閆子權(quán)，孫林林，肖俊恒，涂英輝，司道林

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路以高安全性、高穩(wěn)定性和高舒適性贏得了社會(huì)的認(rèn)同。截至2017年底，我國高速鐵路運(yùn)營里程已達(dá)2.5萬km，位列世界第一。同時(shí)，在國家鐵路“八縱八橫”長期規(guī)劃和“一帶一路”倡議的指導(dǎo)下，高速鐵路建設(shè)速度不斷加快。輪軌關(guān)系是鐵路的基本問題，也是高速鐵路的核心技術(shù)之一，不但直接影響動(dòng)車組運(yùn)行的安全性和旅客乘坐舒適性，同時(shí)對(duì)于運(yùn)營成本也有重要的影響。輪軌關(guān)系研究既與應(yīng)用技術(shù)相關(guān)，也涉及基礎(chǔ)理論問題，是保障高速鐵路安全、高效運(yùn)營和技術(shù)創(chuàng)新的重要支撐[1]。

輪軌關(guān)系反映了車輪與鋼軌之間的動(dòng)力相互作用，是鐵路科研領(lǐng)域的核心科學(xué)問題。列車的牽引、制動(dòng)、行車安全、磨耗、疲勞等均與輪軌接觸有密切關(guān)系，尤其是隨著高速鐵路的發(fā)展，輪軌關(guān)系問題變得更為復(fù)雜。目前高速鐵路輪軌關(guān)系的研究主要集中在車輛-軌道系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)、輪軌高頻振動(dòng)及耦合模態(tài)辨識(shí)、輪軌周期性磨耗、輪軌接觸疲勞及輪軌黏著等方面，涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，如系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)、固體力學(xué)、計(jì)算科學(xué)等[2-3]。

盡管我國在高速鐵路輪軌關(guān)系研究領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步，但從技術(shù)體系角度而言，高速鐵路輪軌關(guān)系研究仍處于初級(jí)階段。由于我國高速鐵路具有地質(zhì)條件和氣候環(huán)境復(fù)雜、軌道結(jié)構(gòu)類型及零部件種類較多、動(dòng)車組系列化齊全、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形式和懸掛參數(shù)差異大等特點(diǎn)，高速鐵路輪軌關(guān)系的研究更為復(fù)雜，如輪軌型面和硬度的優(yōu)化匹配問題、輪軌接觸疲勞傷損問題、輪軌黏著系數(shù)分布問題、輪軌等效錐度限值問題、輪軌耦合振動(dòng)問題等。此外，我國高速鐵路缺乏輪軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和方法，易造成輪軌系統(tǒng)各部件之間動(dòng)力性能匹配性較差，形成安全隱患。因此，需從技術(shù)應(yīng)用和理論基礎(chǔ)2個(gè)方面對(duì)輪軌關(guān)系進(jìn)行深入研究，優(yōu)化高速鐵路輪軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步提升高速鐵路運(yùn)行的安全性、舒適性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

1 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1.1 輪軌接觸疲勞

輪軌滾動(dòng)接觸疲勞是輪軌關(guān)系研究的主要問題之一。國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)此做了大量研究，采取了新材料、優(yōu)化輪軌型面、硬度匹配等多種緩解和抑制措施，以減少輪軌接觸應(yīng)力，改善軌道與車輛結(jié)構(gòu)性能，減少輪軌之間的動(dòng)力作用[4-6]。

輪軌滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)研究方面，Bernasconi等[7]發(fā)現(xiàn)在滾動(dòng)接觸循環(huán)作用下，車輪表面材料發(fā)生嚴(yán)重塑性變形積累，從而導(dǎo)致車輪表面產(chǎn)生裂紋；Eadie等[8]認(rèn)為切向摩擦力是造成輪軌表面材料塑性流動(dòng)的根本原因；Stock等[9]利用實(shí)尺輪軌試驗(yàn)臺(tái)研究了珠光體鋼和貝氏體鋼鋼軌，發(fā)現(xiàn)同等硬度條件下貝氏體鋼鋼軌的耐磨性差而耐疲勞性提高。中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司周清躍等[10]對(duì)因輪軌匹配問題而導(dǎo)致輪軌接觸位置不良、動(dòng)車組構(gòu)架橫向加速度超限報(bào)警、動(dòng)車組異常抖動(dòng)、鋼軌波浪形磨耗、道岔直尖軌非工作邊疲勞裂紋等問題的具體成因進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：車輪型面與60鋼軌廓形不匹配導(dǎo)致了輪軌接觸位置不良，采用60N鋼軌可使輪軌的接觸位置居中；按設(shè)計(jì)的鋼軌廓形或60N鋼軌廓形進(jìn)行鋼軌打磨，可以有效降低輪軌的等效錐度，從而抑制動(dòng)車組異常抖動(dòng)和構(gòu)架橫向加速度超限。張銀花等[11]在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行3種硬度車輪與3種硬度鋼軌的對(duì)磨試驗(yàn)，對(duì)比分析硬度不同的車輪與鋼軌對(duì)磨時(shí)的輪軌磨損、變形和接觸疲勞傷損。結(jié)果表明：適當(dāng)提高車輪的硬度即提高輪軌硬度比以減輕車輪磨耗較大的問題已成為國際上通行的做法；9組輪軌磨損試驗(yàn)中，輪軌硬度比為0.95∶1～1.15∶1時(shí)輪軌總磨耗量較小，輪軌硬度比大于1∶1時(shí)，輪軌變形和表面接觸疲勞傷損較輕，輪軌硬度比為1.15∶1時(shí)輪軌總磨耗量最小且接觸疲勞傷損也最輕。Garnham等[12]從微觀角度揭示了鋼軌表面在循環(huán)荷載作用下晶粒破碎細(xì)化，硬度升高，產(chǎn)生塑性變形層。Takikawa等[13]使用雙盤滾動(dòng)試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)了鋼軌曲線段軌頭裂紋的模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)材料硬度對(duì)表面裂紋的形成有較大影響；Alfredsson[14]認(rèn)為輪軌表面粗糙引起的高應(yīng)力區(qū)域是裂紋萌生源；Sato等人的研究又表明裂紋萌生于表面并沿著塑性流線而不是沿著局部最大拉應(yīng)力的法向發(fā)展；Alfredsson,Donzella等[14-15]在雙盤試驗(yàn)機(jī)上完成了輪軌材料配副的棘輪效應(yīng)試驗(yàn)，借助掃描電鏡觀察了不同階段的輪軌表面?zhèn)麚p的演化。

輪軌接觸疲勞數(shù)值仿真方面，Ringsberg等[16]采用棘輪效應(yīng)本構(gòu)關(guān)系及其疲勞傷損預(yù)測模型，進(jìn)行了輪軌滾動(dòng)接觸疲勞傷損有限元分析。Olzak 等[17-18]采用斷裂力學(xué)和有限元法對(duì)2D和3D接觸疲勞裂紋進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究了鋼軌踏面單個(gè)裂紋對(duì)應(yīng)力分布狀態(tài)和應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)輪軌滾動(dòng)接觸過程中接觸斑形狀和應(yīng)力分布與無裂紋的情況相比差異顯著。Liu，Alfredsson等[19-20]考慮輪軌塑性變形累積的金屬高周疲勞準(zhǔn)則和壽命預(yù)測方法，結(jié)合有限元分析預(yù)測了輪軌滾動(dòng)接觸表面裂紋的萌生，并得到了與現(xiàn)場數(shù)據(jù)相對(duì)一致的結(jié)論；建立三維彈塑性模型計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子，通過混合模式疲勞裂紋擴(kuò)展模型預(yù)測車輪表面損傷[21]。Kapoor[22]提出用于預(yù)測由材料棘輪效應(yīng)所引起的疲勞裂紋的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，且該?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谟杉喰?yīng)引起的疲勞裂紋預(yù)測方面得到了驗(yàn)證。Taraf等[23]采用移動(dòng)赫茲接觸在二維的輪軌滾動(dòng)接觸彈塑性有限元模型基礎(chǔ)上分析了車輪踏面的表面裂紋萌生規(guī)律，發(fā)現(xiàn)材料缺陷、軸重和摩擦因數(shù)直接影響輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷。胡軍等[24]以直徑為860 mm的LMA型踏面輪對(duì)和60 kg/m鋼軌為例，用有限元方法分析了不同軸重和摩擦因數(shù)對(duì)最大接觸法向應(yīng)力、接觸剪切應(yīng)力以及最大Mises應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：隨著軸重的增加，輪軌最大接觸法向應(yīng)力和最大Mises應(yīng)力會(huì)逐漸增大，接觸疲勞裂紋萌生的速度隨之增大。隨著摩擦因數(shù)的增加，最大接觸法向應(yīng)力和最大Mises應(yīng)力的變化不顯著，而接觸剪切應(yīng)力則隨之增大，加快接觸疲勞裂紋的萌生。王建西等[25]以現(xiàn)場實(shí)測輪軌力為樣本，利用參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)方法確定輪軌力幅值和頻率特征，進(jìn)而根據(jù)輪軌力分布特征編制荷載譜，建立子模型分析不同幅值下輪軌接觸斑內(nèi)局部應(yīng)力情況，并根據(jù)臨界平面法思想建立隨機(jī)輪軌力作用下鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測模型。結(jié)果表明：在一定速度范圍內(nèi)，輪軌力符合正態(tài)分布；根據(jù)隨機(jī)輪軌力作用下鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測模型，預(yù)測U75V鋼軌通過約560萬t總重時(shí)軌面萌生裂紋，與現(xiàn)場觀察結(jié)果吻合。江曉禹等[26]根據(jù)威布爾分布，用可能擴(kuò)展角度均值作為裂紋擴(kuò)展方向，獲得了裂紋擴(kuò)展路徑。結(jié)果表明：低速列車鋼軌的裂紋擴(kuò)展為張開型裂紋逐漸變?yōu)榛_型裂紋，高速列車的鋼軌裂紋擴(kuò)展基本都是張開型裂紋；高速列車鋼軌的裂紋擴(kuò)展速率快于低速列車鋼軌；模擬的裂紋路徑與試驗(yàn)測得的裂紋路徑吻合，驗(yàn)證了用可能擴(kuò)展角度的均值作為裂紋擴(kuò)展方向的合理性。劉圓[27]通過建立三維有限元模型，計(jì)算不同裂紋間距條件下原有裂尖前緣的應(yīng)力強(qiáng)度因子。結(jié)果表明：隨著裂紋間距的減小，新裂紋的萌生能降低原有裂紋的擴(kuò)展速率，但原有裂紋擴(kuò)展方向向新裂紋彎曲，容易導(dǎo)致2裂紋融合，從而形成新的裂紋，其擴(kuò)展速率可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原有裂紋。

1.2 輪軌周期性磨耗

輪軌周期性磨耗是輪軌關(guān)系領(lǐng)域的另一個(gè)熱點(diǎn)問題。車輪的周期性磨耗表現(xiàn)為車輪多邊形磨耗，而鋼軌的周期性磨耗表現(xiàn)為鋼軌表面的波浪形磨耗。

對(duì)車輪多邊形磨耗的研究可以追溯到20世紀(jì)90年代[28]。Morys[29]建立了ICE-1車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，并通過迭代磨損模型分析在長期運(yùn)行期間半徑偏差的變化。分析結(jié)果表明，垂向力的變化能激起輪對(duì)軸的彎曲振動(dòng)，導(dǎo)致車輪側(cè)滑和材料屈服。Johansson等[30-31]對(duì)瑞典鐵路車輪的多邊形特征進(jìn)行了研究，結(jié)合99個(gè)超過10萬km運(yùn)營里程的輪對(duì)，分析了由磨耗和塑性變形引起的車輪多邊形和踏面變形現(xiàn)象。Meinders，Dekker等[32-33]研究認(rèn)為車輪在鋼軌上滾動(dòng)時(shí)，輪軌表面粗糙度激勵(lì)輪軸共振而引起輪軌摩擦功變化，從而產(chǎn)生車輪多邊形磨耗。Brommundt[34]認(rèn)為輪軌系統(tǒng)的黏-滑自激振動(dòng)是引起車輪多邊形磨耗的主要原因。Meinke等[35]研究認(rèn)為高速時(shí)輪對(duì)的重心偏移導(dǎo)致動(dòng)靜不平衡，從而使得輪軌系統(tǒng)產(chǎn)生共振是引起車輪多邊形磨耗的主要因素。宋春元等[36]從運(yùn)行速度、運(yùn)行線路條件、車輛結(jié)構(gòu)等角度系統(tǒng)地研究了產(chǎn)生車輪多邊形的影響因素。周殿買等[37]分析了高速動(dòng)車組車輪多邊形的形成機(jī)理以及與轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，認(rèn)為：當(dāng)采用轉(zhuǎn)臂定位結(jié)構(gòu)時(shí)，由于一系鋼彈簧的沉浮運(yùn)動(dòng)，使車輪在鋼軌方向產(chǎn)生有規(guī)律的微小滑動(dòng)，造成車輪多邊形磨耗。陳光雄等[38]對(duì)由輪對(duì)-鋼軌-軌枕組成的系統(tǒng)建立有限元彈性振動(dòng)模型，并分析該模型的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在一些條件下輪軌系統(tǒng)存在嚴(yán)重的黏-滑彈性振動(dòng)，車輪相對(duì)鋼軌發(fā)生橫向滑動(dòng)，而輪軌系統(tǒng)的低頻黏-滑振動(dòng)是引起車輪多邊形磨耗的原因之一。鐵科院通過京滬高速鐵路、武廣高速鐵路、哈大高速鐵路、蘭新客專、貴廣客專及丹大鐵路6條線的跟蹤測試試驗(yàn)，并結(jié)合仿真分析研究，認(rèn)為車輪多邊形的產(chǎn)生和發(fā)展與車輪初始表面狀態(tài)、車輪硬度、鋼軌表面粗糙度、軌道結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)行交路、季節(jié)氣候等因素密切相關(guān)。輪軌作用條件下產(chǎn)生的550～650 Hz頻帶內(nèi)的輪軌耦合共振是產(chǎn)生車輪多邊形的內(nèi)在原因；鋼軌短波不平順、車輪擦傷、鋼軌軋傷、道岔沖擊、軌縫沖擊等產(chǎn)生沖擊特征的外部激擾是產(chǎn)生車輪多邊形和鋼軌波浪形磨耗的外部原因。在外部激擾作用條件下，當(dāng)550～650 Hz頻帶內(nèi)輪軌耦合系統(tǒng)能量控制在一定范圍內(nèi)時(shí)將大幅降低產(chǎn)生高階車輪多邊形的可能性。如果該頻段的輪軌耦合系統(tǒng)能量大幅增加，易產(chǎn)生高階車輪多邊形[39]。

在鋼軌波浪形磨耗研究方面，自1889年記載英國Midland鋼軌波磨的第1篇文獻(xiàn)開始，人們對(duì)波磨的研究至今已有百年歷史。雖然對(duì)鋼軌波磨的產(chǎn)生機(jī)理尚沒有統(tǒng)一定論，但經(jīng)過世界各國的百余年努力仍取得了顯著成果[40]。20世紀(jì)50年代之前的波磨研究多注重觀察鋼軌波磨的現(xiàn)象，對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理幾乎沒有進(jìn)行系統(tǒng)論證[41-47]。

自20世紀(jì)70年代起各國開始對(duì)波磨產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究。Carson等[48]在圓盤試驗(yàn)機(jī)上研究了2個(gè)彈性圓盤在接觸點(diǎn)附近由于發(fā)生“接觸共振”而產(chǎn)生波磨的機(jī)理。Johnson等[49]首次認(rèn)識(shí)到波磨形成過程中的波長固定機(jī)理和傷損機(jī)理。列車行進(jìn)過程中輪軌之間發(fā)生滾動(dòng)接觸，車輪和鋼軌表面的初始不平順引發(fā)包含諸多不同頻率的振動(dòng)，輪軌接觸系統(tǒng)則根據(jù)其自振頻率扮演著“過濾器”和“放大器”的角色，將與其自振頻率相近的頻率檢出并放大。經(jīng)過多次滾動(dòng)接觸循環(huán)，輪軌接觸表面材料出現(xiàn)塑性變形而形成波磨。

20世紀(jì)80年代Clark等[50-51]首次對(duì)自激振動(dòng)車轍型波磨進(jìn)行了研究，并考慮了彈性輪對(duì)與離散支承鋼軌在高蠕滑條件下的自激振動(dòng)。結(jié)果表明：軌道剛度不均勻變化引起Mathieu振動(dòng)，進(jìn)而發(fā)展為長波長波磨；輪軌接觸蠕滑力變化導(dǎo)致輪軌接觸的滾滑振動(dòng)，進(jìn)而引起短波長波磨。除對(duì)長波長波磨研究以外，20世紀(jì)80年代短波長波磨開始引起重視，當(dāng)時(shí)短波長波磨主要發(fā)生在高速線路的直線或大半徑曲線上，其波長分別為2 cm和8～10 cm。對(duì)短波長波磨的研究工作主要在英國劍橋大學(xué)、牛津大學(xué)[52]和德國柏林工業(yè)大學(xué)[53]進(jìn)行。日本在研究波磨方面取得了較大進(jìn)展，尤其以Suda，Matsumoto和Ishida為代表，在曲線鋼軌波磨產(chǎn)生機(jī)理和預(yù)防措施研究方面取得很多成果[54-57]，通過試驗(yàn)和理論分析，認(rèn)為輪軌系統(tǒng)自激波磨波長由系統(tǒng)共振頻率決定，其波磨發(fā)展速率與滾動(dòng)速度成正比；磨損較嚴(yán)重的波磨波長大于輪軌垂向振動(dòng)波峰之間的距離；系統(tǒng)阻尼對(duì)波磨的發(fā)展有較大影響，在不同系統(tǒng)固有頻率和滾動(dòng)速度條件下可以形成同樣波長的波磨；在相同固有頻率和不同滾動(dòng)速度條件下可以形成不同波長的波磨。因此，改變系統(tǒng)阻尼、行車速度和系統(tǒng)共振頻率可以抑制波磨的產(chǎn)生和發(fā)展。

1993年，Grassie等[58]根據(jù)42篇波磨研究文獻(xiàn)，按照波磨波長、產(chǎn)生機(jī)理及軌道類型將波磨劃分為6類，并逐一分析其產(chǎn)生原因與預(yù)防措施。這6類波磨分別為：①重載鋼軌波磨，一般發(fā)生在低速重載線路上，產(chǎn)生波磨的主要原因是車輛簧下質(zhì)量與軌道發(fā)生垂向共振(P2力引起的垂向共振)，導(dǎo)致波谷處產(chǎn)生塑性流動(dòng)。②輕軌波磨，主要發(fā)生在47 kg /m 及53 kg /m的輕質(zhì)量鋼軌上，產(chǎn)生波磨的主要原因是焊縫接頭等導(dǎo)致車輛簧下質(zhì)量與軌道發(fā)生垂向共振，損傷機(jī)理為鋼軌塑性彎曲。③套靴軌枕波磨,此類波磨最早發(fā)生在雙塊式橡膠套靴減振軌道的地鐵系統(tǒng)上，且半徑小于400 m的曲線內(nèi)軌波磨較為嚴(yán)重。產(chǎn)生波磨的主要原因是軌枕共振或彈性輪對(duì)共振或輪軌均產(chǎn)生共振，損傷機(jī)理是輪軌接觸振動(dòng)導(dǎo)致波峰處的材料產(chǎn)生塑性流動(dòng)。④接觸疲勞波磨,該類波磨主要發(fā)生在曲線上，其產(chǎn)生原因是P2力引起輪軌接觸表面疲勞。接觸表面微觀裂紋導(dǎo)致鋼軌不平順，引發(fā)簧下質(zhì)量與軌道發(fā)生共振。⑤車轍型波磨,產(chǎn)生機(jī)理為輪對(duì)扭轉(zhuǎn)共振和車輛簧下質(zhì)量和軌道共振引起的。傷損機(jī)理為縱向振動(dòng)引起磨損進(jìn)而形成波谷。⑥嘯叫鋼軌波磨,主要發(fā)生在高速干線的直線和大半徑曲線上，英國、加拿大溫哥華以及德國均出現(xiàn)了類似波磨。波長隨速度變化很小，該現(xiàn)象很難用單個(gè)頻率共振機(jī)理解釋，其傷損機(jī)理為輪軌之間的縱向滑動(dòng)引起材料磨損。

進(jìn)入21世紀(jì)，各國對(duì)鋼軌波磨的研究更加深入和全面。通過對(duì)波磨現(xiàn)象及產(chǎn)生機(jī)理的研究，認(rèn)為影響波磨產(chǎn)生和發(fā)展的主要原因有：①軌道垂向反共振及橫向pinned-pinned振動(dòng)；②輪軌自激垂向振動(dòng)；③輪軌振動(dòng)引起鋼軌產(chǎn)生塑性變形；④軌道垂向pinned-pinned振動(dòng)；⑤輪對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；⑥軌道垂向振動(dòng)對(duì)直線鋼軌波磨起主要作用，軌道橫向振動(dòng)對(duì)曲線鋼軌波磨起主要作用；⑦P2共振；⑧自由共振，包括輪軌接觸共振、軌道共振、輪對(duì)共振等。

金學(xué)松、溫澤峰等[59-62]在分析國內(nèi)外鐵路鋼軌波浪形磨耗理論基礎(chǔ)上，提出了車輛軌道垂向橫向耦合動(dòng)力學(xué)、輪軌滾動(dòng)接觸力學(xué)和鋼軌材料摩擦磨損模型為一體的鋼軌磨耗型波浪形磨損計(jì)算模型。劉學(xué)毅[63]建立了輪軌系統(tǒng)垂向-橫向-輪對(duì)彎曲和扭轉(zhuǎn)非線性空間耦合振動(dòng)時(shí)變模型，通過空間耦合振動(dòng)研究，融合輪軌系統(tǒng)垂向振動(dòng)、輪對(duì)彎曲振動(dòng)、輪對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和磨耗功波動(dòng)等波磨成因理論，建立了“輪對(duì)黏滑振動(dòng)-磨耗功波動(dòng)-磨損型波磨”的波磨成因理論。閆子權(quán)等[64-66]針對(duì)北京地鐵鋼軌異常波磨問題，從輪對(duì)角度出發(fā)探討輪對(duì)振動(dòng)與鋼軌異常波磨之間的關(guān)系；建立輪對(duì)三維有限元分析模型，分別對(duì)動(dòng)車和拖車輪對(duì)進(jìn)行垂向及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析，認(rèn)為在鋼軌異常波磨頻率處輪對(duì)發(fā)生反共振。輪對(duì)垂向振動(dòng)對(duì)鋼軌異常波磨產(chǎn)生的影響比扭轉(zhuǎn)振動(dòng)大，同時(shí)利用多點(diǎn)近似和遺傳算法對(duì)軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以消除和減緩波磨的產(chǎn)生。

2 存在的問題

雖然在輪軌關(guān)系領(lǐng)域國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，但仍存在如下問題，需進(jìn)一步深入分析。

1)高速鐵路道岔區(qū)輪軌關(guān)系及長期運(yùn)營條件下岔區(qū)鋼軌磨耗發(fā)展和動(dòng)力性能劣化機(jī)制已成為當(dāng)前高速鐵路科研、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)維修中急需研究的關(guān)鍵科學(xué)問題之一，也是迄今尚未解決的一個(gè)多學(xué)科交叉(輪軌接觸力學(xué)、摩擦學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)等)技術(shù)難題。

2)現(xiàn)有適用于輪軌高頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析的瞬態(tài)滾動(dòng)接觸有限元模型計(jì)算成本過高，尚局限于法向動(dòng)力的作用，無法將高速鐵路輪對(duì)橫移等因素準(zhǔn)確考慮在內(nèi)。為了準(zhǔn)確模擬高速鐵路輪軌關(guān)系，必須將振動(dòng)、溫度場、第三介質(zhì)等因素的耦合作用考慮到模型中，有必要開展高速鐵路輪軌瞬態(tài)滾動(dòng)接觸行為及輪軌關(guān)系模擬的研究。

3)目前軌道結(jié)構(gòu)類型及零部件類型較多，前期研究主要集中在靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下的強(qiáng)度分析，以及無砟軌道結(jié)構(gòu)模態(tài)的理論分析，而系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究較少，尤其缺乏列車荷載作用條件下的輪軌耦合模態(tài)研究。在研究輪軌周期性磨耗過程中，目前大部分為定性研究，而對(duì)輪軌周期性磨耗的演化過程缺少定量分析。

4)雖然對(duì)磨耗和裂紋部分發(fā)展階段的分析有了初步的探索，但是鋼軌裂紋和磨耗損傷全過程(特別是裂紋從無到有的過渡過程)及共存關(guān)系還缺少理論解釋和數(shù)學(xué)描述方法；由于磨耗、裂紋導(dǎo)致的應(yīng)力應(yīng)變改變、疲勞和斷裂參量的累積變化還需要理論研究；各個(gè)影響因素需要科學(xué)的試驗(yàn)與檢驗(yàn)。

5)輪軌作為一個(gè)系統(tǒng)，在滾動(dòng)接觸過程中在強(qiáng)摩擦力、多環(huán)境耦合作用下服役，服役中承受著復(fù)雜的高應(yīng)變率載荷，其摩擦磨損及疲勞損傷行為變得十分復(fù)雜。為了減少高速車輪磨損，減緩高速輪軌疲勞損傷，在前期研究的基礎(chǔ)上，開展不同工況下輪軌摩擦磨損機(jī)理及組織硬度演變規(guī)律研究十分必要與緊迫。

3 研究方向與建議

3.1 高速鐵路道岔鋼軌磨耗發(fā)展規(guī)律及動(dòng)力學(xué)性能演化規(guī)律研究

預(yù)期目標(biāo)：提出適用于高速道岔鋼軌磨耗預(yù)測分析的岔區(qū)輪軌接觸及車輛-道岔系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析方法；構(gòu)建高速道岔鋼軌磨耗演化發(fā)展的仿真預(yù)測模型，揭示復(fù)雜運(yùn)營條件下高速道岔磨耗產(chǎn)生及發(fā)展特征規(guī)律；揭示長期運(yùn)營中隨著磨耗的加劇輪軌接觸及系統(tǒng)動(dòng)力性能的劣化演變規(guī)律；提出合理有效的岔區(qū)鋼軌磨耗控制方法措施。

科學(xué)問題：①高速道岔鋼軌磨耗產(chǎn)生機(jī)制及發(fā)展規(guī)律；②高速道岔輪軌接觸關(guān)系及車-岔動(dòng)力學(xué)性能劣化演變規(guī)律。

研究內(nèi)容：①列車高速通過道岔時(shí)輪軌接觸和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析方法；②高速道岔尖軌磨耗產(chǎn)生機(jī)理和發(fā)展過程預(yù)測；③高速道岔尖軌磨耗發(fā)展規(guī)律；④隨著高速道岔尖軌磨耗加劇輪軌接觸關(guān)系和列車過岔動(dòng)力學(xué)性能劣化規(guī)律；⑤高速道岔鋼軌磨耗傷損評(píng)價(jià)方法和控制措施。

3.2 高速鐵路輪軌瞬態(tài)滾動(dòng)接觸行為及輪軌關(guān)系模擬

預(yù)期目標(biāo)：構(gòu)建高速鐵路輪軌接觸多尺度模型，探明高速鐵路輪軌接觸損傷機(jī)理及相互影響機(jī)制。

科學(xué)問題：①高速鐵路輪軌接觸多尺度模型；②高速鐵路輪軌接觸損傷機(jī)理。

研究內(nèi)容：①考慮振動(dòng)、溫度場和第三介質(zhì)等因素耦合作用的輪軌接觸精細(xì)化模型；②考慮高頻振動(dòng)及滾滑響應(yīng)的輪軌接觸高頻振動(dòng)模型；③多尺度因素對(duì)輪軌接觸行為及損傷機(jī)制的影響。

3.3 高速鐵路輪軌周期性磨耗萌生演化機(jī)理及控制措施研究

預(yù)期目標(biāo)：針對(duì)當(dāng)前高速鐵路運(yùn)營過程中出現(xiàn)的列車車輪多邊形和鋼軌波浪形磨耗現(xiàn)象，從列車整車及其零部件、軌道結(jié)構(gòu)及其零部件的固有模態(tài)特征出發(fā)，深入研究輪軌耦合作用條件下車輪和鋼軌的振動(dòng)特性，揭示車輪多邊形和鋼軌波磨的萌生機(jī)理，并理論再現(xiàn)其演化過程。探明影響車輪多邊形和鋼軌波磨萌生過程的敏感因素，提出有效抑制措施并通過試驗(yàn)予以驗(yàn)證，為解決當(dāng)前輪軌周期性磨耗提供有力的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

科學(xué)問題：①輪軌耦合條件下車輛及無砟軌道結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的辨識(shí)方法及數(shù)值分析模型；②輪軌周期性磨耗形成及發(fā)展機(jī)理，車輛和軌道系統(tǒng)各零部件的傷損機(jī)理；③延長軌道結(jié)構(gòu)及部件服役壽命的有效科學(xué)方法。

研究內(nèi)容：①車輛和軌道系統(tǒng)及其各零部件的模態(tài)特征及振動(dòng)傳遞特性；②結(jié)構(gòu)部件參數(shù)對(duì)輪軌耦合條件下軌道系統(tǒng)模態(tài)及軌道系統(tǒng)振動(dòng)傳遞函數(shù)的影響；③輪軌耦合振動(dòng)對(duì)輪軌周期性磨耗的影響機(jī)理；④輪軌周期性磨耗的萌生過程和演化規(guī)律再現(xiàn)；⑤延長軌道部件服役壽命的措施和方法。

3.4 高速鐵路鋼軌接觸疲勞傷損機(jī)理及預(yù)測研究

預(yù)期目標(biāo)：建立考慮真實(shí)條件的鋼軌疲勞裂紋-磨耗共存發(fā)展研究方法及分析模型，定量分析鋼軌全壽命周期內(nèi)裂紋和磨耗的共存關(guān)系、相互影響特征、影響因素和規(guī)律，揭示兩者的機(jī)理和轉(zhuǎn)化條件，量化各種因素的影響程度，掌握鋼軌全壽命期間損傷發(fā)展過程。

科學(xué)問題：①鋼軌全壽命過程中裂紋與磨耗的相互關(guān)系；②裂紋和磨耗發(fā)展過程中各種因素的影響機(jī)制和定量效果。

研究內(nèi)容：①鋼軌疲勞裂紋和磨耗之間的關(guān)系；②鋼軌疲勞裂紋和磨耗共存現(xiàn)象的理論描述、數(shù)學(xué)表達(dá)和建模；③模型算法及評(píng)判準(zhǔn)則；④鋼軌疲勞裂紋與磨耗共存關(guān)系；⑤鋼軌疲勞裂紋與磨耗影響機(jī)制。

3.5 高速輪軌材料磨損機(jī)理及組織硬度演變規(guī)律研究

預(yù)期目標(biāo)：揭示復(fù)雜服役工況下高速輪軌材料摩擦磨損及疲勞損傷機(jī)制，建立適合我國復(fù)雜服役環(huán)境條件下的高速輪軌材料匹配理論。掌握服役中輪軌表層組織與性能的演變規(guī)律和輪軌性能的相互作用關(guān)系。為減少車輪磨損、緩解輪軌疲勞損傷、科學(xué)制定車輪鏇修和鋼軌打磨周期提供依據(jù)。

科學(xué)問題：①復(fù)雜服役條件下輪軌摩擦磨損及疲勞損傷機(jī)理；②不同工況條件下，輪軌摩擦磨損及疲勞損傷影響因素；③服役輪軌表層組織和硬度演變規(guī)律。

研究內(nèi)容：①復(fù)雜服役工況下高速輪軌材料摩擦磨損規(guī)律及疲勞損傷機(jī)制研究；②不同工況條件下輪軌摩擦磨損及疲勞損傷影響因素研究；③服役輪軌表層組織和硬度等性能的演變規(guī)律與理論研究。

4 結(jié)語

本文對(duì)國內(nèi)外在輪軌關(guān)系研究，特別是輪軌接觸疲勞和輪軌周期性磨耗方面所開展的研究工作和取得的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理和總結(jié)。同時(shí)結(jié)合我國高速鐵路在實(shí)際運(yùn)營過程中出現(xiàn)的輪軌關(guān)系問題，指出目前我國高速鐵路輪軌關(guān)系領(lǐng)域研究的不足和存在的問題，并對(duì)未來需要開展的研究工作及其主要的科學(xué)問題提出建議。主要研究方向包括5個(gè)方面：高速鐵路道岔鋼軌磨耗發(fā)展及動(dòng)力學(xué)性能演化規(guī)律研究;高速鐵路輪軌瞬態(tài)滾動(dòng)接觸行為及輪軌關(guān)系模擬;高速鐵路輪軌周期性磨耗萌生演化機(jī)理及控制措施研究;高速鐵路鋼軌接觸疲勞傷損機(jī)理及預(yù)測研究;高速輪軌材料磨損機(jī)理及組織硬度演變規(guī)律研究。