减振轨道结构钢轨波磨特征现场调查与分析

李 霞，张雪珊，张 剑，王衡禹，温泽峰，金学松

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028;2.大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁大连 116028;3.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031)*

0 引言

我国某地铁线路开通后不久，其科隆蛋减振轨道直线和曲线区段均出现了严重的短波长波磨，如图1所示，其主波长为40～50 mm.这种短波长波磨的出现加剧车辆轨道结构的振动，加速车辆轨道结构部件的老化，缩短其使用寿命，对车辆轨道系统的服役性能有很大影响.为此，国内外学者进行了大量研究，Grassie［1-2］、Sato［3］和Nilsen［4］等人对近几十年钢轨波磨的研究进展和相应的减磨措施做了详细地综述.Ahlbeck和Daniels［5］对由多种轨道形式构成Baltimore城市地铁的波磨情况展开了比较全面的研究，通过跟踪试验和数值建模分析了该地铁波磨的可能成因.Diana等人［6］结合现场调查和理论模型对米兰地铁短波波磨的产生机理展开了研究.王小文等人［7］根据现场调查和试验测试介绍了广深准高速铁路钢轨波状磨耗的特点.谭立成等人［8］提出轮对摩擦自激振动是钢轨波磨形成的基本机理.Jin等人［9］通过滚动台试验再现了钢轨短波波磨现象，研究结果表明波磨形成与轨道结构特性相关.李霞等人［10-11］分析了普通短轨枕轨道和套靴轨枕轨道钢轨波磨形成的初步原因.本文结合该地铁线路实际情况，对科隆蛋减振轨道钢轨波磨情况展开调查，并借助于理论知识对其展开分析.

图1 钢轨波磨

1 钢轨波磨现场测量

大量的现场(所有直线段和曲线段)调查和测试结果显示，相近速度下，科隆蛋减振轨道结构上所形成的波磨特征基本一致.

为了便于掌握现场钢轨波磨特征的详细情况，在该地铁线路A站和B站之间的科隆蛋减振轨道上选取了一段作为调查对象，曲线参数为2000m(半径)，近似于直线，故后面分析用左右轨分别标注两股钢轨.利用ODS钢轨不平顺测量系统对该调查区段钢轨波磨进行了测量.该系统现场安装及测量情况如图2所示，将该装置安装在钢轨上可以同时测量距钢轨内侧20、30和40 mm三个位置处的纵向不平顺.

图2 ODS钢轨不平顺系统现场测试示意图

该调查区段的测试结果如图3所示，给出了距钢轨内侧30 mm位置处的波磨情况.从图3可知，该区段左轨波磨最大波深(峰到谷)大约0.123mm，见图3(a)，右轨波磨最大深度大约0.075 mm，见图3(b).左轨的波磨深度大于右轨的深度，这可能是由于轨道结构设置不对称造成的.

图3 科隆蛋减振轨道钢轨波磨

图4给出了图3中左右轨钢轨波磨对应的1/3倍频程结果.从图中不难发现，该区段科隆蛋减振轨道内外轨波磨主波长为40～50 mm，次波长约为20和200 mm.

列车通过该波磨区段的速度约为50 km/h，则对应三个波长的波磨通过频率大约为

图4 钢轨波磨不平顺等级

2 钢轨硬度测试

为了解波磨钢轨的硬度情况，采用了硬度测量仪对多处波磨轨的状态进行了测量.硬度测量选取了未被车轮碾压的钢轨、明显发生波磨的直线段钢轨和曲线段钢轨.首先对钢轨基体硬度进行了测量，然后分别对直线左右轨和曲线内外轨进行测量.所有测量结果均采用布氏(HB)硬度衡量.

2.1 钢轨基体硬度

钢轨基体硬度测量共分两组进行:第一组在曲线段钢轨进行了15次测量;第二组在直线段钢轨进行了10次测量.测量在钢轨轨头外侧未经车轮碾压部分进行.测量时用清洁剂和砂纸将铁锈去除，测量点随机选取.硬度测量结果如图5所示.

图5 钢轨基体硬度

从图5可知，大部分测量结果集中在250 HB左右，但有少量测量结果偏小.这部分异常数据的平均值为189 HB(图中虚线所示)，这些异常数据可能是轨头表面未除尽的铁锈所造成的.去除异常数据后，钢轨基体硬度测量结果的平均值为251 HB(图中实线所示).从图中还可以看到曲线段钢轨与直线段钢轨的基体硬度是一致的.测量结果显示，曲线段钢轨的基体硬度为251 HB;而直线段钢轨的基体硬度为252 HB.二者几乎完全相同.

2.2 直线波磨轨硬度

直线段波磨轨的测量选取在同一位置的左右两侧钢轨上，每一组测量从某个轨枕的大致位置开始，在沿着钢轨方向的一条直线上进行，长度跨越5个波长.在一个波长内(以每个“峰-谷-峰”为一个单位)，尽量均匀地布置5个测量点.图6以直线段左侧轨为例，显示了测量点的分布.

图6 直线段钢轨硬度测量点分布

测量结果如图7.图中结果显示，直线段上发生波磨的钢轨表面的硬度大约分布在310～350 HB之间，远高于钢轨基体硬度251 HB.说明经过车轮碾压，钢轨表面发生了明显的加工硬化.测量结果同时也显示了在直线段左右两侧钢轨的硬化程度大致是相当.同时，图7所示结果还清楚地显示了波谷处的硬度大于波峰处的硬度.在图中所示的数据中，仅右侧轨第一个波谷处测得的硬度略小.而考虑到该波谷两侧的硬度值都比较高，该处硬度值下降可能是由于测量不准确造成的.波谷处较高的硬化现象反映了波谷处承受了较高的压力，导致了此处较大的磨损和塑性变形，促使了波谷的进一步加深，波磨进一步恶化.

图7 直线段钢轨硬度测试结果

2.3 曲线波磨轨硬度

现场调查发现曲线外轨上，肉眼可见钢轨沿滚动方向呈带状的不同颜色的区域.因此，测量分别在如图8所示的三条沿滚动方向的直线上进行.每一组测量的长度跨越2个波长，在一个波长内布置了5个测量点.硬度测量结果如图9所示.图9中测量线1～3分别与图8中的测量线1～3对应.

图8 曲线段外轨硬度测量点分布

从图9中可知，测量线2上所测得的硬度要明显高于测量线1和3，而测量线1和3上所测得的硬度与在直线段钢轨上所测得的硬度在同一个水平上.考虑到曲线段外轨的受力更大，它自然也受到了比直线钢轨更强烈的硬化作用.测量线2上的波谷处硬度略大于波峰处硬度，而在测量线1和3上并没有发现这一规律.

图9 曲线外轨硬度测试结果

对曲线内轨，沿滚动方向并无如外轨上不同颜色的带状区域，所以这里采用了类似直线段的测点布置(如图6)，即沿着滚动方向进行测量，测量结果显示波谷处硬度略大于波峰，硬度值在300～360 HB直接波动.同时，对内轨沿横向也进行测量，测量共两组，每组5个测量点自内而外覆盖了整个接触区域.测量结果如图10所示.由图中结果可知，与曲线段外轨硬度中间高两边低的硬度分布不同的是，内轨大部分区域硬度都在310～330 HB之间.而贴近钢轨内侧部位的硬度约为350～370 HB.该处硬度上升可能是由于轮缘贴靠钢轨内侧产生的硬化.

图10 曲线内轨硬度测试结果

3 结论

本文通过现场调查和试验测试对某地铁科隆蛋减震轨道钢轨波磨特征做了较为全面的分析.首先，利用ODS钢轨不平顺测量系统对调查区段钢轨波磨进行了测量.然后利用硬度仪对钢轨基体硬度、直线段波磨轨硬度和曲线段波磨轨硬度做了大量的测试.结合波磨相关理论知识，对测试结果进行了分析，研究表明:

(1)科隆蛋减震轨道结构直线段和曲线段大范围出现钢轨波磨.大量的现场(所有直线段和曲线段)调查和测试结果显示，相近速度下，该轨道形式上所形成的波磨特征基本一致;

(2)波磨主波长为40～50 mm，次波长约为20和200 mm.此段行车速度大约为50 km/h，三个波长的波磨通过频率分别为278～3478、694和70 Hz;

(3)硬度测量选取了明显发生波磨的直线段和曲线段钢轨.测量结果显示钢轨基体硬度约为251 HB.经车轮碾压，钢轨表面发生硬化后，直线段左右两股钢轨的硬化程度大致是相当;曲线段外轨(410～430 HB)硬度远大于直线段钢轨(310～350 HB)和曲线段内轨(310～330 HB).直线段和曲线段上，波谷处硬度大于波峰处硬度.

［1］GRASSIE S L，KALOUSEK J.Rail Corrugation:Characteristics，Causes and Treatments［J］.IMechE，1993，207(F):57-68.

［2］GRASSIE S L.Rail corrugation:characteristics，causes，and treatments［J］.Part F:J.Rail and Rapid Transit.2009，223:581-596.

［3］SATO Y，MATSUMOTO A，KNOTHE K.Review on rail corrugation studies［J］.Wear，2002，253:130-139.

［4］NIELSEN J，LUNDEN R，JOHANSSON A，et al.Traintrack interaction and mechanisms of irregular wear on wheel and rail surfaces［J］.Vehicle System Dynamics，2003，40(3):53-54.

［5］AHLBECK D，DANIELS L.Investigation of rail corrugations on the Baltimore Metro［J］.Wear，1991，144:197-210.

［6］Diana G，Cheli F，Bruni S，et al.Experimental and numerical investigation on subway short pitch corrugation［J］.Vehicle System Dynamics，1998，29(Sl):234-245.

［7］王小文，章欣，冯文相.广深准高速铁路钢轨波状磨耗特点和发展规律［J］.中国铁道科学，1998，19(2):28-34.

［8］谭立成，俞铁峰.钢轨波状磨损形成机理的初步试验和理论研究［J］.中国铁道科学，1985，6(1):28-52.

［9］JIN XUESONG，WEN ZEFENG.Rail corrugation formation studied with a full-scale test facility and numerical analysis［J］.Proc.IMechE Part J:J.Engineering Tribology，2007，221(J):675-698.

［10］李霞，李伟，温泽峰，金学松，王衡禹，吴磊.普通短轨枕轨道结构钢轨波磨初步研究［J］.机械工程学报，2013，49(2):109-115.

［11］李霞，李伟，吴磊，王衡禹，温泽峰，金学松.套靴轨枕轨道钢轨波磨初步研究［J］.铁道学报，2014，36(11):80-85.