神朔重載鐵路波磨病害產生原因分析

劉萬莛

(國家能源集團包神鐵路集團公司神朔鐵路公司，陜西榆林 036203)

鋼軌波磨是指鋼軌投入使用后，在鋼軌表面出現的有一定周期性的磨損和塑性變形現象。鋼軌波磨將引起輪軌力的額外沖擊效應[1]，導致鋼軌波磨及其他病害迅速發展，高鐵、地鐵等客運線路中，鋼軌波磨導致的軌面不平順及車輪多邊形等，會對行車安全及旅客乘車舒適性造成負面影響[2-4]。

導致鋼軌波磨的波長及產生原因較多，不同軌道形式所產生的波磨波長以及產生機理也不盡相同，但鋼軌波磨多發生于曲線地段[5]。Grassie與Kalousek將鋼軌波磨根據其固定波長機理與損傷機理分為了6種形式[6-7]，其中，針對重載波磨情況主要歸結為P2力共振與鋼軌塑性彎曲。

對于鋼軌波磨病害，國內外學者進行大量研究[8]。劉學毅等以磨耗功為對象，發展用于波磨機理分析的輪軌空間耦合振動模型[9]；劉啟躍等通過金相及硬度試驗，分析鋼軌波磨的成因[10]，認為波磨形成主要與軌面不均勻塑性變形相關。諸多學者試圖從輪軌摩擦自激理論、磨耗功理論、塑性變形理論等解釋鋼軌波磨的產生原因，然而，目前對于重載波磨的產生及發展機理仍舊存在較多不足，導致目前對鋼軌波磨的治理依然停留于鋼軌打磨[11]。而重載鐵路運量大，其天窗時間較為緊張，難以對全部的鋼軌波磨區段進行有效治理[12]，以神朔重載鐵路為研究背景，分析在運量增加的背景下，鋼軌波磨的產生原因及對應的整治建議，并通過現場動態試驗對比分析了曲線內外側軌道結構動態響應差異。

1 神朔鐵路鋼軌波磨病害現狀

神朔鐵路西起陜西省神木市大柳塔鎮，東至山西省朔州市，為鐵路為國家Ⅰ級干線雙線電氣化重載鐵路，主要承接神府東勝煤田的煤炭外運任務。隨著我國經濟的穩步增長，煤炭能源需求量也逐年上升，運量需求不斷增長，神朔鐵路投入使用了神華號八軸大功率交流電力機車及多項智能化重載運輸技術體系[13]，大幅提升線路運量及重載運輸效率，近5年，年運量均在2億t以上。

不斷增加的列車軸重及運量導致現場病害頻發，其中鋼軌波浪形磨損是典型病害之一，測量結果表明[14]，主要波磨波長為160～200 mm，最大波深超過0.3 mm。主要分布于R≤500 m的曲線地段內軌。在小半徑曲線地段，即便采用U78CrV高強鋼軌，波磨發展依然較為迅速，嚴重影響鋼軌使用壽命。圖1為曲線地段內外軌表面狀態，由圖1可知，曲線內軌存在較為明顯的波磨現象，且伴隨明顯的塑性流動現象，而曲線外軌狀態較為良好。

在神朔鐵路鋼軌波磨發展過程中，往往會伴隨魚鱗紋、剝離掉塊等軌面病害，進一步加速鋼軌波磨的發展速度。一方面，鋼軌波磨病害將導致車輛-軌道耦合系統中輪軌接觸力產生額外的動力效應，使鋼軌軌面受力急劇增加，引起下部扣件系統、有砟道床產生病害，增加道床搗固、扣件更換等現場工務養護維修量；另一方面，改變的輪軌接觸幾何關系將引起輪軌接觸斑內應力的增加，導致鋼軌表面受力狀態不佳，更易產生塑性流動，改變輪軌接觸關系，使病害發展更加迅速。

2 神朔波磨病害產生機理分析

根據現場調研結果，神朔鐵路波磨現象存在于小半徑曲線，而在直線地段無波磨現象，表明神朔鐵路波磨現象與小半徑曲線地段輪軌受力特征較為密切。在曲線地段，由于貨車三大件轉向架的結構特性，輪軌間沖角將增大，導致輪軌切向蠕滑力大小增加。相較于簡單的垂向受力狀態，在小半徑曲線地段，較大的切向力導致軌面承載能力將急劇下降[10]，進而在大軸重、長編組貨車車輛的碾壓下軌面產生不均勻塑性變形及不均勻磨耗，導致現場鋼軌波磨的產生。輪軌匹配是另一關鍵問題，目前現場鋼軌軌底坡設置均為1/40，相關學者計算表明[15]，當現場軌底坡設置為1/20時，對于現場輪軌接觸關系優化具有一定作用。

受重載鐵路軌道結構的離散支撐特性影響，車輛系統及軌道系統構成的復雜振動系統將不可避免產生結構振動，而三大件轉向架的結構特性將進一步放大這種振動，導致在特定頻段振動增加，引起現場鋼軌初始波磨的產生。波磨產生后，輪軌接觸中將存在以鋼軌波磨波長對應頻率的激勵源，將進一步增強鋼軌波磨的發展趨勢，使鋼軌波磨進一步快速發展。目前，部分學者調頻式鋼軌阻尼器對波磨減緩的影響進行研究[16]，相關結果表明，改變軌道結構阻尼特性后，在部分地段鋼軌波磨病害情況得到了一定程度的緩解，然而，鋼軌阻尼裝置是否能在長編組、大軸重列車作用下保證其工作狀態，并保持其經濟性還需進一步研究。

在聯系群眾、服務群眾方面，重點整治群眾身邊特別是群眾反映強烈的形式主義、官僚主義突出問題。《工作意見》舉例：“漠視群眾利益和疾苦，對群眾反映強烈的問題無動于衷、消極應付，對群眾合理訴求推諉扯皮、冷硬橫推，對群眾態度簡單粗暴、頤指氣使。”這些現象，是嚴重脫離群眾甚至侵害群眾利益的惡劣行為，對此中央明確要求，一定要堅決整治。

3 波磨產生原因

3.1 外軌超高

在平衡超高的情況下，輪軌之間發生的劇烈摩擦振動可能會使軌面形成波磨。而外軌超高的程度也會影響輪軌之間摩擦振動強度(過超高會增加摩擦振動強度，而欠超高則會降低摩擦振動強度)。在某些欠超高較大的情況下，輪軌之間的摩擦振動可能消失，會對軌面波磨的形成與發展有一定延緩效果。在部分神朔線臨近車站地段，長編組列車經過曲線時，普遍無法達到設計超高時所依據的列車平衡超高所需的行駛速度(導致過超高現象)，使曲線內軌存在偏載，可能是導致曲線地段下股鋼軌出現波磨，上股鋼軌狀態良好的原因之一。

3.2 軌道剛度

軌道結構剛度較大地段(如道床板結地段)，由于道床剛度提升，彈性降低，不能將軌道結構上部荷載和列車動荷載均勻傳遞至下部路基，以減緩吸收輪軌之間的沖擊和振動，使線路的平順性降低，且輪對之間的沖角也會隨軌道支承剛度的增大而增大，從而加劇列車通過時輪軌之間的摩擦振動，將加速鋼軌表面波磨的形成和發展。而且鋼軌的波磨也會進一步加速道床的板結，從而形成一個循環的過程。此外，軌道剛度變化不均勻，如路橋、路隧、橋隧等過渡段地區，過渡設置不合理會導致軌道剛度產生突變，列車在通過該地段時輪軌之間難以形成良好的接觸關系，從而導致軌面波磨過早出現與較快發展。

3.3 軌道阻尼

當軌道阻尼正常時，輪對的非自激振動的磨耗功波動衰減較快，故不易形成波磨。當軌道阻尼較低時，輪軌之間會產生摩擦振動，并且在轉向架前后輪的振動疊加作用下，輪軌的摩擦振動加劇，進而導致鋼軌表面波浪形磨耗的形成和發展。

3.4 曲線半徑

當曲線半徑減小時，輪軌之間的垂向接觸力以及縱橫向蠕滑力增大，輪對沖角和振動摩擦增大會加劇波磨的形成與發展。曲線半徑越小，其作用越明顯，波磨的程度越嚴重。在較為合適的曲線半徑情況下，即使出現各種不利因素相互疊加作用，輪軌之間也不會出現相互滑動及波磨，故線路曲線半徑不宜過小。

3.5 軌底坡

合理設置軌底坡，可以使輪軌接觸位置處于鋼軌中部，這對輪軌之間良好接觸受力以及降低鋼軌的磨耗有利。當軌底坡設置過大或者過小，則會改變輪軌接觸狀態及輪對沖角，減小輪軌的接觸面積，加大輪軌之間的接觸應力，進而加速鋼軌磨耗與波磨的產生與發展。

3.6 輪軌摩擦系數

在摩擦系數增加的情況下，橫向蠕滑力增加會加劇外軌波磨的發展，而橫向蠕滑力的波動會加劇內軌波磨的發展，且輪軌摩擦系數越大，輪軌的磨耗也會隨之增大。故在制動允許范圍內，適當降低輪軌之間摩擦系數也是一種有利于延緩軌面波磨產生與發展的方法。

3.7 行車速度

車速提高會加大輪軌之間的相互作用，從而加劇軌面波磨的形成和發展，而且行車速度越快，鋼軌表面的波磨程度越嚴重。當列車通過曲線地段時，選擇合適的行車速度，將有利于延緩軌面波磨的產生。列車在加速和制動的過程中，軌面對車輪的力有切向力、制動力、蠕滑力等，輪軌間的受力狀態將發生改變，從而引發輪軌之間發生摩擦振動，進而在鋼軌表面產生波浪形磨耗。故在加速和制動的地段，軌面往往會出現波磨現象。

4 過超高地段軌道結構動態試驗

4.1 試驗布置

為研究神朔線路小半徑地段內外軌動力響應的特性差異，選取R=400 m小半徑曲線地段進行軌道結構動態測試，車輛速度約50 km/h，設置超高為105 mm。測試主要指標包括曲線內側鋼軌垂向加速度、曲線外側鋼軌垂向加速度、曲線內側軌枕垂向加速度、曲線外測軌枕垂向加速度，現場試驗布置情況如圖2所示。

圖2 現場傳感器布置

4.2 試驗結果分析

圖3為一列長編組重載列車通過小半徑區段時的鋼軌、軌枕結構垂向加速度時程曲線。現場鋼軌、軌枕加速度測試統計結果如圖4所示。從分析結果可知，由于線路存在較大的線路過超高，導致車輛經過時，曲線內側鋼軌及軌枕振動響應均明顯大于曲線外軌。對于鋼軌垂向加速度，曲線內側平均值較外側大23.3%；對于軌枕加速度，曲線內側平均值較外側大90.4%。現場實際軌道動態響應實測結果表明，曲線內側動態響應相較外側具有明顯增幅，可能是導致現場內側鋼軌不斷發展演化的內在原因之一。

圖3 實測加速度時程曲線

圖4 加速度測試統計結果

5 整治措施

根據鋼軌波磨產生的機理，目前雖然無法徹底杜絕波磨現象的產生與發展，但可以通過其他手段使鋼軌波磨較晚出現并延緩其發展。一是減少波磨產生的條件(如輪軌之間劇烈的摩擦振動)；二是在軌面發生損傷后及時進行處理，以防止累加效應帶來的波磨惡性循環。據此，提出以下整治措施。

5.1 線路設計階段的整治措施

在線路設計階段，首先，應著重考慮曲線地段的設計問題，盡量減少小半徑曲線地段；其次，應合理設計過渡段等軌道結構剛度和彈性變化較大的地段，以確保列車通過過渡段時軌道結構的剛度和彈性均勻變化。對于車輛和軌道的參數也應該合理設置，使其相互匹配，合理設置列車在通過線路曲線時的車速，以避免反復出現車輛減速和加速的情況，防止列車通過曲線地段時出現較大的過超高以加劇軌面波磨產生和發展。在小曲線半徑地段等易產生波磨的地段，應采用耐磨鋼軌，不僅能減緩鋼軌表面波浪形磨耗的形成與發展，還能減輕小半徑曲線地段外軌的側磨以及內軌軌頭掉塊的現象。此外，在線路曲線設計時，應適當降低曲線地段的外軌超高，也有助于延緩波磨形成發展。

5.2 線路建設階段的整治措施

嚴格控制線路建設質量，以保證軌道結構的剛度、平順性以及幾何形位符合標準。建設完工之后，應對鋼軌進行預打磨，消除軌面、接頭不平順，使軌頭廓形與車輪踏面較好吻合。

5.3 線路運營階段的整治措施

在線路開通運營前，應統籌做好各個系統部件的溝通交流，應及時調整其參數指標，為線路開通運營和輪軌之間優化接觸做好準備。新線開通3個月左右，應使用打磨車進行打磨工作，防止鋼軌表面波磨的形成與發展。

另外，應增加對易發生波磨地段的線路巡視頻率，一旦發現軌面出現初始波磨，需盡快進行鋼軌打磨的工作，否則已有波磨會加劇輪軌之間的摩擦振動，進一步促進波磨的發展；定期對道砟進行清篩工作，消除道床板結問題及軌枕空吊問題，并結合軌下墊層與扣件的更換，增加軌道結構的彈性和阻尼，將有效延緩鋼軌表面波浪形磨耗產生和發展的速率；合理進行鋼軌倒換工作，如曲線地段內外軌的倒換以及曲線地段鋼軌和直線地段鋼軌的倒換，可在一定程度上抑制軌面波磨的發展。

6 結論

鋼軌波磨作為一種綜合性病害，其產生及發展機理較為復雜，涉及車輛系統、軌道結構、下部基礎等各方面，這也是鋼軌波磨長久以來難以根治的原因。根據現場調研結果及機理分析結果，神朔鐵路小半徑曲線頻發的鋼軌波磨現象與車輛轉向架、軌道離散支撐等均相關。在小半徑曲線地段實施的動態試驗結果表明，對于鋼軌垂向加速度，曲線內側平均值較外側大23.3%；對于軌枕加速度，曲線內側平均值較外側大90.4%。曲線超高導致的偏載及額外的動態響應可能是導致內軌鋼軌波磨病害較為普遍的原因之一，應根據神朔現場實際病害發生發展情況，結合線路建設、運營的不同階段對鋼軌波磨進行針對性整治。