重载铁路小半径曲线波磨演化过程实测分析

金 锋,肖 宏,赵 越,岳会婷,刘万莛

(1.北京交通大学轨道工程北京市重点实验室,北京 100044； 2.郑州市地铁集团有限公司,郑州 450000； 3.国家能源集团神朔铁路分公司,陕西榆林 036203)

引言

随着我国铁路货运需求的不断增长，重载运输整体向着大轴重、长编组快速发展[1]。我国重载线路多建设在山区，导致了货运线路选线中小半径曲线较多、上下坡线路较多等特性。小半径曲线由于机车车辆轮轨接触关系复杂，具体体现为接触应力大、多点接触，蠕滑率、冲角较大等，导致小半径曲线存在较为普遍的伤损情况，其中钢轨波磨是主要病害之一。随着波磨的产生与发展，将加速恶化诸如滚动接触疲劳导致的鱼鳞纹、剥离掉块等病害，严重影响运输安全性。

Grassie与Kalousek等[2]对波磨现象进行了较为详尽的阐述，将波磨分为六类，并且通过固定波长机理及损伤机理，对各类波磨的成因进行了描述，并认为P2力共振及轨头材料塑性流动是产生重载波磨的原因。刘启跃等[3-4]通过室内JD-1型摩擦试验机，再现了塑流型波磨的基本情况，并通过金相分析，表明了表面塑性流动等的厚度与形成方向。刘学毅等[5-6]对于钢轨波磨进行了较为详细的对比试验段研究，并对比了多种波磨减缓措施的效果。金学松与温泽峰[7-8]通过构建弹塑性轮轨接触有限单元法对于钢轨波磨的演化过程进行了描述。陈光雄等[9-10]基于轮轨自激理论，结合现场试验及复模态计算，对钢轨波磨产生机理进行了研究。Teng等[11]通过二维激光测距仪进行了对钢轨波磨几何的精准测量。魏珲等[12]通过组合弦测法提出了一种波磨广域测量方法，优化了波磨测量中的有效波长。徐晓迪[13]基于改进的时频分析方法，根据车辆轴箱加速度数据对波磨病害进行了精准识别。Hirofumi等[14]使用Logistic模型对波磨增长趋势进行了描述，并应用于针对钢轨波磨病害的预防性钢轨打磨策略的制定中。

基于惯性基准的连续性测量装置由于其测量长度长、精度高等特点，近年来较受欢迎，在高速铁路[15]、城市地铁[16]得到了广泛应用。而对于小半径曲线较为普遍的重载铁路，关于重载铁路波磨连续性跟踪测试相关成果较少，大部分测量由于人员条件、现场条件的限制，未能在较长时间内开展连续性测试。对于重载铁路波磨病害而言，由于其发展速度较快，过低的测量密度易将波磨演化过程中关键信息遗失，对于指导理论模型及为现场工务段提供措施建议存在一定的局限性。

基于重载波磨研究不足的现状，对神朔重载铁路小半径曲线地段钢轨波磨演化过程进行了长达5个月的不间断测试，相比于传统的间隔数月测试方法，测量密度大、次数多。通过不间断测试的形式，捕捉小半径曲线地段重载波磨演化过程中，波磨发展的不同阶段性差异及对应的波深、波长特征，为重载铁路钢轨波磨研究提供数据基础，为更深入研究重载波磨生成、演化机理提供实测依据。

1 现场基本条件

1.1 线路基本情况

神朔铁路主要承担神府东胜煤田的外运任务，复线全线贯通后，运输能力达1.4亿t/年，随着新型大功率八轴机车[17]的投入使用，年运量基本呈现逐年增长态势，至2018年，运量已超过2.6亿t/年。随着运量的增大及速度的提升，神朔铁路部分地段出现了较为严重的钢轨波磨现象，成为神朔重载铁路钢轨伤损的主要形式之一。钢轨波浪形磨损将加剧恶化轨道其他部件的伤损，如弹条断裂[18]、剥离掉块等，极大地增加工务段养护维修成本，影响运输安全。

所测区段为重车线，线路及轨道结构基本参数见表1。在所测区段中除了长编组货运列车外，每日还开行一列通勤客运列车，客运列车速度为70 km/h，货运列车速度为50 km/h。现场为了优先考虑客运列车的行驶舒适性，实设超高为105 mm。

表1 线路及轨道结构基本参数

1.2 典型病害发生情况

图1为曲线内外轨伤损情况，由图1(a)可知，曲线内轨表面存在较为明显的波磨现象，并且在接触光带边界存在明显的塑性流动纹路；由图1(b)可知，外轨接触光带由于过超高现象，存在向线路中心偏移的趋势。曲线内轨存在明显以钢轨波磨为主的病害。由于波磨病害的存在，随着时间的推移，轨面鱼鳞纹、剥离掉块等病害将明显恶化，如图2所示。

图1 曲线内外轨表面状态

图2 剥离掉块

2 测试内容及方法

2.1 测试设备

本次试验采用连续型测量的高精度波磨小车(Corrugation Analysis Trolley， CAT)对试验段进行了钢轨走行带粗糙度的跟踪测试，现场实测情况如图3所示。

图3 CAT轨检小车测量波磨

现场使用设备进行钢轨表面粗糙度测量时，由于人员操作、现场环境等原因，部分实测数据存在异常值。本文使用国际标准BS EN 15610:2009[19]的建议方法，进行数据预处理，处理内容包括异常值处理、缺失值处理、轮径误差校正等。

2.2 测试方案

在神朔铁路开行的百节编组重载列车碾压下，小半径曲线地段波磨病害发生、发展极其迅速，若测量周期过长，将丢失波磨发生、发展过程中的关键信息。因此，在155 d的完整打磨周期内，以每周2～3次的频率，在圆曲线地段进行波磨测量工作(一周天窗为2～3 d)，单日曲线内外轨各测量1次，单次测量长度为100 m。

2.3 评价指标

本次跟踪试验主要通过现场测量PPV(移动波深幅值峰峰值，peak-to-peak values)、1/3倍频程、幅值累积百分比等多个指标，对现场钢轨表面波磨严重程度及演化规律进行描述，主要评价指标如下。

(1)峰峰值PPV与容许超限率

对于重载波磨幅值仅在铁运[2006]146号《铁路线路修理规则》[20]中进行了定义，但是未提出波磨的各波长对应限值，而目前通用的连续性测量波磨小车数据应通过滤波分析来保证数据的准确性[21]，因此本文使用分波长段峰峰值进行评价。本文使用欧洲铁路联盟制定的波磨测量与评价标准，根据BS EN 13231—3:2012《铁路专用标准-轨道-工程验收：钢轨打磨、铣磨和刨磨验收标准》的建议[22]，使用移动波深幅值峰峰平均值PPV作为钢轨波磨幅值指标。

BS EN 13231—3:2012中采用移动波深幅值峰峰平均值PPV以及固定测量长度内的超限比例作为钢轨表面纵向不平顺的评价指标。将与波磨相关的波长范围分为10～30 mm，30～100 mm，100～300 mm和300～1 000 mm共4个部分，分别规定了分析窗长与容许限值，见表2。

表2 欧洲铁路联盟BS EN 13231-3:2012评价标准

(2)1/3倍频程

对于钢轨表面粗糙度，本次测试主要依据BS EN ISO 3095:2013[23]与GB/T 3449—2011[24]规范的计算方法，使用1/3倍频程分析方法进行处理，并使用规范中所限定数值，与现场实测计算值进行对比。

(3)累积百分比

累积百分比(CDF， Cumulative Distribution Function)依据欧盟规范BS EN 13231—3:2012中对于幅值百分比的限值进行比较。

3 试验结果分析

3.1 波磨特征波长演化分析

图4为所测小半径曲线地段钢轨波磨粗糙度分析对比。由图4(a)可知，打磨后在50 mm波长出现明显的峰值，在波长大于63 mm部分均低于ISO 3095:2013给定限值要求(图中绿色粗点划线)，并且存在明显的以125 mm为特征波长的峰值。打磨后38 d(约2 500万t)后，125 mm对应波长峰值超过GB/T 5111—2011参考限值(图中红色粗点划线)。总体而言，此阶段波磨演化较为缓慢且平稳。

由图4(b)可知，打磨后48 d开始现场波磨情况发展较为迅速，在打磨后64 d，全段粗糙度水平均超过GB/T 5111—2011参考限值，并且转变为以200 mm为特征波长的波磨现象。值得一提的是，在此快速扩展阶段，小波长倍频程能量值增加较为明显，说明现场开始出现疲劳裂纹与剥离掉块现象。打磨后120 d开始，波磨整体发展趋势明显放缓，直到测试结束，整体粗糙度水平增长不明显，整体波磨情况稳定在160 mm波长段。

图4 曲线内轨1/3倍频程分析结果

图5为所测区段曲线外轨粗糙度测量结果。

由图5(a)可知，与内轨相同，在打磨过后钢轨表面残留了波长为50 mm的残留磨痕，打磨后3 d，表面粗糙度值提升至较高水平，而在打磨后10 d已经降低至较低水平，并且在此后未发现明显的特征波段产生情况，但随着重载车辆的不断经过，整体粗糙度水平增加。

图5 曲线外轨1/3倍频程分析结果

总体而言，外轨粗糙度变化趋势较为缓和，未见明显的波磨产生趋势，粗糙度波峰为打磨过程中残留的磨痕所致。随着重载运输的进行，曲线外轨粗糙度在全波长段提升较为均匀。

图6(a)为第二次进行钢轨表面波磨消除操作前曲线内外轨粗糙度数值。从图6(a)可以看出，曲线内轨存在较为明显的钢轨波磨，并且以160～200 mm波长段为主。在其他波长段，整体粗糙度水平较高，全段均超过本文所取两规范中参考限值。式(1)为波磨波长与激发频率的关系

f=v/λ

(1)

式中，λ为波磨波长，根据测试结果可知为160～200 mm；v为车辆速度，本测试地段为50 km/h。可知现场对应的频率为69.4～86.8 Hz，与文献[25]中P2力共振频率接近。由于目前暂无针对重载铁路的分波长段波深限值标准[26-27]，因此本文使用《高速铁路打磨管理办法》[28]中验收限值与整治限值进行参考。图6(b)为100～300 mm波长段峰峰值测量结果，大部分区域波磨波深超过150 μm，最大波深达311 μm。

图6 第二次打磨前钢轨波磨情况

3.2 波磨波深分布演化规律

图7为100～300 mm波长段现场波磨地段幅值累积百分比示意，BS EN 13231—3:2012中对各波长段幅值对应的累积百分比限值进行了限值，其中对应幅值图中使用红色虚线表示，幅值对应的百分比限值使用绿色虚线表示。

从图7(a)可以看出，打磨后40 d内，整体幅值发展趋势较为缓慢，曲线之间分离不明显，在打磨后17日超过规定值。根据图7(b)所示，打磨后48 d开始，整体幅值出现明显上升趋势。

图8为100～300 mm波长段超限百分比示意，从图8可以看出，打磨后17 d开始，整体幅值超限率稳步增长，整体增长较快。在打磨后146 d，增长趋势得到遏制，超限率未明显发展。

图7 曲线内轨百分比累积

图8 限值对应累积百分比趋势

3.3 波磨演化阶段

图9为所测地点160 mm波长段粗糙度随着运营时间的趋势对比，从图9可以看出，现场波磨病害发展极其迅速。打磨后27 d，160 mm区段粗糙度数值超过ISO 3095：2013标准。打磨后40 d，超过国内标准GB/T 5111—2011的限值12.4 dB；在打磨后120 d，现场波磨发展情况趋势较为缓和，波磨发展进入第二个平稳期。

由图9可知，打磨后，钢轨表面粗糙度情况有所上升，这种暂时性粗糙度上升现象，应归结于打磨车磨轮残留的磨痕，由于这种残留磨痕深度较浅，并且重载车轮经过时将在磨痕处产生较大的应力集中，短期内表面粗糙度将明显回落。

图9 160 mm波长粗糙度级随时间变化规律

所测区间小半径曲线波磨生成、演化过程可分为3个阶段：(1)初期萌生阶段；(2)中期快速发展阶段；(3)末期稳定阶段。在初期稳定阶段(所测区段为打磨后1～17 d)特征波段倍频能量值较小，并且没有明显的发展趋势；在中期迅速发展阶段(所测区段为打磨后17～120 d)，粗糙度数值增长达0.47 dB/d，并且在此期间波磨峰峰值平均值发展趋势如图10所示，从图10可知，在快速发展期，峰峰值平均值发展可达0.43 μm/d；在末期平稳期，波磨发展趋势明显放缓，但钢轨表面伤损情况较为严重，导致整体粗糙度水平较高，粗糙度全段超过规范限值。

图10 100～300 mm波长段峰峰值平均值变化

根据以上测量及分析结果可知，重载铁路由于轴重大、通过总重大等特性，导致钢轨波磨病害演化速度较快、周期较短，并且在波磨演化周期内存在明显的阶段性特征。伴随特征波长的变化，在部分变化阶段存在如鱼鳞纹及剥离掉块加重等现象。由此可见，整体波磨演化过程较为复杂，出现如特征波长变化、疲劳伤损恶化等情况，若按常规数月为间隔的测量方式，将较难掌握所关注区段内波磨演化特征，建议重载铁路钢轨波磨跟踪测试中尽量保证测试间隔。

4 结论

对神朔重载铁路小半径曲线地段钢轨波磨演化过程进行了长达5个月的跟踪测试，相比于传统的间隔数月测试形式，此次试验测量密度大、频次多，并且通过此次试验，捕捉到了重载波磨演化过程中的不同阶段差异及波深、波长特征，为重载铁路钢轨波磨研究及现场波磨测试打下了基础，研究结论如下。

(1)所测区段存在较为明显的波磨现象，在波磨现象稳定后，波磨波深最大值超过0.3 mm，特征波长为160～200 mm。

(2)通过不间断测试结果可知，重载波磨演化过程存在较为明显的阶段性，可分为波磨初期稳定期、中期快速发展期、后期稳定期，其中中期快速发展过程波深及特征波长倍频能量增加速度较快，特征波长段倍频能量增长达0.47 dB/d，PPV平均值增长速度为0.43 μm/d，且由于波磨病害的存在，将引发较为严重的剥离掉块现象。

(3)重载铁路波磨演化速度较快，波磨演化过程中阶段特征较为明显，且演化过程中伴随特征波长变化、疲劳伤损恶化等情况，为准确获取现场波磨演变特征，应保证测试间隔。