鋼軌波浪形磨耗原因分析與對策

張博

摘要：準東鐵路建設于1998年，2001年正式通車，主要以煤炭運輸為主。全長323.245公里，正線224.935公里，站線98.309公里。屬于典型的山區重載鐵路，隧道多，橋梁多曲線多坡度大等特點，使用的鋼軌為P60U71M和P60U78V兩種型號的鋼軌。

關鍵詞：鋼軌波浪形;磨耗原因;對策

波浪形磨耗的定義與分類

波浪形磨耗（簡稱波磨）位于鋼軌頂面與車輛車輪的接觸面，在鋼軌頂面白光中一種波浪形狀的不均勻磨耗傷損。

波浪形磨耗分為磨耗性波磨、塑流性波磨和混合性波磨3種。

一、波浪形磨耗形成的原因

當車輛通過曲線半徑較小的線路時，由于輪對沖角的改變，輪軌的縱向剪切力超過輪軌黏著極限，輪軌間發生縱向滑動，滑動處形成波谷;滑動后釋放了積累的能量，使輪軌又處于黏著狀態，鋼軌表面出現波浪形波磨。

磨損性波磨是由于輪對在通過曲線時，輪對扭曲共振導致交替的縱向力，從而在車輪與鋼軌間發生縱向滑動而產生波磨。這不僅與車輪的重力角剛度特性有關，而且與曲線曲率及輪軌黏著狀態有直接關系，主要是輪軌之間的粘滑振動導致內軌頂面的波磨。當車輛通過曲線半徑較小的線路時，由于輪對沖角的改變，輪軌的縱向剪切力超過輪軌黏著極限，輪軌間發生縱向滑動，滑動處形成波谷;滑動后釋放了積累的能量，使輪軌又處于黏著狀態，鋼軌表面出現波浪形波磨。

道床不潔，污染嚴重，軌枕下道碴含土或石粉嚴重（軌枕下60mm處就已經出現），有嚴重的板結現象。使線路的橫向及縱向阻力加大，但道床的彈性減小，反彈力增大，容易產生波磨。

鋼軌下大膠墊損壞嚴重，較大的損壞率為86%，較小的損壞率也達到了10%，使線路的彈性下降，容易產生波磨。

鋼軌的材質與運量不匹配，準東鐵路重車線大部分是U71Mn的包鋼生產的鋼軌，這類鋼軌含碳量低，強度和韌性較小，對重載大運量線路不適合，難以承受，導致波磨的產生。

二、波浪形磨耗的危害

根據鋼軌的傷損標準，在橋梁上或隧道內的輕傷鋼軌，應及時更換或處理。重車線的小半徑曲線大部分集中在橋、隧上，現已對行車造成了嚴重威脅;

經機車車輪在波磨地段的連續沖擊振動，對機車、車輛易產生較大的破壞性振動;

小曲線波磨地段，加速對軌道結構造成破壞，產生軌道空掉、泛白、坍砟等基床病害。

準東鐵路大多數波磨鋼軌都產生在曲線上，而且波磨鋼軌引起的振動對機車、橋梁、路基及道床都有極大的破壞，對列車的運行有著不穩定因素，有導致列車脫軌的安全隱患。

三、波浪形磨耗的對策

曲線鋼軌的波浪形磨耗是不可避免的，但是通過采取各種措施，可減緩曲線上鋼軌波磨傷損的發展和生產。

1、有效的實施鋼軌打磨，鋼軌打磨分為兩種，是預防性打磨和修理性打磨。預防性打磨可以消除曲線地段粘滑振動和消除粘滑振動應起的不均勻磨耗的疊加效應。修理性打磨針對較大的波磨傷損，終止波磨的惡性循環式的發展。打磨是解決鋼軌波磨的主要方法，可提高鋼軌的使用壽命。

2、大機清篩易出現波磨地段的線路，對橋梁，隧道地段人工清篩，徹底解決道床板結問題，增加道床的彈性。

3、更換膠墊，對膠墊的質量嚴格把關，選用高彈膠墊，恢復線路彈性。

4、選用高強度鋼軌，增加鋼軌的耐磨性，延緩波磨的產生和發展。

5、增設斜性膠墊，增加鋼軌與輪對的接觸面，減小二者之間的縱向滑動，抑制輪軌處在黏著狀態，從而減少波磨的產生。

6、加強線路的保養和調查，對曲線經常檢查鋼軌狀態和測量曲線的幾何尺寸，膠墊的損壞程度，道床的清潔度等。

四、城市軌道交通鋼軌波磨特征綜述

鋼軌波磨作為城市軌道交通鋼軌傷損的主要形式之一，早已引起了發達國家軌道交通工務部門的重視。美國、加拿大、法國、意大利和日本等國先后對所在地區的軌道交通線路上的波磨進行了大范圍的觀測與統計，總結出了軌道交通鋼軌波磨的一些特征。Tassilly等在20世紀80年代末期對巴黎都市軌道交通管理局（RATP）運營的巴黎地鐵和法國快速軌道網絡線路上的鋼軌波磨進行了觀測，結果發現：波磨主要出現在曲線上且種類各異，波長一般在50～300mm之間;波磨或出現在曲線下股鋼軌（混凝土整體道床波磨波長較短），或出現在上股鋼軌（有砟軌道上波長較長），或上下股均有波磨產生。DonaldR.Ahlbeck等人對1969年至1989年間的47篇有關鋼軌波磨的科技報告及研究文獻進行了綜述，總結了波磨出現的軌道類型、運營速度、曲線半徑，以及波磨波長、波深等特征。其中：城市軌道交通鋼軌波磨出現的曲線半徑在366m之內，波磨波長介于50～200mm之間;波深與波長相關，短波波磨的波深一般小于0.2mm，最大波深達0.9mm。

五、波磨的形成機理

波磨的發生及發展涉及很多因素之間非常復雜的關系，迄今為止仍沒有提出一種被廣泛認同的理論來解釋各種波磨現象，這方面的研究尚待深入。張立民等人根據非線性振動理論和赫茲理論，分析了鋼軌波磨與輪軌縱向自激振動幅值和接觸橢圓縱向軸長的關系，證明鋼軌波磨產生的機理是輪對自激振動幅值大于接觸橢圓縱向軸長，實際的輪軌系統下波磨產生的條件是輪對橫移量大于臨界值。張立民還根據輪軌滾動接觸中鋼軌循環加載塑性累積和材料的Ratcheting效應，應用強化材料模型，對鋼軌內部的殘余應力和累積變形進行了數值分析。分析結果表明，鋼軌材料的Ratcheting效應和輪軌接觸應力的波動是鋼軌表面剝離與壓潰形短波波磨產生的重要原因。范欽海認為，輪對與軌道系統的彈性振動使輪軌間產生的黏著振動（或黏-滑振動）是鋼軌波浪形磨耗形成的基本機理，并通過試驗加以驗證。輪軌間作用著一種高頻的橫向波動力，有時其值會瞬時超過蠕滑力的極限值而進入滑動狀態，它不僅會導致鋼軌頂面的不均勻磨損，還可能造成鋼軌頂面金屬向側面產生塑性流動。波磨是輪軌相互作用過程中發生的一種復雜現象，要分析其形成機理，就必須綜合考慮輪軌相互作用的特點，結合實際各種工況，才能抓住根本。張波等人認為，波磨成因可以從3方面來討論。

1）自激振動理論：在一定條件下，由于輪軌系統的固有特性，使輪軌間產生自激振動，從而引起波磨發生。2）反饋振動機理：輪軌間的原始不平順激起輪軌間的振動，并導致更大的不平順。也就是說，這是在重復載荷條件下振動逐步加強的激化過程，即“不平順※振動※更大不平順※更強振動”的循環，從而促使波磨形成。3）接觸疲勞理論：受隨機的踏面摩擦力影響，由鋼軌表面的疲勞微裂紋所引起的不均造成波磨發生。地鐵中產生的磨損性波磨多發生在曲線地段，這是由于車輪在通過曲線時，輪對扭曲共振導致交替的縱向力，在輪對與鋼軌間發生縱向滑動而產生波磨。這不僅與輪對的重力角剛度特性有關，而且與曲線曲率及輪軌黏著狀態有著直接關系，主要是輪軌之間的黏滑振動導致內軌頂面的波磨。當車輛通過曲線半徑較小的線路時，由于輪對沖角的改變，輪軌的縱向剪切力超過輪軌黏著極限，輪軌間發生縱向滑動，滑動處形成波谷;滑動后釋放了積累的能量，使輪軌又處于黏著狀態，輪軌磨損減輕，該處形成波峰。這種黏滑振動不斷重復，形成了鋼軌表面的波磨。

結論

由于鋼軌的波浪形磨耗是由多種原因產生的，而且相互作用，形成惡性循環（道床不潔彈性降低，使膠墊損壞嚴重;膠墊損壞嚴重使軌道彈性下降，使鋼軌傷損增多，主要是波磨和魚鱗裂紋。鋼軌波磨的發展較快，使列車的振動增加，反過來作用在膠墊和道床，造成膠墊損壞嚴重，道床板結，使之彈性下降）。

參考文獻

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（作者單位：內蒙古伊泰準東鐵路有限責任公司設備綜合車間探傷專業）