chǎn)生和發(fā)展。在產(chǎn)生鋼軌波磨以后，鋼軌打磨是最有效的直接消除鋼軌波磨的手段，使得鋼軌表面恢復(fù)到較為平順的階段，短時(shí)間內(nèi)緩解由于波磨而引起的強(qiáng)烈的輪軌振動(dòng)，但目前所有手段都只能用來緩解和暫時(shí)消除鋼軌波磨，無法根除鋼軌波磨。