高速铁路钢轨波浪型磨耗研究及其防治建议
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此高 速铁 路 的波磨 研究 进展 相对缓 慢 ， 目前 尚未 能提 出一种 被 广泛 认 同的理 论 来解 释 各种 波 磨现 象 。本
文在研究中 ， 一方面主要借鉴 国内外已有的研究经验 ， 另一方面通过现场调研和测试 ， 针对我国高速铁路
车辆 和线 路 的特点 ， 分析 钢轨 波浪 型磨 耗 的产 生原 因和 发 展规 律 ， 为高 速 铁 路 钢轨 的波 磨 预 测 和波 磨 控
石 家庄铁 道 大学 学报 （自然科 学版 ）
第２ ６卷
下， 由于垂 向加速度 、 高频振动等各种因素的影响 ， 轮轨磨耗 的产生机理要 比之前 的既有线路复杂得多 ， 波磨 的萌 生及 发展 涉及很 多 不 同影 响 因素 之 间非 常 复 杂 的关 系 ， 并 且很 难 确 定 哪 个 因 素 占主导 地 位 ， 因
建立相应模型对钢轨波磨进行了仿真分析和试验研究 ， 取得 了很多成果。但是对高速铁路 波磨 的研究 ，
一
方面 由于现场试验 的机会非常少且测试技术难度高 ， 目前积 累的资料非常有 限； 另一方面， 在高速状态
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ６ — １ ８ 作 者简介 ： 王 立乾 男 １ ９ ８ ３年 出生 博 士研究生
第２ ６ 卷 第４ 期
石 家庄铁 道 大 学 学报 （自然科 学版 ）
Ｖ ｏ １ ． ２ ６ Ｎ ０ ． ４
２ ０ １ ３ 年１ ２ 月Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ Ｆ Ｓ Ｈ Ｉ Ｊ Ｉ Ａ Ｚ Ｈ Ｕ Ａ Ｎ Ｇ Ｔ Ｉ Ｅ Ｄ Ａ Ｏ Ｕ Ｎ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ（ Ｎ Ａ Ｔ Ｕ Ｒ Ａ Ｌ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ ） Ｄ 。 ｅ ． ２ ０ １ ３
制两 方面 的进 一步 深入 研究 打下基 础 。
２ 现有波磨 理论分析的局 限性
目前世界各国在分析波磨对车辆通过的影响时 ， 主要采用三维弹性体滚动接触理论来进行蠕滑计算
并分 析车 辆 的动力 学性 能 。其 中精 度 最好 、 使用 最多 的是 荷兰 学者 Ｋ ａ ｌ ｋ ｅ ｒ 创 立 的 三维 弹性 体 非线 性 滚 动 接触 理论 ， 但是 由于 Ｋ ａ ｌ ｋ ｅ ｒ 在分 析 时做 了几 个 方 面 的假 设 ， 其 中最重 要 的一 条假 设 就 是 整个 滚 动 过 程 是 稳态 的 ， 因此其 具有 局 限性 。在稳 态滚 动接 触 的过程 中 ， 接 触斑 的形状 、 大小 保 持不 变 ， 因此蠕 滑 率 、 法向 力、 切 向力 也保 持不 变 。但如 果在 滚动 过程 中 ， 接触斑 的形 状 、 大小 产 生较 大 变 化 ， 从 而 导 致蠕 滑 率 、 法向 力、 切 向力 随 时间变 化发 生较 大 的改变 ， 这种 情 况就 是非 稳态 滚动 接触 。 车辆 在低 速下 通过 钢轨 无波磨 的区段 ， 其 运 行 状 态 可 以近 似 地 看 成稳 态滚 动 接 触 过 程 ， 非 稳 态 的 效 应较 弱 。为对 稳态 和非 稳态 进行 定量 的 区分 ， 引入一 个评 价 指标 ， 定义 为 接触参 数 的波 长 。 为便 于分 析 ， 先假设 接 触斑 的形 状仍 为椭 圆 ， 只是其 大小 发生 变化 ， 其 较长 的半 径 （ 沿纵 向方 向 ）为 ０ ， 定 义参 数 ｋ为 波
１ห้องสมุดไป่ตู้波磨 的 国内外研 究现状
国外很早就开展了钢轨磨耗的预测研究 ， 早在 １ ８ ９ ５年就有人提出钢轨波浪磨损这一概念 ， 至今 已有 百年历史¨ ］ 。目前主要形成 了基于能量观点 的计算摩擦功 的磨耗预测模型和基于磨耗指数 的磨耗预测 模型 ， 通过在线路上进行相关试验 ， 对预测模型计算结果和试验数据进行 比对分析。德 国通过引入波长 确定机理和破坏机理 ， 对波磨进行分类 ， 将波磨分为长波波磨 和短波波磨 。 日 本 自１ ９ ８ ６年起 为解决新干 线上 日益严重的波磨现象 ， 利用小波分析对波磨进行探测 ， 并通过在模型试验 台上的试验 ， 研究采用高性 能合金制造钢轨对减少波磨形成的影响。 在 国内， 谭立成 自 １ ９ ８ ０年起对钢轨波状磨 耗形成 和发展进行 了初步系统 的试验和理论研究 。马 培德等对既有线钢轨波磨的形成原因做 了分析 ， 并给出了减轻钢轨磨耗 的建议 ｊ 。张继业等将振动功率 谱的研究过程结合现场出现波浪型磨耗钢轨 的硬度分析结果 ， 对波磨进行研究 。刘启跃等人对高频作 用下钢轨的波磨进行了考察 ， 通过分 析轨道垂 向动力行 为， 得 到不 同振动频率振动对轨道表面的磨 损的 影响Ｌ ５ Ｊ 。金学松等利用 Ｋ ａ ｌ ｋ ｅ ｒ 三维弹性体非 Ｈ ｅ ｒ ｔ ｚ 滚动接触理论计算轮轨之间的蠕滑力 和摩擦功， 进行 钢轨表面磨损量 的定量分析依据 ， 对波浪型磨耗进行 了分析 ｊ 。王小文等对广深准高速铁路钢轨波状磨 耗特点和发展规律进行 了现场试验 和分 析研究 ， 得 出了准高速客货共 线线路 钢轨波浪型磨耗 的一些特 点 。赵 国堂通过分维的量测方法 ， 建立 了分维与波磨程度之间的关系 。 世界各 国围绕钢轨波磨 的产生 、 恶化和整治等方 面作 了大量研究工作。特别是我 国在既有线提速 、 客货 共 线 和重载 铁路 的钢轨 磨耗 方 面 做 了大量 的试 验 ， 积 累 了许 多 宝贵 的数 据 ， 并 依 据 现 场 情 况 的 特点
响， 并给 出 了可行 的预 防与 减缓 波磨 的 建议 。
关键 词 ： 钢 轨 波磨 ； 轮 轨接 触 ； 高速 列车 ； 振动 中图分 类 号 ： Ｕ ２ ７ ０ ． １ 文 献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ： ２ ０ ９ ５— ０ ３ ７ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４— ０ ０ ８ ３— ０ ５
高速铁路钢轨 波浪型磨耗研究 及其 防治建议
王 立乾
（ 中 国铁道科学研究 院 铁道科学技术研究 发展 中心 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ １ ）
摘要 ： 基 于 中国 高速 铁路 钢 轨 出现 波 磨 的 现 象， 对 高速 铁路 波磨 的特 点做 了详 细 介 绍 。指 出 目前 波磨 理论 的局 限性 ， 并分 析 了高速 状 态 下波 磨 的 动 力 学成 因 ， 以及 钢 轨 材质 对 波磨 的影
０ 引 言
钢轨波浪型磨耗是指线路在投入运营后 ， 出现在钢轨接触表面的类似波浪形的不均匀磨损。钢轨波 浪形磨耗形成之后 ， 列车行驶其上必将激励起车辆 、 轨道系统的振动 ， 而且这种振动是随着轨道不平顺的 加剧而加剧的。车辆 、 轨道 系统的剧烈振动不仅引起行李移位 ， 使旅 客舒适度 降低 ， 而且还会加速动车组 车轮和轨道结构的破坏。随着我国高速铁路运营里程 的增加 和车次的增多 ， 铁路现场钢轨波磨分布变得 更加广泛 ， 问题 日益严重。对 已经开通 的高速铁路波磨成 因等 问题进行研 究 ， 不仅对整 治已有高速铁路 出现的波磨问题起到积极作用 ， 而且对新开通和尚未开通的线路 ， 也能起到很好的预测和防护作用 。
文在研究中 ， 一方面主要借鉴 国内外已有的研究经验 ， 另一方面通过现场调研和测试 ， 针对我国高速铁路
车辆 和线 路 的特点 ， 分析 钢轨 波浪 型磨 耗 的产 生原 因和 发 展规 律 ， 为高 速 铁 路 钢轨 的波 磨 预 测 和波 磨 控
石 家庄铁 道 大学 学报 （自然科 学版 ）
第２ ６卷
下， 由于垂 向加速度 、 高频振动等各种因素的影响 ， 轮轨磨耗 的产生机理要 比之前 的既有线路复杂得多 ， 波磨 的萌 生及 发展 涉及很 多 不 同影 响 因素 之 间非 常 复 杂 的关 系 ， 并 且很 难 确 定 哪 个 因 素 占主导 地 位 ， 因
建立相应模型对钢轨波磨进行了仿真分析和试验研究 ， 取得 了很多成果。但是对高速铁路 波磨 的研究 ，
一
方面 由于现场试验 的机会非常少且测试技术难度高 ， 目前积 累的资料非常有 限； 另一方面， 在高速状态
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ６ — １ ８ 作 者简介 ： 王 立乾 男 １ ９ ８ ３年 出生 博 士研究生
第２ ６ 卷 第４ 期
石 家庄铁 道 大 学 学报 （自然科 学版 ）
Ｖ ｏ １ ． ２ ６ Ｎ ０ ． ４
２ ０ １ ３ 年１ ２ 月Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ Ｆ Ｓ Ｈ Ｉ Ｊ Ｉ Ａ Ｚ Ｈ Ｕ Ａ Ｎ Ｇ Ｔ Ｉ Ｅ Ｄ Ａ Ｏ Ｕ Ｎ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ（ Ｎ Ａ Ｔ Ｕ Ｒ Ａ Ｌ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ ） Ｄ 。 ｅ ． ２ ０ １ ３
制两 方面 的进 一步 深入 研究 打下基 础 。
２ 现有波磨 理论分析的局 限性
目前世界各国在分析波磨对车辆通过的影响时 ， 主要采用三维弹性体滚动接触理论来进行蠕滑计算
并分 析车 辆 的动力 学性 能 。其 中精 度 最好 、 使用 最多 的是 荷兰 学者 Ｋ ａ ｌ ｋ ｅ ｒ 创 立 的 三维 弹性 体 非线 性 滚 动 接触 理论 ， 但是 由于 Ｋ ａ ｌ ｋ ｅ ｒ 在分 析 时做 了几 个 方 面 的假 设 ， 其 中最重 要 的一 条假 设 就 是 整个 滚 动 过 程 是 稳态 的 ， 因此其 具有 局 限性 。在稳 态滚 动接 触 的过程 中 ， 接 触斑 的形状 、 大小 保 持不 变 ， 因此蠕 滑 率 、 法向 力、 切 向力 也保 持不 变 。但如 果在 滚动 过程 中 ， 接触斑 的形 状 、 大小 产 生较 大 变 化 ， 从 而 导 致蠕 滑 率 、 法向 力、 切 向力 随 时间变 化发 生较 大 的改变 ， 这种 情 况就 是非 稳态 滚动 接触 。 车辆 在低 速下 通过 钢轨 无波磨 的区段 ， 其 运 行 状 态 可 以近 似 地 看 成稳 态滚 动 接 触 过 程 ， 非 稳 态 的 效 应较 弱 。为对 稳态 和非 稳态 进行 定量 的 区分 ， 引入一 个评 价 指标 ， 定义 为 接触参 数 的波 长 。 为便 于分 析 ， 先假设 接 触斑 的形 状仍 为椭 圆 ， 只是其 大小 发生 变化 ， 其 较长 的半 径 （ 沿纵 向方 向 ）为 ０ ， 定 义参 数 ｋ为 波
１ห้องสมุดไป่ตู้波磨 的 国内外研 究现状
国外很早就开展了钢轨磨耗的预测研究 ， 早在 １ ８ ９ ５年就有人提出钢轨波浪磨损这一概念 ， 至今 已有 百年历史¨ ］ 。目前主要形成 了基于能量观点 的计算摩擦功 的磨耗预测模型和基于磨耗指数 的磨耗预测 模型 ， 通过在线路上进行相关试验 ， 对预测模型计算结果和试验数据进行 比对分析。德 国通过引入波长 确定机理和破坏机理 ， 对波磨进行分类 ， 将波磨分为长波波磨 和短波波磨 。 日 本 自１ ９ ８ ６年起 为解决新干 线上 日益严重的波磨现象 ， 利用小波分析对波磨进行探测 ， 并通过在模型试验 台上的试验 ， 研究采用高性 能合金制造钢轨对减少波磨形成的影响。 在 国内， 谭立成 自 １ ９ ８ ０年起对钢轨波状磨 耗形成 和发展进行 了初步系统 的试验和理论研究 。马 培德等对既有线钢轨波磨的形成原因做 了分析 ， 并给出了减轻钢轨磨耗 的建议 ｊ 。张继业等将振动功率 谱的研究过程结合现场出现波浪型磨耗钢轨 的硬度分析结果 ， 对波磨进行研究 。刘启跃等人对高频作 用下钢轨的波磨进行了考察 ， 通过分 析轨道垂 向动力行 为， 得 到不 同振动频率振动对轨道表面的磨 损的 影响Ｌ ５ Ｊ 。金学松等利用 Ｋ ａ ｌ ｋ ｅ ｒ 三维弹性体非 Ｈ ｅ ｒ ｔ ｚ 滚动接触理论计算轮轨之间的蠕滑力 和摩擦功， 进行 钢轨表面磨损量 的定量分析依据 ， 对波浪型磨耗进行 了分析 ｊ 。王小文等对广深准高速铁路钢轨波状磨 耗特点和发展规律进行 了现场试验 和分 析研究 ， 得 出了准高速客货共 线线路 钢轨波浪型磨耗 的一些特 点 。赵 国堂通过分维的量测方法 ， 建立 了分维与波磨程度之间的关系 。 世界各 国围绕钢轨波磨 的产生 、 恶化和整治等方 面作 了大量研究工作。特别是我 国在既有线提速 、 客货 共 线 和重载 铁路 的钢轨 磨耗 方 面 做 了大量 的试 验 ， 积 累 了许 多 宝贵 的数 据 ， 并 依 据 现 场 情 况 的 特点
响， 并给 出 了可行 的预 防与 减缓 波磨 的 建议 。
关键 词 ： 钢 轨 波磨 ； 轮 轨接 触 ； 高速 列车 ； 振动 中图分 类 号 ： Ｕ ２ ７ ０ ． １ 文 献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ： ２ ０ ９ ５— ０ ３ ７ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４— ０ ０ ８ ３— ０ ５
高速铁路钢轨 波浪型磨耗研究 及其 防治建议
王 立乾
（ 中 国铁道科学研究 院 铁道科学技术研究 发展 中心 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ １ ）
摘要 ： 基 于 中国 高速 铁路 钢 轨 出现 波 磨 的 现 象， 对 高速 铁路 波磨 的特 点做 了详 细 介 绍 。指 出 目前 波磨 理论 的局 限性 ， 并分 析 了高速 状 态 下波 磨 的 动 力 学成 因 ， 以及 钢 轨 材质 对 波磨 的影
０ 引 言
钢轨波浪型磨耗是指线路在投入运营后 ， 出现在钢轨接触表面的类似波浪形的不均匀磨损。钢轨波 浪形磨耗形成之后 ， 列车行驶其上必将激励起车辆 、 轨道系统的振动 ， 而且这种振动是随着轨道不平顺的 加剧而加剧的。车辆 、 轨道 系统的剧烈振动不仅引起行李移位 ， 使旅 客舒适度 降低 ， 而且还会加速动车组 车轮和轨道结构的破坏。随着我国高速铁路运营里程 的增加 和车次的增多 ， 铁路现场钢轨波磨分布变得 更加广泛 ， 问题 日益严重。对 已经开通 的高速铁路波磨成 因等 问题进行研 究 ， 不仅对整 治已有高速铁路 出现的波磨问题起到积极作用 ， 而且对新开通和尚未开通的线路 ， 也能起到很好的预测和防护作用 。