鋼軌波狀磨耗發展機理概述

1 引言

鋼軌波狀磨耗（以下簡稱“鋼軌波磨”）是指在列車荷載作用下，鋼軌軌面沿縱向形成的波浪狀、間距規則的高低不平順磨耗現象（圖1）。鋼軌波磨不僅是導致列車在運行過程中產生異常振動和噪聲的原因，也是造成軌道各部件狀態、性能惡化的重要誘因。解明其發生和發展的機理是軌道交通技術領域的長期課題。日本鐵道綜合技術研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）一方面通過理論分析和仿真解析從理論上明確鋼軌波磨發展的原理和機制，另一方面利用在運營線路上測得的鋼軌不平順數據驗證上述理論分析和仿真計算結果。文章將簡述其通過研究解明的鋼軌波磨發展機理。

圖1 鋼軌波磨示例

2 鋼軌波磨特征

為解明鋼軌波磨的發展機理，需對運營線路進行精確的鋼軌不平順檢測。為此，鐵道綜研開發了鋼軌不平順連續檢測裝置（圖2）。該裝置搭載在人力推車上，由人力推動沿線路移動；其配置了多組非接觸式激光形變傳感器，可實現對鋼軌不平順的連續精密檢測。

圖2 鋼軌不平順連續檢測裝置

由線路鋼軌不平順檢測結果可知，鋼軌波磨的波長為30～3?000?mm不等，既有30?mm左右的短波長磨耗，也有約1?000?mm的長波長磨耗；其振幅（即波谷和波峰之間的高度差）也各異，包括從肉眼不可見的微小不平順到0.5?mm左右的較大形變；而且鋼軌波磨的波長越長，其振幅越大。

鋼軌波磨大多發生在曲線區間的內側鋼軌上，也會出現在曲線區間外側鋼軌及直線區間鋼軌上。

3 鋼軌波磨的形成

鋼軌波磨的形成源于鋼軌軌面微小、不規則的初期不平順形變所導致的輪軌接觸力（此處指軸重）變動。這些初期微小形變的發展進度會因受到諸多因素（如線路及車輛條件、輪軌接觸力（軸重）等）的影響而不同。小半徑曲線上出現鋼軌波磨的原因通常是輪軌之間的蠕滑加大。

4 鋼軌波磨發展機理

當一列列車通過時，鋼軌軌面的磨耗量是微不足道的，但在許多列列車通過后，軌面便可能產生周期性的波浪狀磨耗。這意味著，在列車載荷的反復作用下，軌面產生了某種可令其不平順形變加劇的特定波長，這是波磨發生的基礎。

為理清鋼軌波磨發展機理，鐵道綜研進行了如下研究。首先，采用可考慮車輛和線路相互作用的動力學理論解析模型，根據模型設定，在軌面上設置一定波長的不平順形變，以研究車輛在該條件下運行所引起的其自身及軌道的振動（圖3），以及輪軌接觸力（輪重）的周期性變化。然后，根據上述測試結果，在鋼軌磨耗和輪軌接觸力成比例的假設下，對比鋼軌不平順形變在車輛通過前后的幅度變化。如果鋼軌不平順形變在車輛通過后加劇，說明在此設定波長下，波磨會增加；反之，則說明在此設定波長下，不平順形變會逐步被磨平。

圖3 鋼軌軌面不平順導致軌道和車輛振動示意圖

經過對不同軌道線路、車輛、速度條件下的鋼軌不平順形變增長率進行長期研究，鐵道綜研解明了鋼軌波磨發展的機理，即當列車通過時，鋼軌不平順波谷處的輪軌接觸力大，而波峰處輪軌接觸力小，這必然導致波谷處的磨耗比波峰處更大，從而使軌面的不平順形變加劇（圖4）。此外，易導致鋼軌波磨發展的波長并不唯一。

圖4 鋼軌波磨發展機理示意圖

5 鋼軌波磨發展主要原因

車輛通過時所引起的鋼軌不平順形變幅度越大，不平順形變加劇的速度則越快，這種情況很快會以波磨的顯在形式表現出來。本章將以軌道和車輛的振動特性為出發點，分析鋼軌波磨發展的主要原因。

對一個振動系統施加周期性作用力時，作用力的頻率不同，位移量也不同。例如，在對一個由質點和彈簧構成的振動系統施加頻率1的力時，較小的作用力就可以引起振動系統較大的位移；而在施加頻率2的力時，較大的作用力卻只引起了較小的位移（圖5）。

通過理論模型分析可知，鋼軌不平順形變幅度增大的情況相當于軌道和車輛構成了如圖5b所示的振動系統，在相應振動頻率下，其即使承受較大作用力也不易發生位移；換言之，當鋼軌不平順振幅驅使軌道和車輛產生振動時，這種較難引起位移的振動頻率會導致輪軌之間產生較大作用力，從而加速不平順形變波谷處的磨耗，導致不平順形變幅度顯著加大。

圖5 振動系統作用力與位移關系示意圖

6 鋼軌不平順振幅的飽和

鋼軌波磨不會一直無休止地發展下去。由其發展過程的數值模擬分析可知，在鋼軌不平順振幅增加至一個較大的數值后，其發展會受到抑制，即呈現明顯的振幅增長飽和傾向。其原因在于，隨著波磨的發展及不平順振幅的加大，車輪無法始終嚴密地貼合軌面行駛，波磨發展的條件受限，其發展被抑制。

7 鋼軌波磨發展過程

綜上所述，鋼軌波磨會按照如圖6所示的發展過程往下發展。在形成期，由于軸重變動等因素影響，鋼軌產生微小、不規則的不平順形變；在成長期，輪軌間的初期微小不平順激起輪軌間的振動，從而導致不平順加劇，并以波磨的形式顯現出來；進入飽和期后，波磨受其發展機理的影響而被抑制，達到不平順振幅飽和狀態。

圖6 鋼軌波磨發展過程

8 結語

長久以來，打磨和更換鋼軌是解決鋼軌

波磨問題的常用對策，但是通常在養護后還會產生相同的波磨，這是線路養護的難題。今后，應以鋼軌波磨的發生機理為出發點，提出更好的對策方案。