城轨小半径曲线钢轨波磨的成因与整治研究综述

潘健英，李英奇，梁 旭，杨 光，许 鑫，刘丰收

城市轨道交通穿行城区，线路设计受限于城市规划，存在较多小半径曲线，曲线下股钢轨波磨问题突出。钢轨出现波磨伤损会使得轮轨之间振动加剧，增大车辆运行过程中的噪声，影响线路沿线的生产生活及旅客乘坐舒适性，严重时还会对车辆部件、轨道部件造成损伤，加剧轨下基础病害，增加线路的养护维修成本，甚至威胁列车运行安全。研究城轨小半径曲线钢轨波磨病害特征、产生机理、发展规律和整治措施，有助于为线路的新建设计预防钢轨波磨及养护维修来缓解波磨提供指导。

1 钢轨波磨病害特征及形成机理

1.1 波磨病害特征

钢轨波磨种类较多，其分类方法也不同。根据波长特征，可以分为波长范围在25～80 mm 的短波波磨及波长大于100 mm 的长波波磨[1-2]，此外，地铁波磨波长在30～300 mm之间不等，而且波磨的幅值最大约1 mm。根据频率特征，可以分为特征频率在40～140 Hz 的低频波磨、特征频率在140～300 Hz的中频波磨和特征频率在300～1 500 Hz 的高频波磨。钢轨波磨分类还可以根据波磨出现所伴随的轨道结构或者轨道形式进行具体特征划分[3]，地铁钢轨波磨分类如表1所示。

表1 地铁钢轨波磨分类Tab.1 Classification of subway rail corrugation

Grassie 等[4]依据轮轨动力学建模分析，提出波长固定机理以及损伤机理，将钢轨波磨分为6 个类型，波磨种类及特征如表2所示[2，4]。

表2 波磨种类及特征Tab.2 Types and features of rail corrugation

关庆华等[5]对世界各国地铁钢轨波磨进行系统梳理，对比总结波磨的出现位置、轨道类型、扣件类型以及波磨波长等基本特征，主要发生位置为小半径曲线，波长范围包含长波和短波，曲线处波磨病害主要出现在下股钢轨。曾向荣等[6]对北京地铁5 号线减振扣件区段钢轨波磨进行统计，直线波磨占比12%，800 m 半径以下出现波磨占比88%。秦艳[7]总结深圳地铁的钢轨波磨特点，发现波磨主要出现在半径为600 m 以下的小半径曲线区段、进出站和长大坡道的直线区段、高车速区段、减振类道床和扣件等区段。

结合国内外城轨钢轨波磨的出现位置分析，波磨病害在直线曲线位置都会存在，但多发于小半径曲线区段，并且主要出现在小半径曲线下股钢轨，少部分发生于直线和大半径曲线。地铁线路波磨病害受到列车在该区段运行速度、轨道类型、扣件类型等影响，呈现不同特征波长。

1.2 曲线段波磨形成机理

目前国内外关于钢轨波磨的形成机理主要分为动力类成因及非动力类成因。动力成因认为轮轨系统的振动导致波磨的出现，而引起波磨的振动可以分为自激、共振和反馈振动3 类[8]；非动力成因主要从钢轨材质、接触表面不均匀塑性流动、磨损和接触疲劳等方面对钢轨波磨进行解释[9]。

Matsumoto 等[10]提出曲线段钢轨波磨是轮轨接触面上较大的蠕滑和竖向力波动造成的。认为在曲线半径较小的情况下，上下股钢轨的长度差不能被车轮滚动半径差吸收，下股粘滑更容易发生，可能导致波磨产生。

刘启跃等[11-13]提出在接触表面处切向力和轮轨振动的共同作用下，导致钢轨波磨的形成和进一步发展，振动使得轮轨试样接触表面发生不均匀的塑性形变，即出现波磨波峰波谷现象。

Jin 等[14]复现曲线区段钢轨波磨，表明高频共振是产生波磨的主因，大蠕滑率是其萌生的必要条件，此外，轮对的横移以及冲角分别影响轮轨纵向蠕滑、自旋与横向蠕滑，导致波磨的产生。

李伟[3]提出滑移的发生是钢轨波磨发展的重要条件。Kaess[15]提出无滑动的情况下，不会产生波磨，滑动水平增加会导致波磨严重程度增加，与Jin等[14]研究结论一致。

张厚贵[16]提出轨下支点结构模态诱导型钢轨波磨，即与钢轨下支撑结构模态相关的钢轨模态频率和轮对的反共振频率一致时，在轮轨接触位置造成钢轨磨损，形成波磨，其波长与钢轨下支撑结构模态频率相关。

既有地铁线路钢轨出现波磨的位置，80%以上在小半径曲线下股钢轨上，而小半径曲线上股钢轨和大半径曲线的上股钢轨几乎没有出现波磨伤损[17]。Chen 等[18]通过仿真分析提出轮轨摩擦自激振动会造成钢轨萌生波磨，其观点可以用来解释大部分曲线区段的钢轨波磨现象。陈晓丽等[17]建立起曲线半径和波磨之间的联系，认为蠕滑力饱和时轮轨系统有可能出现摩擦自激振动，即产生钢轨波磨。李英[19]、夏晨光[20]也基于摩擦自激振动进行建模分析，认为饱和蠕滑力和轮轨接触角是导致曲线上下股波磨现象不同的原因。

小半径曲线钢轨波磨的成因主要与轮轨接触时产生的高频振动有关，在较小的曲线半径情况下，上下股钢轨的长度差不能被车轮滚动半径差抵消，下股钢轨的轮轨接触界面处会产生较大的黏滑或者大蠕滑，导致在饱和的轮轨蠕滑力作用下引起自激振动，振动加剧钢轨表面不均匀塑性变形和不均匀磨耗，形成波峰波谷，从而产生钢轨波磨，在没有外界干扰下，波磨逐渐发展。

2 钢轨波磨演化规律

国内外学者通过从现场调研到实验室内缩尺和全尺寸试验进行波磨复现，结合仿真分析，研究钢轨波磨萌生-发展的演化规律，从蠕滑、振动及钢轨材料的磨损和塑性变形角度出发解释钢轨波磨的发展，并提出最终波磨不会无限制发展，收敛到一定水平不再变化，处于一种安定状态。

夏晨光[20]提出钢轨波磨的发展与钢轨磨耗有一定关系，外轨的侧磨、内轨的压溃和钢轨的塑性变形共同导致波磨的形成，过程分为3 个阶段：①钢轨表面具有初始不平顺，②钢轨表面材料发生硬化和出现表面微裂纹，③钢轨表面金属组织产生微滑移，塑性变形累积成较大区域形成钢轨波磨。

Matsumoto 等[10]通过数值模拟发现，钢轨不同截面处，波磨深度具有不同增长速度；波磨形态在移动，最后深度可能会收敛到一定的水平；其生长速度与磨损的进展速度成正比，但对波磨的波长特征无影响。

温泽峰等[21-22]采用有限元法进行分析，提出由于非稳态载荷作用，钢轨表面发生不均匀的塑性形变，导致波磨的萌生，并且钢轨波磨发展的速率呈现下降趋势，最终处于稳定状态。

王步康等[23]基于弹—塑性接触力学以及增量塑性理论研究短波长的波磨，表明在轮轨反复接触作用下，接触表面发生硬化并达到安定极限状态，生成有规律的短波长波磨。

Jin 等[24]建立曲线车辆轨道耦合模型，结合全尺寸实验进行研究，结果表明：曲线新钢轨初始不平顺的谷深随着车轮通过次数增加而减小，初始波磨有向轧制方向移动的趋势；曲线新钢轨表面初始不平顺幅值逐渐变小，随后逐渐出现深度和频率固定的第二种波磨。

文献[25]结合日本铁路的研究综述，提出在萌生阶段，钢轨表面初期不平顺导致轮轨力发生变动，形成钢轨波磨，同时由于轮轨之间的蠕滑增大导致小半径曲线上出现波磨；发展阶段，在波谷位置的轮轨接触力较大，波峰位置轮轨接触力较小，导致波谷位置的钢轨磨损相对于波峰处较大，不平顺状态加剧，并且易于形成不同波长的波磨；稳态阶段，不平顺幅值增大，使得轮轨无法紧密贴合，抑制钢轨波磨进一步发展，最终趋于饱和稳定状态。

Böhmer 等[26]研究表明磨损和塑性变形的共同作用导致波磨出现稳态状态，提出一个充分发展的波磨系统，在物理和几何上是稳定的。

钢轨波磨发展和演变的研究表明，充分发展的波磨最终是处于一种稳定的状态。主要将波磨的发展分为3 个阶段：初始阶段，由于钢轨轨面的初始不平顺导致振动或者由于蠕滑振动等原因，导致钢轨波磨萌生；发展阶段，由于振动使得波峰和波谷的轮轨接触力不同，加剧钢轨表面的塑性形变和磨损，使得波磨进一步发展，同时，在发展阶段，钢轨波磨存在沿着钢轨长度方向进行移动的趋势，在车轮多次通过之后可能出现区别于初始不平顺的第二种波磨；稳定阶段，钢轨波磨发展的速率呈现下降趋势，最终处于稳定状态。此外，从材料硬化的角度分析，随着轮轨接触次数增加，接触表面发生硬化并达到安定极限状态，最终形成物理和几何形态上的稳态。

3 钢轨波磨的整治措施

目前国内外学者对于钢轨波磨的特征、形成机理及发展规律，进行多方向多角度的分析和阐述，并基于这些分析给出不同的整治措施，如控制列车通过曲线的速度分布，开发并使用钢轨正摩擦调节剂改善轮轨接触摩擦特性，从车辆和轨道参数角度进行优化来改善钢轨波磨病害，提高钢轨的硬度缓解钢轨波磨的发展时间，对出现钢轨波磨的区域进行钢轨打磨并制定合理的打磨计划和打磨周期，以此改善钢轨波磨带来的影响。

3.1 控制速度分布

Meehan 等[27]研究提出车辆通过曲线时，改变速度分布对于钢轨波磨增长率有较大影响，并提出通过控制速度来抑制钢轨波磨，可以采用不同时间段和不同线路区段进行运行速度的调整来减缓或者防止钢轨波磨。

3.2 轨顶摩擦调节剂

Eadie[28]等改用正摩擦调节剂改善钢轨波磨。在地铁毕尔堡的2条曲线上，18个月内波磨从0.1 mm增长到0.5 mm，在相同的时间段内使用摩擦调节剂后波磨基本没有增长[29]。此外，欧洲和日本在不同轨道交通线路摩擦调节剂的应用使波磨增长率降低6～11倍，应用在易于产生波磨的部位时，很少出现新的波磨[30]。肖祥龙等[31]建立有限元模型，分析指出通过摩擦调节剂控制摩擦系数对于钢轨波磨的缓解是有效果的。

3.3 车辆及轨道参数

张厚贵[16]通过改造扣件和应用调频式阻尼钢轨，缓解北京地铁线路中剪切型减振器区段的波磨。刘卫丰等[32]在北京地铁6 号线上应用调频式钢轨减振器，可以有效减缓钢轨波磨的发展，延长钢轨的打磨周期。方格[33]研究钢轨吸振器对钢轨振动衰减率的影响，提出降低沿轨道方向的振动波会起到抑制钢轨波磨发展的作用。孙天驰[34]提出从轨道的刚度、振动模态、高频共振现象、几何状态、与原设的差异等方面进行直接或间接的调整与改善。蒋忠辉等[35-36]研究认为高速铁路钢轨波磨会随着车辆一系悬挂刚度的增加而加速发展，其发展速度在车辆一系悬挂阻尼维持在某个最优值附近时将会得到缓解。

3.4 钢轨材质

研究表明减缓钢轨波磨的发展可以通过增加钢轨硬度来实现，钢轨脱碳层的深度与最大波深呈指数递增关系，且脱碳层越厚，钢轨波磨的发展速度越快。刘学毅等[37]提出可以通过提高钢轨的耐磨性能，来减缓波磨的发展。楚永萍[38]也提到提高钢轨强度可以作为缓解钢轨波磨的措施。姚湘静[39]根据深圳地铁钢轨波磨病害情况，提出小半径曲线地段应采用全长淬火耐磨钢轨，能够延缓钢轨波磨发展。

3.5 钢轨打磨

秦艳[7]根据深圳地铁现场钢轨波磨的大量调查和分析，提出新线开通前应该进行全线路的钢轨打磨，以免钢轨材质本身或其他原因导致的钢轨表面和接头不平顺。新线开通后3 个月左右打磨钢轨表面疲劳层，否则将导致波磨快速形成和发展。既有线路已经出现波磨的区段，合理安排打磨计划。刘学毅等[37]指出钢轨校正性打磨使得换轨周期延迟20%。姚湘静[39]研究指出通过钢轨打磨改善波磨，既兼顾了较低的成本又能保证钢轨维护的效果。王青波[40]对非对称打磨展开深入研究，优化曲线上轮轨间的接触状况。Tanaka等[41]对钢轨打磨策略进行研究，通过钢轨打磨去除钢轨波磨，降低维护成本。

从钢轨波磨成因来看，动力类成因是轮轨振动，非动力类成因与钢轨塑性变形和磨耗等钢轨材质属性相关。从上述分析来看，不同结构体系具有不同的振动频率，在不同列车运行速度下，出现不同的特征波长，通过控制列车运行在不同区段时的速度可以避开特征频率，从而较少出现波磨。另外，通过控制扣件刚度、采用钢轨吸振器等手段改变轨道刚度，或者通过涂层等改变车轮刚度以及改变悬挂系统的阻尼和刚度，有效避免一些特征频率，有助于减少波磨的产生。由于大蠕滑和饱和蠕滑力引起摩擦自激振动使得波磨产生，因此可以采用轨顶面摩擦调节剂有效减少蠕滑力，减缓不均匀磨耗，从而减少或者减缓波磨的产生和发展。此外，通过在曲线位置铺设硬度较高的钢轨，可以有效地减缓塑性变形和钢轨磨耗，以及波磨的萌生和发展。在产生钢轨波磨以后，钢轨打磨是最有效的直接消除钢轨波磨的手段，使得钢轨表面恢复到较为平顺的阶段，短时间内缓解由于波磨引起的强烈的轮轨振动，此外，在新线开通前钢轨预打磨可以消除钢轨表面的脱碳层，去除较软的表面组织，降低不均匀塑性变形产生的可能，同时可以改善钢轨表面初始不平顺，减少由于初始不平顺而导致的钢轨波磨。但目前所有手段都只能用来缓解和暂时消除钢轨波磨，无法根除钢轨波磨。

4 研究结论

（1）分析不同铁路钢轨波磨的特征可知，地铁钢轨波磨波长从短波到长波不等，波磨幅值一般较大，分析小半径曲线钢轨波磨的成因，在半径较小情况下，下股钢轨的轮轨接触界面处会产生较大的黏滑或者大蠕滑，导致在饱和的轮轨蠕滑力作用下引起自激振动，振动加剧钢轨表面不均匀塑性变形和不均匀磨耗，形成波峰波谷，从而产生钢轨波磨。

（2）充分发展的波磨最终处于稳定状态。波磨的发展主要分为3 个阶段：初始阶段，存在初始不平顺或者由于振动导致钢轨表面不均匀磨耗及塑性变形，波磨产生；发展阶段，振动使得波峰和波谷的轮轨接触力不同，加剧钢轨表面的塑性形变和磨损，使得波磨进一步发展；稳定阶段，不平顺幅值增大，使得轮轨无法紧密贴合，同时，接触表面发生硬化并达到安定极限状态，使得波磨发展的速率下降，最终处于稳定状态。

（3）不同结构体系具有不同的振动频率，在不同列车运行速度下，出现不同的特征波长，通过控制列车运行在不同区段时的速度可以避开特征频率，从而较少出现波磨的产生。采用轨顶面摩擦调节剂可以有效减少蠕滑力，并减缓不均匀磨耗，从而减少或者减缓波磨的产生和发展。在产生钢轨波磨以后，钢轨打磨是最有效的直接消除钢轨波磨的手段，使得钢轨表面恢复到较为平顺的阶段，短时间内缓解由于波磨而引起的强烈的轮轨振动，但目前所有手段都只能用来缓解和暂时消除钢轨波磨，无法根除钢轨波磨。