地铁钢轨波磨的基本特征、形成机理和治理措施

0 引言

钢轨波磨是指钢轨表面沿纵向形成的波浪形磨损现象，波长分布为20~1200 mm，引起的激振频率为30~2000 Hz。车辆通过波磨轨道产生的振动和噪声不仅影响乘客的乘坐舒适度，还会加剧车辆和轨道部件的疲劳破坏，危及行车安全。如图1所示，波磨轨道上相邻两处的扣件弹条均发生断裂。

地铁轨道结构多样、曲线半径小、列车车型不一以及频繁的停车和制动，导致地铁钢轨波磨具有不同的线路分布、波长及幅值特征。图2为国内地铁不同轨道类型上的波磨形貌，包括减振扣件和普通扣件轨道以及直线和曲线轨道。

本文对世界各国地铁(含部分轻轨及有轨电车)钢轨波磨的表现特征进行了综合分析，归纳了其普遍存在性、时间集中性以及与曲线、轨道结构和车辆结构的相关性等典型特征，并对其分类方法、形成机理和治理措施进行了总结。

1 地铁钢轨波磨的共性特征

1.1 普遍存在性

钢轨波磨普遍存在于各类铁路轨道中。城市轨道交通的钢轨波磨情况更为普遍，传统地铁、直线电机线路、采用弹性车轮的地铁线路及有轨电车嵌入式轨道线路均出现了钢轨波磨。

20世纪初对有轨电车线路的调查表明，全世界75条有轨电车线路中有72条出现了波磨。北美城市轨道交通钢轨波磨的调查表明，所有线路均出现了不同特征的钢轨波磨。

北京地铁4、5和10号线的调查结果显示，约21%的线路出现了钢轨波磨。北京地铁6号线波磨发生比例达30%以上。2013年9月的统计数据表明，南京地铁1号线全线波磨轨道长度超过10 km，占全线总长度的25%。

1.2 时间集中性

严重的钢轨波磨一般出现在新线开通初期以及线路改造初期。美国、加拿大、意大利、日本的部分城市轨道交通线路以及中国北京、南京、深圳等部分地铁线路均在开通初期出现了钢轨波磨。

英国伦敦维多利亚线、西班牙毕尔巴鄂地铁和法国PER铁路均在线路改造或引进新车后，出现了钢轨波磨。

1.3 曲线相关性

地铁钢轨波磨主要出现在曲线上，在低轨更为显著；同时，低轨波磨波长较短，高轨波长较长。也有少数例外，部分线路的直线和大半径曲线上也有波磨分布。

1.4 轨道结构相关性

钢轨波磨与轨道结构有密切关系，各种地铁轨道均有不同程度的波磨出现。减振类扣件轨道与车辆系统匹配不佳时，波磨发生比例高。

米兰地铁采用的大刚度Milano轨道、低刚度Milano轨道和Wien轨道中的钢轨波磨特征波长分别为80~100、25~40和25~50 mm。北京地铁钢弹簧浮置板轨道钢轨波磨的典型波长为160~250和63~125 mm，普通整体道床DT Ⅵ2扣件轨道钢轨波磨波长为25~80 mm。广州地铁GJ Ⅲ型和DT Ⅵ型扣件轨道波磨主波长为30~40 mm。

北京地铁4号线减振器扣件轨道波磨发生比例高达67%，北京地铁6号线普通整体道床DT Ⅵ2型扣件钢轨波磨发生比例达54%，深圳地铁减振扣件地段90%的轨道出现了钢轨波磨。

1.5 车辆相关性

车轮踏面廓形、轮对定位及悬挂刚度、簧下质量等将影响车辆和轨道的动力学行为，会对钢轨波磨产生影响。

驱动轮对的2阶扭转振动(两车轮同相振动，电机反相振动)是北美城市轨道交通线路形成激振频率为300~350 Hz波磨的原因。同时，不良轮轨踏面匹配引起的共形接触以及转向架的轮对定位精度差易诱发轮轨黏滑振动，是加拿大直线电机线路产生波磨的原因之一。

在Grassie等定义的6类波磨中，重载型、轻轨型及其他P2共振型波磨的固定波长机理均为P2共振，而簧下质量对P2共振频率影响显著。

1.6 与其他因素的相关性

车型统一、运行模式相同的线路容易出现波磨，如日本东京山手线相比于中央线，运行列车单一，运量大，波磨更为突出。车型改变可能会改变波磨特征，如德国斯图加特轻轨线路曾经为标准轨距车辆和米轨车辆共线运行模式，波磨的激振频率为150~250 Hz，结束共线运行模式和更换新车后，出现了激振频率约为80 Hz的钢轨波磨。

荷兰铁路某线路耐磨性较低的钢轨未出现波磨，而耐磨性高的钢轨出现了波磨。

澳大利亚的研究表明，变速度运行和下雨对露天轨道的波磨发展速度影响显著。日本的研究发现，高盐和潮湿环境中，钢轨表面产生的羟基氧化铁ß-FeOOH能够降低轮轨摩擦因数，容易引发轮轨滚滑运动，导致波磨形成。

牵引和制动对波磨的产生和发展有影响，但并非具有同一规律。北美城市轨道交通的牵引和制动地段易发波磨。英国铁路在车站的车辆进站区段有波磨，而列车出站段波磨不明显。日本海底隧道线路的钢轨波磨主要出现在上坡段，但深圳地铁3号线坡度为29‰的下坡段轨道波磨也很严重。

2 波磨成因与控制措施

2.1 波磨的分类

Grassie根据不同固定波长机理和损伤机理的组合，将钢轨波磨分为6类：pinned-pinned共振型(原为响轨型)、车辙型、其他P2共振型、重载型、轻轨型和特殊轨道型式型。

Sato将日本常见的钢轨波磨分为：小半径曲线低轨短波长波磨；直线或大半径曲线短波长波磨；小半径曲线高轨中等波长波磨。

2.2 波磨的形成机理

Grassie认为，响轨型波磨的固定波长机理为轨枕离散支撑引起的pinned-pinned共振，发生在直线及曲线高轨；车辙型波磨的固定波长机理为驱动轮对的2阶扭转共振，主要出现在曲线低轨上；其他P2共振型波磨，一般发生在直线和曲线高轨；重载型和轻轨型主要出现在重载铁路和普通铁路上，其固定波长机理为P2共振；特殊轨道型式类波磨由特殊轨道型式决定。

波磨的表现形态和形成机理复杂，Grassie等对波磨的分类并非包括所有情况。Ciavarella等指出，短波长波磨的波长与车速呈非线性变化关系或者基本固定，而现有基于共振机理预测出的波磨激振频率却是固定的。Matsumoto等的研究认为，轮轨接触的大蠕滑和垂向力波动引起的轮轨黏滑振动是形成钢轨波磨的原因，而轮重变动引起的蠕滑力变化要远大于负摩擦特性。陈光雄等认为轮轨蠕滑饱和引起的摩擦自激振动是地铁不同类型轨道结构钢轨波磨的形成原因。

国内地铁线路中由于轨道结构不同产生了不同特征的钢轨波磨，而有关波磨形成机理也有不同的解释，如北京地铁普通扣件、减振器扣件、弹性短轨枕以及梯形轨枕轨道的钢轨波磨，目前，普遍的观点认为是由于轮对和轨道结构引起的轮轨共振所致，同时，轨距保持能力差、部分频段过低的扣件阻尼等也是波磨产生的原因。金学松课题组的调查认为，同一线路采用了同样类型的列车，不同轨道结构的钢轨波磨波长和发生位置均不相同，因此，波磨的产生还与轨道结构有关。

2.3 波磨的控制措施

各国主要以钢轨打磨来控制波磨发展，通过轨道结构、运行环境、轨道吸振器、轮轨界面摩擦调节以及车辆优化设计来控制波磨的研究和应用仍有待完善。

2.3.1 钢轨打磨

钢轨打磨是控制波磨影响的被动措施，无法从根本上消除波磨。特定波长的波磨不仅确定了轮轨系统特征频率，同时具备了相位特征，一旦打磨后残留有特征波长不平顺，波磨即可迅速复发，因此，能否消除特征波长的波磨是评价打磨效果的重要指标之一。

2.3.2 轮轨接触位置调整

轮轨共形接触引起的黏滑振动是钢轨波磨成因之一。加拿大温哥华直线电机线路在直线段采用变轨距铺设来改变轮轨接触位置，如图3所示，将直线段按里程分为4部分，轨距分别采用减小12 mm、标准轨距、加宽12 mm和加宽24 mm的4种设置，从而扩大轮轨接触区范围，避免过于集中的轮轨共形接触。

图3 温哥华直线电机地铁线路的变轨距铺设

此外，直线及曲线上采用不同的打磨策略也可改变轮轨接触位置。如图4所示，对直线及大半径曲线钢轨进行对称性打磨，使得轮轨接触点向踏面外侧移动，保证轮轨具有较低锥度，提高列车高速运行的稳定性。对小半径曲线钢轨采用非对称打磨，见图5，增大曲线高轨外侧和低轨内侧的打磨量，使得低轨上轮轨接触点向外侧偏移，从而保证轮对通过曲线时有足够的轮径差，提高曲线通过能力。

图4 直线及大半径曲线的钢轨对称打磨

图5 小半径曲线的钢轨非对称打磨

2.3.3 轨道结构与材质调整

(1)扣件刚度

扣件刚度对钢轨波磨的形成和发展有重要影响，但对于扣件刚度的影响效果还未有统一认识。欧美的研究认为，高弹性扣件轨道具有非常优越的抗波磨性能。日本的研究表明，改变扣件类型和垫板刚度不能从根本上消除波磨，仅能改变其特征波长。近年来，中国的低刚度扣件地铁轨道出现了非常严重的钢轨波磨，金学松等在揭示其形成机理的基础上，提出适当增大扣件刚度的建议，对北京地铁4号线更换掉低刚度减振扣件后的钢轨进行了跟踪监测，发现波磨得到了有效控制，原先1月即可复发的波磨，改造后，运行超过1年尚无显著波磨。

(2)吸振器/阻尼器

Collette等利用数值仿真和1/4模型试验台研究了通过动力吸振器对轮对一阶扭转共振进行调频来抑制波磨的措施。

吴天行等的研究认为，吸振器能够有效抑制pinned-pinned共振引起的短波长波磨发展，但需要完全抑制pinned-pinned共振，否则频率改变的pinned-pinned共振仍会导致波磨产生。国内地铁线路中已开展了利用轨道减振器及阻尼器控制波磨的试验研究。

(3)钢轨材质

荷兰的波磨调查发现，耐磨性差的钢轨不易发生波磨。这一规律的普遍性还有待于进一步验证，国内外也有不同的意见，如有研究认为采用耐磨性更好的热处理钢轨来控制波磨。

2.3.4 车辆结构改进

轮对的不良定位也是形成钢轨波磨的原因之一。温哥华直线电机列车将轮对定位精度提高到±10角分后，结合其他措施，钢轨波磨问题得到了有效解决。

日本东京大江户线直线电机地铁列车采取了改善轴箱支撑刚度和减轻簧下质量的措施来降低轮轨冲击振动。采用直线电机簧上悬挂的架悬式转向架，成为日本直线电机转向架的标准型式。

车轮踏面优化也可以改善轮轨接触匹配关系，但踏面的改进还需要综合考虑车辆的动力学性能和轮轨磨耗特性。温哥华直线电机车辆上采用的改进型踏面，尽管能够保证车辆具有良好的稳定性，但运行至2万公里时，车轮圆周上出现了波浪形磨耗。

2.3.5 运行控制与摩擦调节

(1)车速

巴黎地铁波磨的理论研究表明，降低50%车速对波磨的发展速率几乎无影响；西班牙的研究还显示，降低15%车速不仅不能减轻波磨，反而使得波磨发展速率增大3倍。意大利某地铁开通后不久即发生钢轨波磨，为抑制波磨，车速从40 km·h-1降至30 km·h-1。然而，限速之后，波磨更加显著。虽然降低速度不一定能够减轻波磨，但同样线路区间的变速运行能够抑制波长依赖于车速的波磨发展。

(2)轨顶润滑与摩擦调节

轮轨黏滑振动是引起钢轨波磨的原因之一，主要是由于轮轨之间的负摩擦特性引起轮轨滚滑自激振动。对此，国外研究开发了正摩擦特性改进剂，将轮轨之间的负摩擦特性改变为正摩擦特性，从而减缓钢轨波磨的产生，并在欧洲和日本进行了有效的线路应用验证。

3 结语

(1)钢轨波磨是地铁系统中普遍存在的问题，易发于新线路和改造线路，同时与曲线半径、轨道结构类型、车辆型式、轮轨状态、牵引和制动、车速及运行环境等密切相关。

(2)一般而言，地铁小半径曲线易出现波磨，且以低轨显著，相对于高轨，低轨波磨波长短、幅值大。但也有例外，部分直线和大半径曲线上也有波磨出现，部分曲线上高轨波磨比低轨严重。

(3)减振扣件轨道与车辆系统匹配不当时，易出现快速发展的钢轨波磨，不仅会降低减振效果，波磨引起的激烈轮轨动力作用还是车辆和轨道的振动及噪声来源，并有可能引起车辆和轨道部件破坏，因此，在减振轨道选型时应综合考虑减振性能和轮轨动力匹配。

(4)车轮廓形一方面会影响轮轨共形接触，与轮轨黏滑振动形成有关，另一方面，不同横移量时的踏面锥度将决定车辆曲线通过性能，因此，避免共形接触和合理的轮径差设计将会改善轮轨匹配状态，降低曲线通过时的轮轨力。车辆悬挂系统柔性化设计以及降低簧下质量将会减小轮轨冲击作用和P2共振响应，有利于控制和减轻波磨的发展。

(5)运量集中、车型单一、车速相近的线路波磨相对突出，车型和车速的改变有可能会改变波磨的特征，但降速并不能控制波磨发展。钢轨材质和扣件刚度对波磨形成的影响机制，目前仍存异议。

(6)地铁钢轨波磨的形成机理尚不统一，固定波长机理等多数理论主要基于轮轨系统共振(反共振)，轮轨黏滑(摩擦自激)振动、钢轨振动波反射也是特定类型波磨的形成机理。现有研究主要基于现场观测和理论仿真，对轮轨系统中的纵向动力学以及非线性因素考虑不完善，黏滑自激振动及轮轨负摩擦特性对波磨影响机理尚不统一，难以解释直线以及曲线高低轨波磨特征的差异。

(7)打磨是目前世界各国控制波磨的主要措施，但打磨无法从根本上消除波磨。由于对波磨的形成和发展缺乏理论上的主动预测和试验验证，尚未能从轨道结构、车辆结构及运行环境的综合角度掌握钢轨波磨的形成机理和控制因素。

(8)从改变轨道结构或者运行环境角度来控制波磨，有待于对波磨机理的深化研究。通过车辆-轨道耦合系统的动态磨耗演变仿真与试验研究，在掌握轮轨动态接触与非均匀磨损形成机理和影响因素的基础上，提出控制地铁钢轨波磨的主动措施和轮轨匹配优化设计原则是未来的研究重点。

文章来源：

原文名称：地铁钢轨波磨的基本特征、形成机理和治理措施综述

作者信息：关庆华,张 斌,熊嘉阳,李 伟,温泽峰,王衡禹,金学松（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610031）

期刊信息：《交通运输工程学报》- 2021年1期

原文出处：https://mp.weixin.qq.com/s/VI6J7RhzOUsk_EtLmUCvgA