地铁钢轨波磨形成机理和措施研究

地铁钢轨波磨的形成机理十分复杂，至今尚未完全弄清楚。它的研究涉及多学科多领域的相关知识，如结构动力学、固体接触力学、滚动接触理论、摩擦学、计算方法等。因此，深入研究地铁钢轨波磨问题是十分重要的，揭示其形成机理并提出相应的波磨减缓措施，对确保我国地铁运行安全和减振降噪具有重要意义。本项目对某地铁线路钢轨波磨的形成机理及相关的减缓措施开展了研究，主要包括：（1）调查了某城市地铁车辆轨道结构特征、典型区段钢轨波磨状态和轨道结构特性测试结果。对钢轨波磨通过频率与轨道结构振动频率的相互关系做了详细探讨，发现该线路上出现的波磨主要与轨道结构形式相关。（2）建立了多种轨道耦合作用的三维实体有限元理论分析模型，分析讨论了轨道结构的动态特性与波磨发生发展的相互关系。（3）研究了白噪声激励、复合不平顺激励和凹坑激励下普通短轨枕曲线轨道和科隆蛋扣件直线轨道波磨的形成机理和发展情况。波磨的形成与随机不平顺中的初始波长关系较小，与轨道结构自身的固有特性以及车辆通过速度关系较大。（4）研究了扣件参数、曲线超高、车辆载重和摩擦系数对钢轨波磨的影响，提出了相应地减缓措施。研究表明：提高扣件参数、减小曲线过超高值、非高峰期车辆和低于0.35轮轨摩擦系数，有利于减缓轨道波磨形成和发展。在本项目资助下共发表论文15篇，其中，SCI期刊源论文2篇、EI期刊源论文6篇，国际会议论文6篇，其他1 篇。 2100433B

近年来我国地铁发展迅速，地铁运营所带来的环境振动问题一直受到人们的关注。地铁钢轨波磨是引起环境振动的主要原因之一，其形成机理尚未弄清。本项目将首先对我国地铁钢轨波磨进行现场调查分析，开展波磨不平顺、车辆轨道共振特性识别和车辆轨道关键零部件振动特性测试工作。然后建立地铁钢轨波磨理论计算模型，模型中包含考虑结构刚柔特性的车辆轨道垂横向耦合动力学模型、轮轨非赫兹滚动接触理论和轮轨伤损模型，考虑产生不同波长波磨的不同轨道结构类型，并发展相应数值程序。通过数值模拟，研究影响地铁钢轨波磨发生和发展的关键因素，结合测试试验研究结果，揭示其形成机理。最终提出钢轨波磨减缓措施，并确定波磨钢轨打磨的最佳周期和方法。本研究不仅促进钢轨波磨理论的深化，而且有重要工程应用背景，对确保我国城市轨道交通安全运行和实现可持续发展具有重要的意义。

建立理论模型分析高速钢轨疲劳裂纹的形成机制。利用高速列车/轨道系统耦合动力学模型，分析不同机车车辆高速通过曲线时，轮轨作用点位置；利用轮轨三维非Hertz滚动接触理论确定轮轨接触斑作用力的分布，包括切向力和方向、粘滑区的大小和分布；建立弹塑性有限元计算模型，分析塑性应变的累积规律，考虑棘轮效应导致微裂纹；对表面裂纹形成与发展过程中考虑磨损率的影响作用，研究钢轨接触疲劳裂纹的形成机制。利用大型轮轨模拟试验台再现钢轨接触疲劳裂纹形成现象，了解接触疲劳裂纹的形成规律与影响因素，验证理论分析结果。建立滚动磨损率与疲劳裂纹形成耦合关系曲线图。研究滚滑比、循环次数、轴重、曲线半径等参数对模拟钢轨表面微裂纹形成的影响作用。模拟高速铁路的应用工况，试验研究钢轨材料抗接触疲劳损伤的性能，研究高速铁路钢轨材料的选材原则。提出抑制和避免严重滚动接触疲劳裂纹形成的有效措施。

随着列车运行速度和轴重的提高，轮轨出现的破坏现象变得越来越严重，严重影响重载铁路运输安全。项目围绕重载铁路钢轨损伤机理与预防减缓措施两个方面开展研究，取得了系列研究成果。 现场重载钢轨损伤主要为侧磨和表面疲劳剥离；重载钢轨轨顶区疲劳裂纹富集，侧磨区和非接触区几乎无宏观裂纹；裂纹扩展沿塑性变形方向，裂纹表面尖端出现二次分裂，沿深处主要为穿晶扩展。 研究了不同轴重和碳含量下轮轨材料滚动磨损与损伤性能。钢轨材料的不同可造成轮轨硬度、磨损率和表面损伤的明显差异；车轮材料的改变对车轮磨损行为的影响大于钢轨磨损行为，不同碳含量车轮试样的表面磨痕损伤形貌存在较大差异；车轮的磨损系数kw随轮轨相对滑动速度Vslip和接触应力P的增加整体呈现变大趋势，钢轨的磨损系数kr随轮轨相对滑动速度Vslip的增加整体呈现减小趋势；随速度增加，车轮试样表面损伤机制由疲劳裂纹和粘着磨损共同作用，钢轨试样磨损损伤机制转变为块状剥落。 激光表面淬火处理轮轨材料有助于提高表面的抗磨损性能，激光熔覆Co基合金涂层和Fe基合金涂层能显著提高轮轨材料的硬度和耐磨性，有利于降低材料的磨损与损伤，对减缓重载轮轨磨损有着重要的意义。 以轮径差函数为设计目标对重载线路75kg/m钢轨型面进行逆向求解，优化出满足轮径差函数的重载车轮型面，优化的车轮型面与75kg/m钢轨匹配时表现出较好的性能。通过建立重载货车动力学分析模型研究了重载铁路小半径曲线轮轨磨耗问题，分析了轨道结构参数与摩擦系数变化对重载轮轨磨耗的影响规律；研究了钢轨打磨列车动力学行为，分析了高速打磨过程中打磨磨屑行为；分析了润滑油、植物油、二硫化钼锂基脂、石墨钙基脂等润滑剂对轮轨摩擦与减磨性能的影响。 项目研究发表（接收）论文30篇，其中SCI论文5篇，EI论文12篇，申请发明专利2项（授权1项），培养博士生1名、硕士生9名（优秀硕士论文2篇），参加国际会议报告4次，国内会议报告6次。项目研究结果对我国重载铁路钢轨损伤的预防和减缓提供了重要的理论指导与技术支撑作用。