摘要：為了解軌道車輛運營中普遍存在的鋼軌波磨問題，分析了鋼軌波磨的形成機理，闡述了鋼軌波磨對車輛軌道系統動力學性能的影響，綜述了常見的鋼軌波磨檢測、監測及抑制方法，并展望了鋼軌波磨今后的研究方向。研究結果表明：車輛軌道系統耦合振動、輪軌反饋振動、輪軌自激振動和輪軌接觸振動是形成鋼軌波磨的主因，車輛軌道結構、線路運營條件、輪軌材料、鋼軌型面及車輪踏面輪廓等多方面因素相互耦合作用亦會引起鋼軌波磨;重載、高速鐵路及地鐵鋼軌波磨會影響車輛軌道系統動力學性能和車輛與軌道零部件壽命，也會影響扣件、鋼軌、軌枕、軌道板(道砟)和軸箱等零部件的振動特性，各零部件的阻尼、剛度等物理參數與運行條件不匹配時也會造成鋼軌波磨，列車長時間運行在鋼軌波磨路段時會導致車輛軌道結構產生強烈共振，造成嚴重疲勞損傷，影響行車安全;檢測與監測鋼軌波磨是研究和發現鋼軌波磨的重要輔助手段，抑制鋼軌波磨主要通過改善輪軌接觸關系、鋼軌打磨、提高鋼軌表面材料硬度、添加相關摩擦調節劑和輪軌潤滑劑、使用鋼軌吸振器技術、優化輪軌系統結構以及調整列車運營規定等措施來實現;目前而言，鋼軌打磨仍是消除和減輕鋼軌波磨最直接、最有效和最經濟的措施，應提升并改善鋼軌打磨技術。

　　關鍵詞：鋼軌波磨;動力學;機理;鋼軌打磨;抑制措施

　　引言

　　軌道交通是全世界重要的交通運輸方式之一。近年來中國高鐵發展迅猛，大規模發展城軌，重載貨運也在不斷進行技術更新和擴容。鋼軌作為軌道系統中的重要部件之一，承載著列車運行時的所有載荷，不良的輪軌表面磨損和接觸狀態會引起輪軌滾動接觸振動，輪對反復碾壓之后會產生鋼軌病害，導致車輛軌道系統產生強烈的振動和噪聲，還會縮短車輛和軌道相關零部件的安全使用壽命，使列車運行安全性、舒適性及穩定性下降[1]，因此，鋼軌表面狀態的控制對車輛安全和運營舒適性至關重要。

　　交通工程論文范例：城市軌道交通供電系統電能質量分析與預測

　　常見的鋼軌缺陷主要形式包括鋼軌焊合不平、道砟對軌道的印痕、鋼軌塌陷(蠕變、黑色斑點)、鋼軌表面縱向變形(鋼軌波磨)、鋼軌橫向截面變形以及表面疲勞變形等。列車運行時會對鋼軌產生較大振動沖擊，當達到一定運營里程時，鋼軌表面會形成各種損傷缺陷，而鋼軌波磨是最常見的一種鋼軌表面損傷形式。鋼軌波磨又稱為鋼軌表面波浪形磨損，是一種鋼軌頂部工作面沿縱向呈波浪形的一種不平順磨損現象[12]。常見有高速鐵路鋼軌波磨(圖所示)、輕軌(地鐵)鋼軌波磨以及重載鋼軌波磨等。

　　對此，金學松等[2]對近40年來鋼軌波磨的產生機理和抑制方法進行了較為全面的總結和展望。1889年，世界鐵路專家對英國Midlan線上鋼軌波磨現象開展研究，但并沒有對其形成機理給出合理解釋[3]。早期鋼軌波磨現象主要出現在有軌電車線路上，列車經過長年累月的運行，鋼軌波磨現象愈加嚴重，甚至會影響列車運行安全，因此，人們意識到鋼軌波磨是軌道交通系統中需亟待解決的問題之一。

　　Oostermeijer通過對軌道結構、鋼材類型及微觀結構等方面的分析，發現鋼軌波磨與鋼軌垂向振動形式、輪軌接觸面瞬態接觸力和接觸形式、軌道系統模量、輪重荷載以及鋼軌殘余應力等因素相關。自1895年以來，英國、加拿大、德國、日本、澳大利亞等國家也存在同樣的問題，對此，Sato等從鋼軌波磨的萌生、分類和抑制等方面進行了較為全面的評述。鋼軌波磨是世界鐵路技術和理論研究中不可回避的問題，至今仍是世界鐵路行業有待進一步解決的重大技術難題之一。

　　隨著軌道車輛運行速度的提高和運行環境逐漸復雜化，愈加嚴重的鋼軌波磨問題會影響列車的運行狀態。目前在鋼軌波磨問題的整治中，一般采用打磨方法去掉鋼軌上較輕的波磨，對波磨嚴重的鋼軌采取更換的措施來解決，但在打磨或更換鋼軌后3~6個月內，鋼軌波磨現象會再次出現�；�于該問題的嚴重性，有必要對鋼軌波磨形成機理進行深入探究，以尋找更有效的抑制措施來提高鋼軌服役壽命，降低鋼軌波磨對軌道車輛運行狀態的影響。鑒于此，本文結合眾多學者的研究成果，歸納總結鋼軌波磨的分類、形成機理及其對車輛軌道系統的動力學性能的影響，并闡述和討論鋼軌波磨的檢測、監測及抑制方法，期望對后期鋼軌波磨的相關研究提供借鑒參考。

　　鋼軌波磨的分類及形成機理鋼軌波磨的形成機理主要與車輛軌道的動力學狀態相關，在不同環境下鋼軌波磨的表現形式也有所不同，因此，鋼軌波磨從不同角度有不同分類。通過對鋼軌波磨形成機理相關文獻統計分析發現，主流上可分為輪軌反饋理論、接觸振動理論及自激振動理論等，且大部分學者認為鋼軌波磨類型與其形成機理相關，即由鋼軌波磨固定波長機理和損傷機理所導致的種鋼軌波磨類型。另外，鋼軌波磨的形成不僅與車輛軌道參數、鋼軌材料特性以及輪軌接觸狀態有關，還與車輪、軌道結構缺陷和線路特點等因素相關。

　　1.1鋼軌波磨的分類

　　Grassie在全頻率范圍內(50~120Hz)建立了輪軌耦合模型，基于輪軌動力學相互作用關系提出了一種固定波長機理，即由鋼軌塑性變形(塑性彎曲和塑性流動等)、輪軌間滾動接觸疲勞及磨損提出的波磨損傷機理，另外依據這種機理將鋼軌波磨分為類，分別為重載波磨(200~300mm)、輕軌波磨(500~1500mm)、彈性支撐塊輕軌波磨(45~60mm)、接觸疲勞波磨(150~450mm)、車轍波磨長波磨(50mm(電車)，150~450mm)、響軌波磨短波磨(25~80mm)[1]，如表所示，其中P2力共振為簧下質量在軌道整體剛度上的垂向共振。 鋼軌波磨的多樣性使得其分類方法不唯一，按波長主要可分為大類，長波磨(波長為100mm以上)、短波磨(波長為25~80mm)，短波磨常發生在重軸高速直線軌道上，是最常見的鋼軌波磨類型之一。

　　按磨耗類型分為磨損型波磨、塑流型波磨和混合型波磨;按波磨發生的線路分為重載線路波磨、高速鐵路波磨、地鐵輕軌線路波磨和廠區礦區線路波磨;按鋼軌波磨發生位置分為直線段波磨、曲線段外軌波磨和曲線段內軌波磨。高速鐵路線路高速區鋼軌波磨波長一般為60~150mm，車站附近低速區鋼軌波磨波長一般為60~80mm，波磨平均波深一般在0.10mm以內。鋼軌波磨的形成機理按照形成過程大致可分為動力類和非動力類類。

　　動力類觀點認為輪軌系統自激、共振和反饋這類因振動而導致鋼軌波磨產生，且鋼軌表面初始不平順會引起因輪軌接觸振動導致的輪軌間摩擦功波動，但現有動力類成因理論還存在不足之處，如分析單一振動而忽略其他相關振動影響，分析模型不全面且無法研究多種耦合振動工況，難以解釋鋼軌波磨的多樣性;非動力類觀點假定輪軌作用力為常數，由于輪軌間材料不均勻引起的不均勻塑性流動或磨損等原因導致鋼軌波磨，其形成過程還與鋼軌材質和冶煉加工工藝相關，同時該觀點認為輪軌間牽引蠕滑曲線的負斜率會引起輪軌黏滑自激振動，導致輪軌間摩擦功波動，從而形成隨機波長鋼軌波磨。這類觀點在不同軌道線路上都有體現，非動力成因理論主要解釋短波磨的形成原因，如殘余應力、駐波、彈性波及超聲波理論，但對照某些實際線路上的鋼軌波磨特征，上述種理論也存在局限性。鋼軌波磨的波長取決于輪對振動頻率和滾動速度，波深和發展速度取決于輪軌接觸法向載荷的振動幅值和輪軌縱橫向振動幅值(縱橫向滑動)。

　　不同線路上的鋼軌波磨特點也不同，客貨混運鐵路由于列車軸重大，所產生的鋼軌波磨波長范圍一般為200~300mm，且波深較大，所引起的振動頻率較低，一般在30Hz左右。地鐵線路運營列車軸重較輕，運行速度較低，小半徑曲線較多，車站間距較短，列車頻繁制動、啟動，因此，鋼軌波磨波長較短，波長范圍一般為30~120mm，且深度較淺，所引起的振動頻率較高，一般在200Hz以上。

　　鋼軌波磨形成過程伴隨著輪軌振動等動力學影響，需要從輪軌振動方面才能更好地解釋鋼軌波磨成因。鋼軌波磨現象一般發生在鋼軌接觸界面上，是列車和軌道系統相互作用的結果。鋼軌波磨的產生和發展因素眾多，并且各因素之間的關系相當復雜，每一種可能影響因素都是研究鋼軌波磨的出發點，因此，學者們提出了眾多解釋鋼軌波磨產生機理的理論，努力地解釋部分鋼軌波磨的形成規律，但目前尚未形成一套完整的科學理論體系，可闡明所有鋼軌波磨的形成機理和發展規律。

　　1.2反饋振動理論

　　輪軌反饋理論是相關學者依據鋼軌波磨的形成發展和整治方法所提出的一種規律性理論。Grassie等認為不宜用鋼軌波磨的波長說明其產生機理，因此，可利用表示車輛軌道系統動力學性能的固定波長機理和改變鋼軌初始縱向外形的損傷機理理論來說明鋼軌波磨的產生原因。

　　當鋼軌初始為無波磨狀態時，其表面的初始不平順現象和其他因素(如輪軌接觸時的牽引、蠕變和摩擦特性等)會激發出輪軌動力負載(動力負載方向垂直于輪軌接觸面)，以迫使鋼軌輪廓發生變化，列車通過特定波長鋼軌波磨時會劇烈振動，在車輪的不斷沖擊下進一步損壞鋼軌，從而出現由固定波長機理與損壞機理交替循環作用的鋼軌波磨現象。在此反饋循環過程中，鋼軌輪廓的變化在輪軌系統動力學和輪軌材料特性的共同作用下會加快鋼軌波磨的發展。

　　依據反饋理論，李谷等借助輪軌力檢測系統研究了輪軌力異常響應特征與軌道狀態和輪軌力動態特征變化規律的關系，發現含鋼軌波磨的鋼軌表面凹凸缺陷會引起大幅輪軌垂向振動沖擊力，道岔區鋼軌結構和剛度變化也會引起連續輪軌垂向力波動，同時道岔結構變異和鋼軌廓形變化會引起大幅輪軌橫向激振力波動，以至于車輛構架橫向加速度呈周期性波動，從而加速鋼軌波磨形成，在此基礎上提出了可從能量積累方面評價鋼軌病害的觀點。該研究從鋼軌波磨反饋理論出發，為后續開展鋼軌波磨產生機理和輪軌激振力研究提出了新思路。

　　通過對輪軌反饋理論的研究，發現新軌經列車反復碾壓會先在牽引、蠕變和摩擦等條件下出現固定波長鋼軌波磨，后在受動力負載作用下，鋼軌廓形變化會再次導致比初始輪廓更嚴重的鋼軌表面不平順現象，嚴重情況下會損壞鋼軌。基于上述理論，鋼軌波磨的形成是一種正反饋循環調節過程，反饋過程為鋼軌存在初始不平順輪對碾壓產生波磨輪軌振動加劇鋼軌波磨產生，周而復始導致鋼軌磨損狀態更加嚴重，因此，可改變其中一個環節以達到抑制鋼軌波磨發展的作用。

　　1.3自激振動理論

　　車輛軌道系統內部非振動能量轉換得到的激振力波動會導致輪軌產生自激振動，該振動傳遞到輪軌之間，進而形成鋼軌波磨。在一定條件下，該自激振動取決于輪軌系統固有特性和系統內部結構特性。在列車運行狀態下，外部振動與非振動能量會導致內部產生振動，這種自激振動是隨外部激勵的產生而產生，結束而結束，該理論能較好地解釋部分鋼軌波磨的形成原因。陳光雄等提出因輪軌間飽和蠕滑力引起的摩擦耦合自激振動理論能夠對線路上部分鋼軌波磨現象做出合理解釋，其基本觀點認為，當輪軌間蠕滑力等于法向接觸力乘以動摩擦因數時，則會趨近于一個臨界點，此時可能會導致輪軌系統發生摩擦自激振動，從而形成鋼軌波磨。

　　依據此理論，許多學者做了相關研究，崔曉璐等在短軌枕整體道床小半徑曲線段上發現輪對在內軌表面上的垂向振動加速度幅值明顯高于外軌，綜合采用瞬時動態分析和復特征值分析方法分析了該曲線路段車輛的動態響應和不穩定振動模塊，且現場測試和仿真結果一致，由此可通過數值仿真方法預測鋼軌波磨的發展;吳杰等利用有限元軟件ABAQU建立了輪對與鋼軌耦合振動模型，并分析了該模型的自激振動發展趨勢，仿真結果表明鋼軌在特定頻率下會形成鋼軌波磨，該研究能有效預測地鐵科隆蛋軌枕直線軌道上出現的鋼軌波磨情況;張勝等在輪軌系統有限元模型的基礎上建立了地鐵小半徑曲線軌道鋼軌波磨預測模型，將車輪與車軸重新進行過盈配合后模擬出輪軌系統主要的不穩定振動頻率，發現過盈配合輪對相對于整體輪對而言動力學仿真值更接近真實工況。

　　可用該模型仿真預測地鐵小半徑曲線鋼軌波磨的發展及演化;康熙等對小半徑曲線地鐵鋼軌波磨進行了全尺寸和縮尺相似性對比研究，建立了輪對軌道軌枕三者相互耦合有限元模型，發現可用縮尺模型代替全尺寸模型模擬真實情況且能減少計算量，能降低今后研究鋼軌波磨的時間成本。相關研究主要是基于輪軌磨擦蠕滑特性所導致的輪軌自激振動理論建立不同的分析模型，且都能對大部分曲線段鋼軌波磨現象進行預測和仿真分析，為后續研究自激振動所導致的鋼軌波磨問題提供了新的研究思路。

　　2鋼軌波磨對車輛軌道系統的影響

　　鋼軌表面周期性磨耗形態變化會導致車輛振動有規律的變化，進而影響車輛軌道系統動力學行為變化，嚴重情況下會危害行車安全。鋼軌波磨會危害車輛軌道系統間的零部件結構性能，反之車輛軌道系統結構性能變化所導致的系統動力學變化也會縮短鋼軌波磨形成時間。在不同線路上(高速鐵路、地鐵(輕軌)、重載、曲線段和直線段等工況)鋼軌波磨會對車輛安全性、舒適性和穩定性等方面產生影響，情況嚴重的鋼軌波磨會導致車輛軌道系統零部件變形、脫落甚至斷裂。

　　3鋼軌波磨檢測、監測與抑制措施

　　鋼軌波磨會影響列車動力學性能，因此，必須對鋼軌表面磨損狀態進行檢測和監測，以保證列車的行駛安全，從便攜式鋼軌波磨檢測儀到大型鋼軌波磨檢測、監測和打磨于一體的軌道檢修車，對鋼軌波磨的檢測和監測技術探究從未止步，眾多檢測、監測波磨試驗為發現和抑制鋼軌波磨提供了事實依據，依據鋼軌波磨不同的形成機理和試驗檢測出的鋼軌波磨數據，可以用不同的鋼軌波磨緩減措施加以抑制。

　　4研究展望

　　軌道線路上普遍存在的鋼軌波磨是影響車輛軌道系統動力學性能且亟待解決的關鍵問題之一，鋼軌波磨是一種經車輪反復碾壓和與車輛軌道固有特性相關的鋼軌表面周期性磨損現象，它的形成和發展過程會導致列車舒適性、安全性和穩定性降低。新輪軌接觸滾動后逐漸形成鋼軌波磨，隨著鋼軌服役時間的增加，波長波深在某一范圍內變化，即使打磨后的鋼軌同樣會出現這一現象。

　　國內外學者探究了在某些工況下鋼軌波磨的形成機理，但至今尚未形成一套比較完整的科學理論體系，現有研究成果對其他工況下的鋼軌波磨問題難以解釋。圖為鋼軌波磨研究策略，目前，通常采取對鋼軌表面檢測和監測的方法提出措施改善鋼軌表面特性，進而降低其對車輛運行的影響，但檢測和監測設備成本過高，使用不便，不宜量產應用，因此，鋼軌波磨的檢測設備勢必向便捷化、輕量化和智能化方向發展。鋼軌波磨的形成機理主要與列車運行工況和軌道車輛系統結構特性密切相關[102](如車輛軌道結構、車輛運營速度、鋼軌材質、鋼軌扣件等方面)。

　　鋼軌波磨的微觀形態在空間上是曲面，后期可從空間自由度和輪軌系統動力學角度對蠕滑區間進行探究，另外還可從車輪踏面廓形、鋼軌型面以及車輪多邊形[103]等角度進一步研究鋼軌波磨對車輛軌道耦合系統動力學性能的影響，還需探究車輛軌道系統各物理量(蠕滑力、摩擦因數、輪軌表面硬度及輪軌型面參數等)與鋼軌波磨幾何特性之間的定性定量關系。此外，軌枕、鋼軌、扣件和車輛一系懸掛系統等零部件的剛度和阻尼與列車運行條件不匹配也是鋼軌波磨的形成原因之一，因此，還需不斷完善車輛軌道系統動力學仿真計算模型，開展多工況下(高速、低速、重載、輕軌、直線、曲線、啟動、制動等)輪軌耦合動力學特征研究，以解釋鋼軌波磨的形成機理。

　　參考文獻：References:

　　[1]溫澤峰.鋼軌波浪形磨損研究[D].成都西南交通大學2006.ENZefeng.Studyonrailcorrugation[D].Chengdu:SouthwestJiaotongUniversity,2006.(inChinese)

　　[2]金學松李霞李偉等鐵路鋼軌波浪形磨損研究進展[J].西南交通大學學報2016,51(2):264273.JINXuesong,LIXia,LIWei,etal.Reviewofrailcorrugationprogress[J].JournalofSouthwestJiaotongUniversity,2016,51(2):264273.(inChinese)

　　[3]OOSTERMEIJERKH鋼軌波紋磨耗研究綜述[J].都市快軌交通2010,23(2):13.OOSTERMEIJERKH.Reviewonshortpitchrailcorrugationstudies[J].UrbanRapidRailTransit,2010,23(2):13.(inChinese)

　　作者：朱海燕，袁遙，肖乾，黎潔，鄭宇軒