陈光雄课题组：铁路钢轨波磨和车轮多边形磨耗研究

百年难题——铁路钢轨波磨问题

钢轨波浪形磨耗，简称钢轨波磨(rail corrugation)，是指新铺设或者打磨过的钢轨使用一段时间后，在钢轨的工作表面沿钢轨长度方向产生的一种近似波浪形的磨耗。对于一条新投入使用的地铁线路，波磨出现的时间少则2～3个月，多则1～2 年。钢轨一旦出现波磨，就难以消除，即使将出现波磨的钢轨更换成全新的钢轨，也很快会在原来出现波磨的地方产生新的波磨。波磨会引起严重的轮轨噪声以及地面建筑物的低频振动，造成铁路钢轨扣件弹簧的断裂，影响到乘客的乘坐舒适性。波磨是世界性问题，世界各国的小半径铁路线路都存在或多或少的波磨问题。目前，在国内外可用于抑制和消除波磨的方法不多，主要是钢轨打磨法和轨面涂抹摩擦调节剂的方法，其中钢轨打磨法是目前用来控制波磨影响的主要方法，但需要使用价值数千万元的轨道打磨车设备，且打磨过的钢轨轨头轮廓形状变化较大，影响到轮轨接触几何关系和轮轨动力学性能，同时也大大降低了钢轨的使用寿命。该方法既不经济，也不能从根本上消除钢轨的波磨。轨面涂抹摩擦调节剂的方法技术性比较高，不容易保证涂抹质量，容易影响到列车的牵引动力性能和引起环境污染，而且也不能彻底消除钢轨波磨问题。

▲ 钢轨波磨初始发生时的钢轨波痕照片

(曲线半径350m，超高115mm)

图为成都地铁某号线在正式载客运营之前为期3个月的空载试运行2个月后某区段线路内轨波磨初始出现的形式，由图 (a)和图 (b)可以明显看出曲线内轨存在明显的磨痕，这种磨痕不是个别现象，在整个曲线线路的圆曲线区段内都有发生。图(c)和图(d)是同一个圆曲线区段两个不同位置的内轨波磨，可以肉眼看出钢轨的波磨，只是波深很小。

近三十年来，我国城市轨道交通运输得到了飞速发展，截止2024年底，我国地铁线路的总里程达到9281.37km，位列世界第一。目前在我国只要线路曲线半径小于350m，则曲线内轨几乎百分之百产生波磨。铁路钢轨波磨是铁路行业中一个研究了一百余年但一直得不到很好解决的技术难题，因其对铁路行业影响较大，还被收录到钟掘院士等主编的《10000个科学难题（制造科学卷）》一书中。因此，开展钢轨波磨发生机理和控制方法的研究仍具有重要的理论意义和应用价值。

研究的主要结论

轮轨滑动是钢轨波磨发生的主要根源，用轮轨系统摩擦自激振动引起钢轨波磨的模型可以同时模拟两个传统波磨理论（钢轨表面粗糙度引起轮轨系统共振振动引起波磨理论和轮轨纵向蠕滑力负斜率引起车轴扭转振动引起波磨理论）引起的钢轨波磨问题，轮轨系统摩擦自激振动引起波磨的机理预测钢轨波磨发生的准确率达到70%~80%以上。

▲ 高速轮轨系统摩擦自激振动模型

西南交通大学陈光雄教授课题组自2009年起，对钢轨波磨问题进行了广泛而深入的研究，在国际期刊上发表学术论文40余篇，《铁路钢轨波磨和车轮多边形磨耗研究》汇聚了课题组的主要研究工作和成果。

陈光雄教授课题组的研究工作独树一帜，具有两个特色：其一是较强的创新性，提出了轮轨系统摩擦自激振动诱导钢轨波磨的新机理，认为轮轨滑动是引起钢轨波磨的根本原因，并给出了钢轨波磨理论模型的验证策略及验证基准条件；其二是研究内容丰富，涉及面广，课题组系统地总结了钢轨波磨发生的规律性，引入了波磨发生率的概念，为评估现有文献中各类波磨理论模型的正确性提供了重要标尺。

本书发展了钢轨波磨理论研究体系，提出钢轨波磨的机理除波长固定机理和材料损伤机理之外，还应包括振动相位固定机理和振动持续激励机理。面对传统波磨理论在解决实际问题时表现出的局限性，作者凭借其学术积淀与研究洞察力，指出传统波磨理论存在的忽视线路曲线半径因素及验证工况缺乏普遍性的问题，是其难以有效解决钢轨波磨问题的重要原因，这一独到见解为后续的钢轨波磨研究提供了宝贵的启示。

陈光雄教授提出的轮轨系统摩擦自激振动诱导钢轨波磨的机理得到了国内外研究同行的高度关注和正面引用，成为除传统波磨机理之外较有影响的新机理之一。

翟婉明            

中国科学院院士      

美国国家工程院外籍院士

西南交通大学首席教授  

2024年10月29 日