钢轨波浪型磨耗概述

钢轨波型磨耗概述

1．钢轨波形磨耗的产生机理

钢轨波浪型磨耗(简为波磨)一般有三类：磨损性波磨、塑流性波磨和混合性波磨。轨头有明显的波浪型磨损痕迹，钢轨上呈显可见的波谷与波峰，但无明显磨损凹陷，属于磨损性波磨，也是最常见的一种波浪型磨耗。地铁中产生的主要就是这种磨损性波磨。

根据对波长特征的调查分析，认为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，轮轨磨损减轻，该处形成波峰。这种粘滑振动不断重复，形成了钢轨表面的波磨。

2．粘滑振动与钢轨波形磨耗的关系

若所有的车辆具有极好的一致性，且运行速度一致，则容易在所经过的曲线上，特别是在圆曲线上形成有规律的振动，这种振动往往使右侧轮子与内轨间发生大的滑动，当轮轨接触面的切向力足以破坏轨道顶面的金属材料时，或使其发生低周疲劳，则波磨就会产生。因此，在一定外界条件共同作用下的粘滑振动是地铁曲线波形磨耗发生的重要原因。任一个外界条件的消失，都能够使波磨消失。

3．波磨容易出现的位置

大量计算分析表明，该粘滑振动的发生规律与现场出现的波磨发生规律相吻合，即这种振动容易出现在曲线内轨的圆曲线上，容易出现在曲线半径较小的区段，容易出现在轮轨粘着条件较好的地下洞内的轨道上，容易出现在轨道刚度较大的整体道床上。

4．钢轨波型磨耗的影响因素（影响粘滑振动的因素）

（1）影响粘滑振动的首要因素是蠕滑率和蠕滑力之间的负梯度特性，对粘滑振动形成与否有着决定性作用。

（2）蠕滑力饱和后负斜率不同，可能产生轮对的粘滑振动的频率也不同。蠕滑力饱和后如无下降，无论其他条件如何，均不会发生粘滑振动。

（3）轨道的横向刚度和轮对的扭转和弯曲刚度，轨道的刚度低到一定程度就会使耦合振动消失。调查也发现采用木枕的道岔上没有这种波磨，而整体道床的道岔上有严重的波磨。同样轮对扭转和弯曲刚度的减小也会使耦合振动消失。

5．波浪型磨耗的减缓措施

预防波磨的关键，一是消除曲线地段轮对的粘滑振动；一是消除由粘滑振动引起的钢轨不均匀磨损的累加效应。切实可行的减缓波磨的措施必须易于操作、经济合理且能兼顾其它轨道病害。这是考虑减缓措施最基本的两个出发点。为此，提出了以下几点减缓波磨的措施。

1、减小轨道不平顺。减小轨道不平顺对减缓波磨及其它轮轨病害均十分有利。减小轨道不平顺可减少粘滑振动的发生机率及钢轨不均匀磨损的累加效应，从而有效地控制波磨发展速率。

2、加大轨道弹性、提高轨道阻尼。增加轨道弹性可有效地减小轮对粘滑振动发生机率，而提高轨道阻尼则可明显降低波磨的发展速率。

3、钢轨倒换。轮对在曲线上可能发生粘滑振动从而形成波磨，但在直线上，发生粘滑振动的机率却很小，说明直线地段波磨形成和发展的条件不充分。如将曲线地段的波磨轨倒换至直线上，因粘滑振动消失，磨耗功显著降低，波磨的发展将得到明显抑制。

4、钢轨打磨。钢轨打磨是最有效的减缓波磨的措施之一。波磨一旦出现，又反过来激化和加剧轮对粘滑振动，促进波磨进一步发展，波深越大则波磨发展越快，构成恶性循环。钢轨打磨中断了这种恶性循环的发展过程，减缓了波磨发展速率。

5、提高钢轨材质强度及耐磨性能。提高钢轨耐磨性能，是最主要的减缓措施之一。轮对粘滑振动是波磨的成因，但波磨的形成和发展却表现为钢轨不均匀磨损或不均匀塑性变形的逐步累积。能够减缓轨头磨损和塑性变形的措施就能减缓波磨，钢轨耐磨性能的提高，无疑会延缓波磨的形成与发展过程。

6．工程实例中的波磨防治

a.建立轮轨润滑系统

为了减缓轮缘与轨头侧向磨损，可采用轮缘和钢轨轨头工作边润滑方法。由于广州地铁列车的运行间隔为3 min，采取人工涂油的方式已满足不了减轻钢轨磨损的要求，且人工涂油只能使用液态油，用量难于控制。此外，油渗入疲劳纹将加速疲劳纹的发展，同时加大了车轮横向滑动。建议采用在列车上安装固体涂油装置的方法。该装置投资少、见效快，是减缓轮轨磨损和延长轮轨使用寿命的有效方法。

b.调整轨道参数

轮轨磨耗与轮轨间摩擦力所做的功有关。影响导向力、冲角大小的轨道参数有曲线半径、纵向坡度、曲线外轨超高、轨底坡、轨距，以及水平、方向等轨道平顺状态。调整这些轨道参数，可改善轮轨接触状态。

广州地铁对曲线段的静态和动态测试数据进行分析后，采取了以下措施：

（1）插入坡度垫板，调整内轨轨底坡。增加轨底坡对稳定轨距、水平、方向有好处，并使轨头光带加宽，减缓了轮轨磨耗。

（2）加强曲线地段轨道养护维修。应经常测量曲线正矢，保持曲线良好的方向

和圆顺度，紧固好轨道扣件，控制轨道位移。轨道平顺可减缓轮轨磨耗。

c.曲线地段轨头采取非对称打磨

轮轨表面接触应力是采用弹性力学的赫兹理论进行计算的。轮轨的接触应力与材质、车速、轮轨作用力和轮轨几何形状等有关。在曲线地段，外轨圆弧比内轨圆弧长，同时外轨要超高，所以轨头打磨应采取非对称打磨，才能优化轮轨几何形状，减小轮轨接触应力。

对于车轮来说，优化设计是指减小轮缘根部圆弧半径，从而降低轮缘接触应力。另外可定期采用车辆调头方法来减缓轮轨磨耗。

对钢轨来说，曲线地段轨头非对称打磨，可使轮对通过曲线时外轨与车轮的接触点尽量靠近轮缘根部，而内轨接触点尽量靠近踏面外侧，尽量避免轮缘与轨侧接触。