1、文章编号：1673-0291（2023）01-0017-09DOI：10.11860/j.issn.1673-0291.20220033第 47 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.47 No.1Feb.2023北京交通大学学报JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY基于轮轨黏滑特性的地铁线路波磨趋势分析王志强，雷震宇（同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804）摘要：针对地铁线路上普遍存在的波磨问题，依据实际运营情况，建立了车辆-轨道刚柔耦合数值模型，借助实测数据验证了模型的有效性.分析了直线和曲线轨道上的轮轨黏滑特性，并利用黏着系数总体
2、离散率衡量了钢轨波磨的发生趋势，同时分析了黏滑振动的相位同步条件.结果表明：当不考虑轨面不平顺时，直线轨道轮轨界面具有发生横向黏滑振动的趋势，但振动强度相对较小；当存在短波不平顺时，直线轨道轮轨界面具有发生纵向黏滑振动的趋势，且振动强度相对较大；当存在长波不平顺时，直线轨道轮轨界面具有发生横向黏滑振动的趋势，但振动强度相对较小.对于直线无不平顺或存在长波不平顺情况，出现波磨或波磨进一步发展的原因与轮轨横向黏着系数达到饱和有关；而对于直线短波不平顺情况，波磨进一步发展的原因则与轮轨纵向黏着系数达到饱和有关.曲线轨道上内外侧轮轨均具有发生黏滑振动的趋势，且短波不平顺的存在会加剧黏滑振动强度.内侧轮
3、轨界面纵横向黏着系数总体离散率大于外侧对应值，表明内轨更容易发生强度较大的黏滑振动，从而促使内轨波磨形成和发展.轨面固定缺陷会导致相同位置处产生同相位的钢轨磨耗，赋予同相位的周期黏滑振动，并沿着钢轨纵向发展，最终形成钢轨波磨.关键词：地铁；钢轨波磨；黏滑特性；轨面缺陷；相位同步中图分类号：U211.5 文献标志码：AAnalysis of corrugation trend on metro line based on wheel-rail stick-slip characteristicsWANG Zhiqiang,LEI Zhenyu（Institute of Rail Transit,
4、Tongji University,Shanghai 201804,China）Abstract:To solve the commonly existing problem of corrugation on metro lines,this paper establishes the vehicle-track rigid-flexible coupling numerical model according to the actual operation condition,and the effectiveness of the model is verified by the mea
5、sured data.The wheel-rail stick-slip characteristics on the linear and curve tracks are analyzed,the occurrence trend of rail corrugation is measured by the overall dispersion rate of the adhesion coefficient,and the phase synchronization conditions of stick-slip vibration is investigated.The result
6、s show that when the rail surface irregularity is not considered,the wheel-rail interface of linear track has the trend of transverse stick-slip vibration,but the vibration intensity is relatively low.When there is short-wave irregularity,the wheel-rail inter收稿日期：2022-03-14；修回日期：2022-04-10基金项目：国家自然科
7、学基金（11772230）Foundation item:National Natural Science Foundation of China（11772230）第一作者：王志强（1993），男，河北张家口人，博士生.研究方向为轨道结构病害与防治.email：.通信作者：雷震宇（1970），女，四川成都人，副教授，博士，博士生导师.email：.引用格式：王志强，雷震宇.基于轮轨黏滑特性的地铁线路波磨趋势分析 J.北京交通大学学报，2023，47（1）：17-25.WANG Zhiqiang，LEI Zhenyu.Analysis of corrugation trend on metro
8、 line based on wheel-rail stick-slip characteristics J.Journal of Beijing Jiaotong University，2023，47（1）：17-25.（in Chinese）北京交通大学学报第 47 卷face of linear track has the trend of longitudinal stick-slip vibration,and the vibration intensity is relatively great.When there is long-wave irregularity,the wh
9、eel-rail interface of linear track has the trend of transverse stick-slip vibration,but the vibration intensity is relatively low.For the straight line without irregularity or with long-wave irregularity,the reason for the occurrence or further development of corrugation is related to the saturation
10、 of wheel-rail transverse adhesion coefficient.For the straight line with short-wave irregularity,the further development of corrugation is related to the saturation of wheel-rail longitudinal adhesion coefficient.The trend of stick-slip vibration happens on both the inner and outer wheel-rail inter
11、faces on the curve tracks,and the existence of short-wave irregularity will aggravate the intensity of stick-slip vibration.The overall dispersion rate of the longitudinal and transverse adhesion coefficients at the inner wheel-rail interface is greater than the corresponding value at the outer side
12、,indicating that the inner rail is more prone to stick-slip vibration with large intensity,thus promoting the formation and development of inner-rail corrugation.The fixed defect on rail surface will lead to the same phase of rail corrugation at the same position,giving the same phase of periodic st
13、ick-slip vibration,developing along the rail longitudinally,and finally forming rail corrugation.Keywords:metro；rail corrugation；stick-slip characteristics；rail surface defect；phase synchronization钢轨波磨是地铁线路上最为常见的轨道结构病害之一，表现为轨面上的周期性不均匀磨耗1.波磨的存在会促使轮轨系统振动加剧，诱发车辆和轨道部件的疲劳损坏，从而对行车舒适性和安全性产生不利影响.如何有效控制波磨一直是
14、铁路领域的重要课题，目前，钢轨打磨和轨面摩擦控制是波磨治理比较常见的措施，然而钢轨打磨造价较高且轨面摩擦控制实施区间又有限，所以铁路部门每年需要投入大量的人力物力专门用于波磨的治理.如果能够理解波磨的发生机制并有效预测其发展趋势，便可以提前合理制定波磨的维修计划，从而采取适当的措施预防和治理波磨病害.钢轨波磨是制约当代轨道交通发展的技术性难题之一，国内外学者对钢轨波磨的机理特性进行了较为深入的研究.轮轨系统摩擦自激振动是目前波磨领域较为流行的观点之一，Chen等2在 2010年首次提出该理论并认为当轮轨界面的蠕滑力达到饱和时，系统的摩擦自激振动诱发了钢轨波磨的形成.文献 3-4 进一步拓展了该
15、理论，并研究了轮轨摩擦自激振动和波状不平顺的反馈振动对钢轨波磨的影响.摩擦自激振动能够很好地解释小半径曲线上的钢轨波磨现象，且能够从宏观上预测钢轨波磨的发生位置和发生概率.耦合振动也是解释钢轨波磨形成机制的观点之一，主要包括轮对振动、轨道振动和轮轨耦合振动 3方面，如文献 5 发现轮对横向模态特征导致的钢轨横向振动是波磨形成的原因之一；文献 6 以轨道振动理论为基础，从时域和频域研究了钢轨波磨的产生和发展；文献 7 通过试验、有限元模态分析和复特征值分析，研究了牵引轮对和轨道的动力学特性，从而确定了短波波磨与轮轨共振之间的相关性.耦合振动理论计算结果往往包含较多特征频率，因此需要结合现场测试确
16、定波磨的通过频率.黏滑理论8-9从微观轮轨接触角度出发，研究了接触斑区域黏滑分布和振动特性与波磨形成的关系，普遍认为钢轨波磨是由轮轨接触面上较大的蠕滑和作用力波动引起的轮轨黏滑振动造成的.文献 10-11 着重分析了黏滑振动的频率特性，结果表明车轮黏滑过程的频率由一个基频组成，该基频与轨枕通过频率以及轮对的扭转和弯曲组合频率相匹配，在不同情况下形成钢轨波磨的波长.文献 12 提出黏滑振动与许多波磨的发生机制相关，尤其是在表现出高水平摩擦和负摩擦特性的系统中，并通过试验证明利用轨面摩擦改进剂将轮轨界面层的负摩擦特性改为正摩擦特性可以有效地控制钢轨波磨的形成和发展.钢轨波磨发生在轮轨微观接触区域，与材料磨损密切相关，因此，黏滑理论更适合用于解释钢轨波磨的发生及发展过程.然而，当车辆在线路上运行时，轮轨界面处的黏滑特征难以进行现场测量，这使得目前铁路行业对于黏滑理论的认识且尚未达成一致，但是大部分文献13-15均认为负摩擦特性是造成钢轨波磨的重要原因.负摩擦特性的存在，表明轮轨系统发生了黏滑振动，而黏滑振动导致波磨的形成还需要确保其具有相同的相位，以促使滑移区域磨耗进一步加深形成波谷，黏着区