堯輝明， 沈 鋼， 高利君

(1. 同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院, 上海 201804; 2. 上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院, 上海 201620)

鋼軌的波浪型磨耗(波磨)是輪軌系統(tǒng)中常見(jiàn)的磨損形式之一，長(zhǎng)期以來(lái)一直難以徹底解決.國(guó)內(nèi)外專家對(duì)波磨的形成機(jī)理進(jìn)行了大量的研究[1-4]，Grassie和 Kalousek[1]在1993年第一次提出了一個(gè)較為完整的波浪形磨耗產(chǎn)生機(jī)理圖，給出了表示車輛-軌道系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能的定波長(zhǎng)機(jī)理和改變鋼軌初始縱向外形的磨損機(jī)理，認(rèn)為只通過(guò)波長(zhǎng)的長(zhǎng)短來(lái)對(duì)波浪形磨耗進(jìn)行分類是不全面的；Frederick[5]在1986年為了預(yù)測(cè)鋼軌表面特定波長(zhǎng)的周期模式是否被通過(guò)的車輪加深或消除，利用測(cè)量結(jié)果來(lái)量化輪軌垂向、橫向、縱向動(dòng)力特性輸出；Valdivia[6]從純分析的角度獲得了同樣的結(jié)論，整合法向、切向接觸力學(xué)方程，計(jì)算出車輪和鋼軌響應(yīng)，最后做出磨損分析；在日本，東京大學(xué)的Matsumoto等[7-8]進(jìn)行了很多有關(guān)波磨的研究，從各種不同的角度研究了小半徑曲線處波磨的形成機(jī)理和應(yīng)對(duì)措施.劉啟躍等[9-10]利用JD -1型輪軌摩擦學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)在室內(nèi)再現(xiàn)了鋼軌波磨，分析了初始波磨形成后波長(zhǎng)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系、波磨波長(zhǎng)與載荷關(guān)系、車輪轉(zhuǎn)速與波長(zhǎng)關(guān)系、波磨波長(zhǎng)與蠕滑率的關(guān)系，結(jié)果得到模擬實(shí)驗(yàn)中試件出現(xiàn)的波長(zhǎng)與載荷無(wú)關(guān)而與轉(zhuǎn)速、蠕滑率成正比關(guān)系，在初始波磨形成以后，波磨波長(zhǎng)不隨轉(zhuǎn)速的變化而改變，輪軌之間的切向力在鋼軌波磨的形成和發(fā)展過(guò)程中起著極為重要的作用.

這些波磨的成因機(jī)理研究基本停留在宏觀層面，波磨的種類繁多，形式不一，在重載線路、輕軌地鐵、高速鐵路的直線和曲線都有出現(xiàn)，尤其在快速發(fā)展的地鐵系統(tǒng)，波磨在小半徑區(qū)段，甚至在直線區(qū)段也經(jīng)常反復(fù)出現(xiàn).波磨在形式上有長(zhǎng)波、中波和短波之分；也有塑性壓潰型、磨耗型以及壓潰和磨耗混合型.不管什么類型的波磨，最終的危害都是嚴(yán)重的，即會(huì)造成輪軌間的高頻沖擊、巨大的動(dòng)作用力和巨大的噪聲，會(huì)導(dǎo)致輪軌系統(tǒng)的疲勞損壞.本文探索磨耗型波磨的形成微觀(接觸斑范圍)機(jī)理的研究，即僅關(guān)注接觸點(diǎn)區(qū)域.

1 波磨的微觀機(jī)理

一般波磨的機(jī)理可以敘述為：波磨是由2種機(jī)制作用而產(chǎn)生的，這2種機(jī)制稱為磨損機(jī)制和波長(zhǎng)鎖定機(jī)制，如圖1所示.波磨的形成周期分為初始形成期和發(fā)展期[4].

圖1 波磨形成機(jī)理

輪軌系統(tǒng)近輪軌接觸點(diǎn)附近的結(jié)構(gòu)因不同的線路結(jié)構(gòu)和車輛有較大差異，比如鋼軌下的軌墊剛度、軌枕形式和道床形式有多種.車輛的一系懸掛剛度、輪對(duì)組成的質(zhì)量也不同.這些因素都會(huì)影響波磨的形成和發(fā)展，因此從宏觀看會(huì)出現(xiàn)有眾多波磨成因的結(jié)果，一旦其中有一項(xiàng)參數(shù)發(fā)生變化，這個(gè)成因就會(huì)不成立，因此會(huì)造成預(yù)測(cè)的誤判.

若從微觀考量，情況就會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單，即微觀的接觸區(qū)僅存在切向的輪軌作用和垂向的壓力作用，切向作用必然存在蠕動(dòng)或滑動(dòng)；法向的壓力作用必然會(huì)有塑性形變.可以推測(cè)假定這種作用是隨機(jī)性的，那就不應(yīng)該有波磨.磨耗是均勻的，那必然存在嚴(yán)格的確定性磨損規(guī)律才有可能形成波磨，這個(gè)規(guī)律可以表達(dá)為：在凸起處的磨損相對(duì)于低凹處的磨損小，產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的機(jī)理就是波磨的微觀機(jī)理，可以適用于任何場(chǎng)合，解釋任何波磨現(xiàn)象.

2 磨耗型波磨的波長(zhǎng)鎖定機(jī)制理論分析

對(duì)于磨耗型波磨而言，磨損的形式主要是切向滑動(dòng)，若產(chǎn)生了波磨，則必然這種滑動(dòng)磨損的強(qiáng)度是周期性的.由于這種周期性振動(dòng)具有微觀高頻、高載荷特征，不宜采用傳統(tǒng)的輪軌時(shí)不變模型進(jìn)行論證，為此采用基于物理現(xiàn)象的理論分析方法，再用試驗(yàn)方法論證.圖2示出了這種波磨鎖定機(jī)制的理論推理.圖2中左側(cè)是輪軌切向蠕滑率ξ與切向蠕滑力T的在不同正壓力下的關(guān)系曲線族，右側(cè)圖是沿波磨方向長(zhǎng)度s和正壓力N(左側(cè)坐標(biāo))以及波磨幅度h(右側(cè)坐標(biāo))的關(guān)系圖，中部指向紙面內(nèi)的坐標(biāo)是左側(cè)圖中的切向力響應(yīng).左側(cè)圖中示出了2條曲線，上方是正壓力較大的蠕滑率和蠕滑力曲線，下方是正壓力較小的蠕滑率和蠕滑力曲線.假設(shè)此時(shí)輪軌的工作點(diǎn)在ξ0處，波磨的垂向剖面形狀如右側(cè)圖的下方所示，由于沖擊作用，推測(cè)高點(diǎn)的正壓力會(huì)大于低點(diǎn)的，即如上方的曲線所示，均值為輪重N0，振幅為Nmin-Nmax，對(duì)應(yīng)左側(cè)的曲線上下線，這2條線與工作點(diǎn)交點(diǎn)為A和B，假定A的變化斜率為正，B點(diǎn)的變化斜率為負(fù)，由于斜率的正負(fù)相當(dāng)于輪軌間橫向接觸剛度特性，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)剛度時(shí)將發(fā)生黏滑振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致如右側(cè)圖中間的橫向切向力曲線的周期顫振，顫振較大處位于波磨的低谷區(qū)，較小的顫振處于波磨的峰值區(qū)，這樣就會(huì)使波磨不斷加深發(fā)展.這里有2個(gè)條件必須成立，一是輪軌表面存在能夠磨損軌面的切向黏滑振動(dòng)；二是正壓力有一定交變幅值，切向蠕滑率正好位于正負(fù)交變點(diǎn).這時(shí)切向滑動(dòng)出現(xiàn)周期性，波磨就會(huì)加劇發(fā)展.為了驗(yàn)證這2個(gè)條件，先后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn).研制了一個(gè)小比率雙輪滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，用來(lái)獲得不同正壓力下的蠕滑率-蠕滑力特性曲線.

圖2 磨耗型波磨的波長(zhǎng)鎖定機(jī)制理論分析示意

Fig.2Theoreticalschematicdiagramofthewavelengthlockingmechanismofwornprofilerailcorrugation

圖2可以清楚地說(shuō)明，當(dāng)蠕滑水平很高時(shí)，即都處于負(fù)斜率段，波磨將不會(huì)有，但會(huì)有嚴(yán)重的輪軌磨耗；當(dāng)蠕滑水平很低時(shí)，即都處于正斜率段，波磨也不會(huì)有，磨耗也??；如果運(yùn)行初期輪軌正壓力動(dòng)載荷沒(méi)有足夠大達(dá)到正負(fù)斜率的交變點(diǎn)，則波磨也不會(huì)很快產(chǎn)生，但隨著鋼軌粗糙度引起的磨耗達(dá)到一定幅值時(shí)，導(dǎo)致正壓力達(dá)到正負(fù)斜率的交變點(diǎn)，波磨就開(kāi)始加劇了.

根據(jù)上面的理論推理，需要對(duì)以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行試驗(yàn)論證.關(guān)鍵問(wèn)題為：

(1) 當(dāng)蠕滑率較大時(shí)是否存在負(fù)斜率段？蠕滑力的峰值點(diǎn)是否隨正壓力變化而變化，變化的方向是否為正壓力越大越向蠕滑率大的方向滑動(dòng)？

(2) 在負(fù)斜率段處輪軌是否會(huì)出現(xiàn)切向的黏滑振動(dòng)？負(fù)斜率段消失時(shí)是否振動(dòng)減緩？

3 小比率雙輪滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證

小比例雙輪滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)主要目的是通過(guò)模擬軌道車輛輪軌的局部切向滑動(dòng)，觀察在不同等效正壓力作用下的蠕滑力-蠕滑率特性曲線.

3.1 雙滾輪試驗(yàn)臺(tái)的原理模型

圖3為研制的小比率雙滾輪黏滑振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的原理模型.它由上滾輪A、下滾輪B和支撐加載及驅(qū)動(dòng)裝置等組成.滾輪B由一電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以不同的恒定速度轉(zhuǎn)動(dòng)，滾輪A隨滾輪B轉(zhuǎn)動(dòng)，可以通過(guò)一偏角調(diào)節(jié)裝置相對(duì)于滾輪B轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度φ，以此角度引起的橫向蠕滑模擬輪軌切向蠕滑.滾輪A上部有彈性加載裝置，使兩輪的接觸處有一恒定的正壓力N.軸向蠕滑力由一個(gè)與滾輪B軸串聯(lián)的傳感器測(cè)得，圖中ω指B輪的角速度.

圖3 試驗(yàn)裝置原理

3.2 雙滾輪試驗(yàn)臺(tái)裝置設(shè)計(jì)及實(shí)物

圖4為小比例雙滾輪試驗(yàn)臺(tái)裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖.試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)共有5大部分組成，分別為輪軌模擬裝置、垂向加載裝置、軸向驅(qū)動(dòng)約束裝置、角度調(diào)節(jié)裝置、整體框架支撐裝置.電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模擬軌輪通過(guò)變頻調(diào)速器可控制驅(qū)動(dòng)軸和模擬軌輪的轉(zhuǎn)速，模擬軌輪通過(guò)軸承座支撐，軸承座采用橫向無(wú)約束止擋軸承座，軸圈可在軸向做自由伸縮運(yùn)動(dòng)，保證橫向力向平面軸承方向的力的傳遞.

1-垂直加載絲杠； 2-上端蓋； 3-加載彈簧； 4-角度調(diào)節(jié)裝置；5-垂向載荷傳感器； 6-下端蓋； 7-模擬車輪； 8-電動(dòng)機(jī)； 9-橫向可移動(dòng)十字聯(lián)軸器； 10-模擬軌輪； 11-平面滾珠球軸承；12-橫向載荷傳感器

圖4小比例雙滾輪試驗(yàn)臺(tái)裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

Fig.4Designstructurechartofsmall-scaleddouble

wheelstestrig

聯(lián)軸器選用常用的SL100型號(hào)聯(lián)軸器，對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行改造增加滾動(dòng)體、滾道，滾動(dòng)體和滾道可使聯(lián)軸器在傳遞扭矩的同時(shí)又能使兩半軸在軸向上自由伸縮運(yùn)動(dòng)，使模擬車輪和模擬軌輪之間產(chǎn)生的橫向力自由傳送到平面軸承和橫向載荷傳感器上，從而獲得不同角度下的橫向蠕滑力.

模擬車輪和模擬軌輪的設(shè)計(jì)主要依據(jù)實(shí)際車輪和鋼軌的幾何尺寸和共振頻率進(jìn)行比例設(shè)計(jì)，并進(jìn)行模態(tài)分析，設(shè)計(jì)模擬車輪的共振頻率盡可能與實(shí)際車輪接近，并在保證最大施加壓力的情況下車輪不至于變形量過(guò)大，而模擬軌輪的設(shè)計(jì)則以共振頻率盡可能大于模擬車輪3倍以上來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖5所示.

模擬車輪上方通過(guò)角度調(diào)節(jié)裝置旋轉(zhuǎn)模擬車輪支架進(jìn)行車輪的搖頭角度調(diào)節(jié)，角度調(diào)節(jié)通過(guò)旋轉(zhuǎn)絲杠可精確控制車輪的旋轉(zhuǎn)角度.通過(guò)垂直加載絲杠調(diào)節(jié)壓力彈簧的壓縮量來(lái)調(diào)節(jié)給定壓力大小，在壓力彈簧和車輪支架之間設(shè)置壓力傳感器獲得垂向壓力.垂向傳感器和橫向傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)設(shè)置和軟件處理可實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)模擬車輪和模擬軌輪之間的垂向和橫向壓力，從而精確得出輪軌間的橫向蠕滑率.最終設(shè)計(jì)成型的實(shí)物圖如圖6所示.

圖5 輪軌尺寸(單位：mm)

圖6 小比例模擬輪軌試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

圖7為一典型的試驗(yàn)結(jié)果，圖中橫軸為偏角，可以看成是橫向蠕滑率的變化，縱軸為橫向蠕滑力，圖中顯示了3條在不同正壓力作用下的蠕滑力與偏角的變化曲線.可見(jiàn)當(dāng)正壓力由 400 N增大至500 N和600 N時(shí)，最高蠕滑力的峰值點(diǎn)向右側(cè)移動(dòng)，與圖2中左側(cè)的假設(shè)曲線一致.證實(shí)了第2節(jié)問(wèn)題(1)中的論點(diǎn).

4 現(xiàn)場(chǎng)黏滑振動(dòng)試驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)果

為了驗(yàn)證曲線波磨區(qū)段是否存在嚴(yán)重的切向黏滑振動(dòng)，對(duì)一地鐵300m曲線附近建立了試驗(yàn)段，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖8.列車首先經(jīng)過(guò)直線比較點(diǎn)，該點(diǎn)的內(nèi)軌上布置了垂向/橫向加速度傳感器，接著經(jīng)過(guò)圓曲線測(cè)點(diǎn)1，同樣在圓曲線測(cè)點(diǎn)1的內(nèi)軌上布置了垂向/橫向加速度傳感器.隨后列車經(jīng)過(guò)在軌面進(jìn)行了摩擦特性控制的圓曲線測(cè)點(diǎn)2，該點(diǎn)的軌面涂敷了一層摩擦控制劑，使摩擦系數(shù)控制在0.3 左右，且沒(méi)有負(fù)斜率特性，該點(diǎn)也在內(nèi)軌上布置了垂向/橫向加速度傳感器.分別見(jiàn)圖9.

圖7 不同正壓力作用下的蠕滑力-偏角的變化曲線

圖8 測(cè)點(diǎn)的布置方案

a 直線段b 曲線段c 曲線段(涂敷)

圖9測(cè)點(diǎn)傳感器布置

Fig.9Sensorsplacementdiagrams

該曲線處的波磨測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖10.峰峰值為0.5～0.6 mm，波長(zhǎng)為200 mm左右.

主要試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)圖11，圖中PSD表示加速度功率譜密度.自上而下分別為直線、曲線測(cè)點(diǎn)1

圖10 鋼軌的波磨測(cè)量

和曲線測(cè)點(diǎn)2，左側(cè)為垂向加速度，右側(cè)為橫向加速度.對(duì)比左側(cè)的垂向加速度曲線，由于曲線區(qū)段存在波磨，垂向加速度遠(yuǎn)大于直線區(qū)段的，涂敷不會(huì)減少垂向加速度，中心頻率在70～90 Hz左右.對(duì)比右側(cè)的橫向加速度曲線，可見(jiàn)直線區(qū)段沒(méi)有明顯的橫向周期性振動(dòng)，但曲線測(cè)點(diǎn)1存在2個(gè)周期振動(dòng)，一個(gè)是70～90 Hz的，另一個(gè)是150 Hz為中心頻率的周期振動(dòng).150 Hz的振動(dòng)能量更大.但曲線測(cè)點(diǎn)2處的橫向加速度發(fā)生了變化，150 Hz的振動(dòng)明顯消減，但70～90 Hz的仍然存在.可見(jiàn)70～90 Hz的可能是垂向波磨振動(dòng)的分量.而150 Hz的振動(dòng)就是預(yù)測(cè)的黏滑振動(dòng)，當(dāng)摩擦特性改變后，立即消減了.表明這種振動(dòng)是波磨加劇的直接原因.

a 直線垂向

b 直線橫向

c 曲線垂向未潤(rùn)滑

d 曲線橫向未潤(rùn)滑

e 曲線垂向潤(rùn)滑

f 曲線橫向潤(rùn)滑

5 結(jié)論

理論分析了鋼軌波浪型微觀擴(kuò)展機(jī)制，著重分析了鋼軌波磨波長(zhǎng)鎖定機(jī)制的機(jī)理，并研制了小比率的滾動(dòng)臺(tái)對(duì)不同正壓力下的蠕滑力-蠕滑率變化規(guī)律進(jìn)行了驗(yàn)證,也進(jìn)行了波磨區(qū)段的不同黏滑特性下的振動(dòng)測(cè)量分析.根據(jù)理論推導(dǎo)的行成機(jī)制，表明磨耗型波磨的形成機(jī)制是2個(gè)必要且充要條件都具備時(shí)產(chǎn)生的，即輪軌表面有較強(qiáng)的切向滑動(dòng)或黏滑振動(dòng)，同時(shí)波磨幅值達(dá)到了由動(dòng)態(tài)正壓力觸動(dòng)的、由輪軌黏滑特性配合的周期性切向磨損這2個(gè)條件.理論分析推理和試驗(yàn)驗(yàn)證的機(jī)理理論可以解釋實(shí)際工程中的多種波磨現(xiàn)象.