钢轨波浪形磨耗原因分析与对策

张博

摘要：准东铁路建设于1998年，2001年正式通车，主要以煤炭运输为主。全长323.245公里，正线224.935公里，站线98.309公里。属于典型的山区重载铁路，隧道多，桥梁多曲线多坡度大等特点，使用的钢轨为P60U71M和P60U78V两种型号的钢轨。

关键词：钢轨波浪形;磨耗原因;对策

波浪形磨耗的定义与分类

波浪形磨耗（简称波磨）位于钢轨顶面与车辆车轮的接触面，在钢轨顶面白光中一种波浪形状的不均匀磨耗伤损。

波浪形磨耗分为磨耗性波磨、塑流性波磨和混合性波磨3种。

一、波浪形磨耗形成的原因

当车辆通过曲线半径较小的线路时，由于轮对冲角的改变，轮轨的纵向剪切力超过轮轨黏着极限，轮轨间发生纵向滑动，滑动处形成波谷;滑动后释放了积累的能量，使轮轨又处于黏着状态，钢轨表面出现波浪形波磨。

磨损性波磨是由于轮对在通过曲线时，轮对扭曲共振导致交替的纵向力，从而在车轮与钢轨间发生纵向滑动而产生波磨。这不仅与车轮的重力角刚度特性有关，而且与曲线曲率及轮轨黏着状态有直接关系，主要是轮轨之间的粘滑振动导致内轨顶面的波磨。当车辆通过曲线半径较小的线路时，由于轮对冲角的改变，轮轨的纵向剪切力超过轮轨黏着极限，轮轨间发生纵向滑动，滑动处形成波谷;滑动后释放了积累的能量，使轮轨又处于黏着状态，钢轨表面出现波浪形波磨。

道床不洁，污染严重，轨枕下道碴含土或石粉严重（轨枕下60mm处就已经出现），有严重的板结现象。使线路的横向及纵向阻力加大，但道床的弹性减小，反弹力增大，容易产生波磨。

钢轨下大胶垫损坏严重，较大的损坏率为86%，较小的损坏率也达到了10%，使线路的弹性下降，容易产生波磨。

钢轨的材质与运量不匹配，准东铁路重车线大部分是U71Mn的包钢生产的钢轨，这类钢轨含碳量低，强度和韧性较小，对重载大运量线路不适合，难以承受，导致波磨的产生。

二、波浪形磨耗的危害

根据钢轨的伤损标准，在桥梁上或隧道内的轻伤钢轨，应及时更换或处理。重车线的小半径曲线大部分集中在桥、隧上，现已对行车造成了严重威胁;

经机车车轮在波磨地段的连续冲击振动，对机车、车辆易产生较大的破坏性振动;

小曲线波磨地段，加速对轨道结构造成破坏，产生轨道空掉、泛白、坍砟等基床病害。

准东铁路大多数波磨钢轨都产生在曲线上，而且波磨钢轨引起的振动对机车、桥梁、路基及道床都有极大的破坏，对列车的运行有着不稳定因素，有导致列车脱轨的安全隐患。

三、波浪形磨耗的对策

曲线钢轨的波浪形磨耗是不可避免的，但是通过采取各种措施，可减缓曲线上钢轨波磨伤损的发展和生产。

1、有效的实施钢轨打磨，钢轨打磨分为两种，是预防性打磨和修理性打磨。预防性打磨可以消除曲线地段粘滑振动和消除粘滑振动应起的不均匀磨耗的叠加效应。修理性打磨针对较大的波磨伤损，终止波磨的恶性循环式的发展。打磨是解决钢轨波磨的主要方法，可提高钢轨的使用寿命。

2、大机清筛易出现波磨地段的线路，对桥梁，隧道地段人工清筛，彻底解决道床板结问题，增加道床的弹性。

3、更换胶垫，对胶垫的质量严格把关，选用高弹胶垫，恢复线路弹性。

4、选用高强度钢轨，增加钢轨的耐磨性，延缓波磨的产生和发展。

5、增设斜性胶垫，增加钢轨与轮对的接触面，减小二者之间的纵向滑动，抑制轮轨处在黏着状态，从而减少波磨的产生。

6、加强线路的保养和调查，对曲线经常检查钢轨状态和测量曲线的几何尺寸，胶垫的损坏程度，道床的清洁度等。

四、城市轨道交通钢轨波磨特征综述

钢轨波磨作为城市轨道交通钢轨伤损的主要形式之一，早已引起了发达国家轨道交通工务部门的重视。美国、加拿大、法国、意大利和日本等国先后对所在地区的轨道交通线路上的波磨进行了大范围的观测与统计，总结出了轨道交通钢轨波磨的一些特征。Tassilly等在20世纪80年代末期对巴黎都市轨道交通管理局（RATP）运营的巴黎地铁和法国快速轨道网络线路上的钢轨波磨进行了观测，结果发现：波磨主要出现在曲线上且种类各异，波长一般在50～300mm之间;波磨或出现在曲线下股钢轨（混凝土整体道床波磨波长较短），或出现在上股钢轨（有砟轨道上波长较长），或上下股均有波磨产生。DonaldR.Ahlbeck等人对1969年至1989年间的47篇有关钢轨波磨的科技报告及研究文献进行了综述，总结了波磨出现的轨道类型、运营速度、曲线半径，以及波磨波长、波深等特征。其中：城市轨道交通钢轨波磨出现的曲线半径在366m之内，波磨波长介于50～200mm之间;波深与波长相关，短波波磨的波深一般小于0.2mm，最大波深达0.9mm。

五、波磨的形成机理

波磨的发生及发展涉及很多因素之间非常復杂的关系，迄今为止仍没有提出一种被广泛认同的理论来解释各种波磨现象，这方面的研究尚待深入。张立民等人根据非线性振动理论和赫兹理论，分析了钢轨波磨与轮轨纵向自激振动幅值和接触椭圆纵向轴长的关系，证明钢轨波磨产生的机理是轮对自激振动幅值大于接触椭圆纵向轴长，实际的轮轨系统下波磨产生的条件是轮对横移量大于临界值。张立民还根据轮轨滚动接触中钢轨循环加载塑性累积和材料的Ratcheting效应，应用强化材料模型，对钢轨内部的残余应力和累积变形进行了数值分析。分析结果表明，钢轨材料的Ratcheting效应和轮轨接触应力的波动是钢轨表面剥离与压溃形短波波磨产生的重要原因。范钦海认为，轮对与轨道系统的弹性振动使轮轨间产生的黏着振动（或黏-滑振动）是钢轨波浪形磨耗形成的基本机理，并通过试验加以验证。轮轨间作用着一种高频的横向波动力，有时其值会瞬时超过蠕滑力的极限值而进入滑动状态，它不仅会导致钢轨顶面的不均匀磨损，还可能造成钢轨顶面金属向侧面产生塑性流动。波磨是轮轨相互作用过程中发生的一种复杂现象，要分析其形成机理，就必须综合考虑轮轨相互作用的特点，结合实际各种工况，才能抓住根本。张波等人认为，波磨成因可以从3方面来讨论。

1）自激振动理论：在一定条件下，由于轮轨系统的固有特性，使轮轨间产生自激振动，从而引起波磨发生。2）反馈振动机理：轮轨间的原始不平顺激起轮轨间的振动，并导致更大的不平顺。也就是说，这是在重复载荷条件下振动逐步加强的激化过程，即“不平顺※振动※更大不平顺※更强振动”的循环，从而促使波磨形成。3）接触疲劳理论：受随机的踏面摩擦力影响，由钢轨表面的疲劳微裂纹所引起的不均造成波磨发生。地铁中产生的磨损性波磨多发生在曲线地段，这是由于车轮在通过曲线时，轮对扭曲共振导致交替的纵向力，在轮对与钢轨间发生纵向滑动而产生波磨。这不仅与轮对的重力角刚度特性有关，而且与曲线曲率及轮轨黏着状态有着直接关系，主要是轮轨之间的黏滑振动导致内轨顶面的波磨。当车辆通过曲线半径较小的线路时，由于轮对冲角的改变，轮轨的纵向剪切力超过轮轨黏着极限，轮轨间发生纵向滑动，滑动处形成波谷;滑动后释放了积累的能量，使轮轨又处于黏着状态，轮轨磨损减轻，该处形成波峰。这种黏滑振动不断重复，形成了钢轨表面的波磨。

结论

由于钢轨的波浪形磨耗是由多种原因产生的，而且相互作用，形成恶性循环（道床不洁弹性降低，使胶垫损坏严重;胶垫损坏严重使轨道弹性下降，使钢轨伤损增多，主要是波磨和鱼鳞裂纹。钢轨波磨的发展较快，使列车的振动增加，反过来作用在胶垫和道床，造成胶垫损坏严重，道床板结，使之弹性下降）。

参考文献

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[2] 刘林武，李建国 .广州地铁线路钢轨打磨应用技术 [ J] .都市快轨交通，2006，19（4）：53 -54.

[3] 刘启琛 .城市有轨交通的钢轨磨耗与其减磨措施[ J] .地铁与轻轨，1996（4）：26 -29.

（作者单位：内蒙古伊泰准东铁路有限责任公司设备综合车间探伤专业）