【毕业学位论文】（Word原稿）车轮磨耗 计算理论和算法轨轮润滑的应用

摘要 随着我国 铁路高速和重载的发展，轮轨磨耗问题日趋严重，每年都给铁路运输 造 成巨大的经济损失，其解决与否直接影响到铁路的快速发展。 轮轨之间的磨耗一直是铁路工业难以解决的问题 ,人们采用各种方法和措施来降低其发展 ,如研发轮轨新材料 !优化轮轨型面匹配以减小轮轨接触应力和改善轨道和车辆结构以减少轮轨之间的动力作用等 随着高速 !重载铁路的深入发展 ,轮轨相互作用愈加剧烈 ,车轮和钢轨间的磨耗也越来越严重 ,它不仅大大增加了铁路运输成本 ,而且还直接危害行车的安全 因此 ,开展车轮磨耗的研究具有很重要的理论意义和工程应用背景 。 关键词 ： 车轮磨耗 计算理论和算法 轨轮润滑的应用 轨轮磨耗研究进展 目录 1 绪论 .究背景及意义 .内外研究现状 . 国外研究现状 . 国内研究现状 . 轨轮关系研究概述 .界铁路发展历史和未来 . 轨轮磨耗问题的发 展概况 .轮磨耗问题的研究进展 .浪形磨耗的研究现状及减缓措施 .面磨耗的研究现状及减缓措施 . 不同轨轮匹配对轨轮磨耗的影响 .内典型轮轨面对轨轮磨耗的影响 . 锥形踏面和磨耗型踏面简介 . 典型磨耗型踏面外形介绍 .轮缘踏面外形 .轮缘踏面外形 . 计算理论与算法 .轮接触理论的研究进展 .变量变分原理 .间弹塑性接触问题参数二次规划法 . 轮缘润滑的应用及有限元分析 .轮润滑技术的发展和现状 .少轮缘接触斑摩擦系数对轨轮接触的影响 .同摩擦系数对轨轮接触的影响 . 轨轮磨耗研究 进展 .缓轨轮磨耗措施的研究概况 .轮润滑的研究概况 .考文献 .谢 .第一章 绪论 究背景及意义 自 1825 年 9 月 17 日英国第一条铁路建成并投入使用以来，铁路为人类社会的文明进步与经济发展作出了巨大贡献。世界铁路的发展大致经历的迅速兴起 复苏三个阶段。 20 世纪 40 年代后，由于各种运输方式之间的激烈竞争，世界铁路的发展曾一度陷入艰难境地，铁路甚至被某些国家称为 “夕阳产业” 进入 20 世纪 80 年代后，由于世界范围内受能源危机、环境污染、交通安全等问题的困扰，铁 路的价值被重新认识。铁路所具有的技术经济优势与可持续发展战略的一致性，越来越受到各国重视，世界各国纷纷调整铁路发展战略，掀起铁路改革浪潮。在可持续发展战略的推动下，在高新技术的促进下，世界铁路特别是发达国家铁路呈现出迅速发展之势，铁路在世界范围内复苏，迎来了蓬勃发展的新时代至 2006年 ,全世界 117个国家已建成 120多万公里的铁路 ,中国铁路总长 7./万公里 ,2020 年计划总长达到 12 万公里以上 ,客运专线达到 公里以上 ,城市轨道交通达到 4000 公里左右 铁路运输业是一个独立的 !特殊的物质生产部门 ,是发展 经济 !提高人民物质集体化生活水平的重要基础设施 ,它在国民经济中处于重要的地位 2007 年我国铁路行业成功实施了第六次大面积提速和新的 列 运行图 ,运输能力和运输结构得到进一步提高和优化 ,取得了良好的经 济效益和社会效益 ,实现运输总收入 3308 亿元 ,比 2006 年增加 335 亿元 ,增长 国铁及国有控股企业全年实现利润 80 亿元 随着高速铁路和城市轻轨交通的迅速发展 ,铁路运输业的地位就更加突出 铁路运输具有速度快 !运量大 !安全性高 !准确性高 !耗能少 !占地少 !工程投资低 !舒适度高 !效益好 ,相对航空和公路运输而言污染 小 ,不受自然气候条件的制约等优点 ,因此世界各国都在积极促进铁路运输业的发展 ,如高速铁路 !重载铁路 ,城市轻轨的研发等等 轮轨之间的磨耗和疲劳现象一直是铁路工业难以解决的老问题 ,人们采用各种方法和措施来降低它们的发展 ,如发展轮轨新材料 !优化轮轨型面匹配以减小轮轨接触应力和改善轨道和车辆结构来减少轮轨之间的动力作用等 随着高速 !重载铁路的深入发展 ,轮轨相互作用愈加剧烈 ,车轮和钢轨间的磨耗及接触疲劳现象也越来越严重 ,它不仅大大增加了铁路运输成本 ,而且还直接危害行车的安全 1972年 ,在美国铁路上查出近 20万根伤 损钢轨 事实上 ,我国每年用于更换和维修伤损轮轨的经费达 80 多亿人民币 轮轨突发性破坏导致列车脱轨而造成的损失就更难统计 高速重载列车对运行平稳性和安全性有更高的要求 ,这就要求各个零部件具有较高的工作强度和较长的使用寿命 ,尤其是走行机构的关键零部件一一轮轨 因此对轮轨关系的研究就显得十分重要了 列车运行要借助轮轨相互作用产生的牵引和制动粘着摩擦力来实现列车的运行 ,因此也带来了轮轨间的磨损并使其成为铁路运输中一个耗资很大的问题 目前我国铁路曲线总长占线路 总长的 30%,半径小于 650m 的曲线总长为 13600少是处在重载干线 !运煤干线上 ,轮轨磨损非常严重 曲线上钢轨总的平均寿命约 5 年 ,每年曲线换轨为2520此一项耗费就超过 10 亿元 ,是一个重大的经济问题 。 车轮作为一个不可或缺的走行部件 ,为保证其在钢轨上快速的行驶 ,它必须具有极高的可靠性 车轮的磨耗现象受到很多因素的影响 ,如曲线半径 !车辆轨道结构 !车辆运行速度 !轮轨间的动力行为 !轮轨接触面的 /第三介质 0!轮轨材料等车轮的损伤形式主要有轮缘磨耗 !踏面磨损 !接触疲劳裂纹等 而踏面磨损主要是车轮踏面的剥离磨损和踏面擦伤两种 剥离是车轮 !轮箍在运用中由于热 机械作用和轮轨接触疲劳作用而在踏面局部或圆周上表现的裂纹萌生和金属剥落损伤现象 有的国外研究将因轮轨接触疲劳而产生的这种损伤定义为剥落(而将热损伤产生的这种现象称之为剥离 (车轮轮缘磨损与钢轨侧磨相对应 ,它们是曲线上车轮和钢轨的主要损伤类型 在一些山区铁路线上钢轨侧磨己成为曲线钢轨更换的决定因素 车轮在钢轨上运行时一般轮轨间为一点接触 ,即车轮踏面和钢轨顶面相接触 但车轮在曲线轨上行驶时 ,导向轮往往由于惯性力的作用会发生轮缘与钢轨内侧贴靠 ,形成两点接触 当车轮在轨踏面上为 纯滚动时 ,则远离回转轴线的轮缘与钢轨内侧的接触点必然存在着滑动 ,造成轮缘和钢轨内侧的剧烈磨损 实现非轮缘导向是对经典轮缘导向理论的重大突破 ,然而 ,在小曲线半径的线路上 ,车轮导向主要还是靠轮缘导向 ,这将不可避免地导致轮缘与钢轨的剧烈磨损 为了减少轮缘的磨耗 ,可以采用不同的方法进行控制 采用轮轨润滑是不错的选择 ,它是一种投资少 !见效快的方法 它不仅能迅速减小轮缘及钢轨一侧的磨损 ,延长钢轨的寿命 ,而且还能降低运行阻力 ,节省能源 由于轮轨系统的特殊性 ,润滑形式只能是边界润滑 它通过第三介质作用 ,在金属表面形成边界膜 边界润滑膜具有较小的剪切强度 金属摩擦时 ,其摩擦主要发生在边界膜层内 ,可大大减小滑动阻力 ,同时又起到保护金属表面的作用 ,大幅度降低金属材料的磨损 轮缘与钢轨内侧的润滑方式目前主要有轨道喷油和轮缘喷油 由于轮缘与钢轨侧磨之间主要是滑动摩擦 ,通过润滑来降低摩擦系数 ,从而减少轮缘的磨耗 国内外的应用经验表明 ,轮轨润滑可降低轮缘磨耗和轨侧磨耗 10%一 35%随着列车速度的提高 !轴重的增加 !车流密度的增大 ,车轮的损伤也在加剧 图 1 一 l 给出了车轮的几种损伤情况 7 其中 ,图 1 一 1(a)是哈尔滨铁路局鹤岗车辆段 列检时发现 1一 1(b)是哈尔滨铁路局西鸡西车辆段列检时 ,发现 位车轮踏面剥离 65 45 1 一 1(c)是上海地铁线上某位轮对车轮踏面的磨损情况 ;图 1一 1(d)是北京铁路局丰台车辆段定检时 ,发现 位车轮踏面裂纹 80 1 一 1(e)是郑州铁 路 局 郑 北 车 辆 段 列 检 时 ,发现 位 车 轮 踏 面 外 侧 缺 损155 l 一 l(0 是郑州铁路局郑北车辆段列检时发现 85车轮发生剥离 !磨耗 !裂纹达到一定程度时 ,必须进行漩修或打磨等处理 ,情况严重时还需要进行更换轮毅或轮对 车轮的各种损伤形式的形成和发展 ,不仅影响车辆和轨道结构的使用寿命 ,而且严重的损伤可能会导致重大脱轨事故的发生 因此 ,对车轮各种损伤形式的研究就显得十分重要 内外研究现状 车轮磨损现象广泛存在于铁路运输现场 车轮外形的改变将引起车辆轨道系统动力响应的变化 ,对行车稳定性 !安全性 !乘客舒适性以及车辆轨道系统各个部件使用寿命都有很大影响 随着列车速度和车辆轴重的不断 提高 ,必然导致车轮工作状况恶化 ,从而加剧车轮的磨耗 ,对其疲劳寿命带来重大的影响 踏面磨耗过大 ,会使车轮报废 若磨耗过大的车轮没有及时更换 ,还有可能使运行中的机车或车辆发生脱轨事故 因此 ,近年来由于磨损引起的车轮问题成为影响铁路运输安全性和经济性的重大问题之一 就此国外学者对车轮磨耗进行了大量研究 外研究现状 20 世纪 50 年代 , D 应 模拟了直线线路上踏面的磨耗 ,他们在频域里进行车辆轨道动力学分析 并比较了 4 种不同磨损模型对踏面磨耗的影响它们分别为 d 和 及直接与接触应力和法向力成正比的磨耗 通过分析得到 ,4 种模型在模拟踏面磨损时结果基本一样 ,但采用与法向力成正比的磨损模型最好 ,因为它不仅简单 ,而且随着车辆有效载荷的增加它也能得到一个合理的结果 D 应 模拟结果缺少现场测量数据的比较 20 世纪 90 年代初期 ,出了一个简单的车轮踏面磨损模型 分析了一小段直线加上一段 S 型曲线车轮的磨耗 相比 他们在时域里进行车辆轨道动力学分析 轮轨接触部分他们采用了 触理论进行分析 ,磨耗量 定义为车轮每走行一公里磨耗的面积 ,其大小与磨耗指数成正比 ,与车轮直径成反比 ,其中 ,磨耗指数为总的蠕滑力与总蠕滑率的乘积 (即 磨损分析时 ,磨耗系数则根据磨耗指数的大小确定了 3 个不同的值 ,分别代表重磨耗区 !轻磨耗区和过渡区 通过分析计算 ,他们给出最佳的踏面更新距离为 1100中给出了等效锥度随运行距离的变化 由于仿真结果与实验数据有较大差距 ,他们的预测只能对车轮磨耗做一个定性的分析 总的来说 ,他们在这方面做的这些工作很有意义 后来 ,人对车轮和钢轨的磨损过程作了全面的研究 他们采用件模拟任意线路情况下车辆轨道的横向动力学响应 ,模型处理时车体 !转向架 !轮对模拟为刚性体 ,将轨道简单离散化为集中质量块 ,并引入了轨道不平顺频谱函数 ,轮轨接触法向和切向问题分别用 磨耗量通过消耗的质量密度来表示 ,质量密度正比于接触斑上的能量消耗 (局 )文中讨论了三种磨耗模型 :一是直接基于能流密度的磨耗模型 ,一是基于法向压力的磨耗模型 ,最后是一个基于纵 !横蠕滑力和自旋力矩的简单组合模型 对于严重(凡 /)和轻度 (凡 /)磨耗区域则引入了不同 的磨耗常数 ,过渡区域则由其材料特性决定 数值结果与现场测试结果比较吻合 90 年代末 ,李自力和 人 f 川也发展了一套计算车轮磨耗的数值方 法 ,该方法的新颖点在于轮轨接触分析部分 车辆轨道动力学他们采用了对轮轨接触部分 ,在 他们发展了非赫兹型多点 !共形接触的数值算法 利用有限元计算影响函数 ,从而避免了弹性半空间的假设 ,更好地模拟共形接触 ,磨耗计算则假定磨耗体积与摩擦功成正比 ,车轮磨耗深度达到 则进行一次踏面更新 整 个磨损过程只模拟了车轮在一段直线运行情况 ,且所得的数值结果较现场测量的磨耗低 21 世纪初 ,人发展了一套车轮磨耗计算的数值算法 他们采用了一种 /研究方案 ,将既有的线路利用参数调研对不同的曲线半径进行离散并分组 ,对不同磨耗程度的钢轨 !轨道不平顺 !轮轨摩擦系数等也作了相关的调查研究 ,然后将其与曲线半径进行匹配 ,最终定出仿真的总工况数 以简化模拟过程 将钢轨处理为随每个轮对移动的只具有横向自由 度的质量块 ,即反应钢轨的横向柔性 ,垂向柔性则用一个弹簧阻尼系统来代替 轮轨接触几何计算能够考虑两点接触以及接触体的弹性变形 轮轨接触法向和切向问题分别用 论和 析 ,磨耗计算则采用了经典的 损模型 ,磨耗系数取耗图中每个区域的平均值来代替 ,对于制动和润滑则是定了一个比例系数来考虑 分析计算时 ,车轮踏面达到最大磨耗深度 (最长运行距离(1500/25进行一次踏面更新 ,磨耗踏面采用了自然边界条件 (端点处 2 阶导数取为 0)的三次 样条平滑进行处理 他的仿真拟结果与现场测试数据相当吻合 0基于 利用 磨损模型则假定了接触斑上材料磨耗量与接触斑上的摩擦功密度成正比 由于计算时间太长 ,所以车辆运行 10500间 ,车轮踏面只更新了两次 通过对接触斑上摩擦功的分析最后他们建议 , Pi4提出的接触分析模型可以用来代替 值算法以缩短仿真时间 人 之前的方法进行了改进 ,为缩短仿真时间 ,轮轨接触法向和切向问题分别用 论和析 ,材料磨损计算时则采用了与磨耗指数 (乃沮 )相关的计算模型 数值结果与试验结果在车轮踏面上比较吻合 ,在轮缘磨耗区域 ,仿真结果略大于试验数据 人 展了一套车轮磨耗数值算法 ,车辆轨道动力学采用拟一个轮对 ,轮轨滚动接触分析采用类似于 I 认 论的法确定轮轨接触斑 ,并进行相应的接触计算 磨损模型包括了磨耗指数 !滚动速度 !车轮密度等 相关参量 他们计算车轮运行了一段线路总长为4000该段线路仅包含半径为 700最后给出了车轮在该线路上运行 33000 次后的磨耗结果 ,该结果只能用来对车轮磨耗发展趋势做一个定性的分析 于 工作 ,对其模型进行了完善 文献首先对接触模型进行了改进 ,即在计算相对滑动速度时考虑了接触表面的弹性应变项 ,通过分析发现由于弹性项的加入 ,接触斑上的部分滑动量也发生了变化 ,从而导致接触斑上的磨耗深度的分布也受到了影响 ,数据结果表明 ,考虑弹性应变项后的磨耗深度与用 计算结果更加接近 接着他考虑了盘式制动对车轮磨耗的影响 ,分析发现当考虑盘式制动时 ,直线上 ,踏面磨损更严重了 ;曲线上 ,内轨上车轮也增加了 ,而外轨上车轮的轮缘磨耗降低了 此外 ,在他的硕士论文里通过试验 ,他得到了大滑动速度 !不同湿度 !以及不同润滑程度下的磨耗系数 最后 ,基于现有的车轮磨耗模型 ,他还对钢轨磨耗进行了初步的分析 ,并指出由于对接触环境的模拟的可变度受到限制以及一些相关的其他因素 ,钢轨磨耗的数值仿真比对应车轮磨耗的仿真更加困难 在轨角处 ,仿真结果对接触模型尤为敏感 由此他也指出 ,基于传统的椭圆接触斑模型 (接触 )来模拟钢轨的磨耗有很大的局限性 文献引入了一个非椭圆的 触模型来代替 采用的 触模型 文中基于线弹性半空间 !弹性有限元 !以及弹塑性有限元三种情况 ,比较了接触斑面积 !接触斑形状和接触应力的变化情况 接着通过计算分析得出了 触模型计算出来的接触斑上磨耗深度与考察了非椭圆 的 触模型对车轮磨耗和型面改变的影响 并得出在不同的接触情况下 ,但是在轮缘贴靠的时候却相差很大 而 型所得结果与 的结果在轮缘处则相差较大 ,并且该模型所得的等效锥度变化情况也与 相差较大 2007 年 ,比利时的 .等学者分析比较了广泛用于城市轻轨的四种车轮磨耗预测模型 ,其中包含了踏面接触和轮缘接触两种情况下的磨耗 第一个模型就是 出的基于 损模型的车轮磨耗仿真模型第二个就是继续 作的 完善后的模型 ;第三个和第四个模型分别是由这两个模型都是基于接触斑上的能量消耗来建立的 首先通过理论分析将这些模型化为一个统一的表达形式 ,分为轻度磨耗和严重磨耗两种方式 用这些模型分析了现场城市轻轨上运行车辆的磨耗 ,尽管从理论上看这些模型所表示的磨耗趋势很相近 ,但实际仿真发现所得的磨耗深度有很大的差异 所有模型的磨耗系数都是在不同条件下通过试验获得 ,所以必然存在一些差异 但是 ,在一些特定情形下 ,它们的结果却比较近似 例如在严重磨 耗的时候 , 模型所得的结果非常相近 于 损模型 ,用理论和试验两种方式分析比较了两种不同的滑动量计算模型对磨耗的影响 其中 ,分别讨论了轻度磨耗和严重磨耗两种情况 分析结果表明理论结果与试验结果在轮缘接触的情况 下比较接近 ,踏面接触时两者的差异在两倍以内 车轮磨耗计算时 ,接触斑上法向力的分布非常关键 ,为了得到一个准确的结果 ,有限元是一个不错的方法 ,但由于其耗时的缺点 ,目前在磨耗计算时没有办法采用 ,因此 , 31 讨论了用一个快速也比较准确的 型来模拟轮轨间的接触 型是将接触物体看做是一个由许多弹簧组成且不考虑横向变形的质量块 弹簧的刚度通过不同的工况研究进行确定 然后用弹簧的体积变形来简化计算接触斑上的接触应力 文中最后比较了 型和有限元方法对磨耗计算的影响 并发现两者的结果相当吻合 法向问题采用了改进的 型进行求解 ,并用弹塑性有限元理论进行了验证 而切向问题则采用类似于 方法计算接触斑上的信息 一个线性的磨损模型用于计算轮轨间的磨耗 ,其中磨耗用每滑动一个单位所消耗的质量来表示 通过分析表明这两种模型计算出来的结果差异较大 在用有限元模型进行检验时发现 , 此外 ,他们还对小曲线半径上两点接触时轮轨间的磨耗进行了分析和讨论 通过动态仿真 他们采用了一个准静态的模型 ,并用 行了验证 通过优化分析 ,他们得到一种可以降低 25%轮缘磨耗的新踏面 内研究现状 随着我国经济持续高速发展 ,主要铁路干线己经进行了七次大提速 随着列车速度的提高 !轴重的增大 !运输任务越来越重 ,我国铁路一些区段特别是提速线路的车轮出现了不同程度的伤损 ,如踏面磨耗 !龟裂 !剥离 !轮缘磨耗 !接触疲劳裂纹等针对这些情况 ,国内的学者进行了大量现场考察和研究 阎国臣等对车轮磨损机理和影响因素进行了综合分析 ,提出减小车轮磨损失效的措施 他们给出了以下四个措施来减小车轮磨损失效 ,首先是 /车轮表面处理 0,即通过提高车轮踏面的 硬度和抗切 削能力来减小车轮踏面的磨耗 ,并指出这可以通过改变淬火工艺来实现 ;接着就是 /减少马氏体脆相 0,国外研究者认为 /最好 0材料的选择只能是在阻止形成马氏体和硬度之间的折中 第三是 /防止打滑 0,打滑是车轮擦伤的前提条件 ,因此首先应该充分利用和改善轮轨间的接触 ,防止车轮在钢轨上滑行 ,可以采用摩擦系数高且随速度变化较小的闸瓦 在降雨等条件下国内外通常采用在轮轨间撒沙子从而使轮轨间减小的粘着系数迅速得以恢复 ,最终实现防止打滑的效果最后就是 /改进车辆机构 0,如 :为减少轮缘磨耗 ,可以采用先进的喷脂轮缘给油器 避免轴箱拉杆橡胶 套和橡胶垫老化变形 !脱落 ,因为这样会使轮轴距改变 !机车转向不灵活 ,导致轮缘磨耗严重 许立群等 析了提速前后客车车轮磨耗规律和原因 ,并提出了相应的预防措施 他们将车轮的磨耗分为三个阶段即 :快速磨耗阶段 (初期 )!轮轨相对吻合阶段 (中期 )!自我调控能力被削弱的阶段 (后期 )为了有效地控制提速后车轮的磨耗情况 ,他们指出客车轮对与转向架要合理搭配 ,要做好转向架间距测量工作 ,并选择轴颈中心距尺寸与之相同的轮对进行搭配 ,落轮后车轴中心距与弹簧支柱中心孔应重合 夏建新等 28 林良据对 25t 轴重的机车车轮磨 耗形状的实测 ,设计并试制了适用于该轴重的磨耗形踏面( )样板 从 2000 年 4 月起 ,已在配属于南翔机务段的 27 台 机车上装用该型踏面车轮 ,其中 2 台己走行一个中修期 (分别为 2814 万及 2816 万 5台已走行 15 万一 20 万 行实践表明 ,踏面车轮取得了轮缘减磨 20一 33%,踏面减磨 25 一 30%的良好效果 。 第二 章轮轨关系研究概述 界铁路发展历史和未来 1825 年 9 月 27 口，世界上第一条铁路在英国 间开通，利用蒸汽机车 牵引列车，最初的速度为 4. 5 km/h，后来达到 24 km/h，运行距离为 36 路运输远远早于汽车运输。到了 19 世纪末 20 世纪初，铁路运输业进入第一个兴旺发达时期。全球铁路总长超过 120 万公里 2。进入20 世纪以后，汽车、航空、水运和管道运输迅速发展，汽车的短途客货运输量逐渐超过了铁路运输量。尤其是高速公路网的形成，不仅吸引了大量的中短途旅客，而且大型集装箱的运输能快捷方便的达到目的地。 1964 年 10 月，口本建成世界第一条现代化高速铁路一东海新千线，运营速度为 23 h。这条高 速线在几十年的运营中，吸引了东京至大阪 90%的乘客，列车运行时间误差低于 1 分钟，耗能为汽车的 1/5，无废气排放，取得了举世瞩目的成就。由此，铁路运输尤其高速铁路运输引起世界各国的高度重视。近二十年来，一些经济技术发达国家相继修建了高速铁路。口本继东海新干线后，又建成山阳、上越、东北等新干线，总长度达 1835 公里。目前，口本高速列车客运量为世界之最， 2000 年客运周转量为 712 亿人公里。 1983 年法国开通第一条现代化高速铁路一巴黎东南新干线，最大运营速度为 270 km/h, 1989 年建成大西洋干线，最高运营 速度 300 km/h。法国现己建成高速铁路 1281 公里，高速列车行速度为 3 000 公里，最高试验速度为 里，他们计划修建连接邻国的高速铁路网，总长达 4500 公里以上 ;意大利的高速铁路己初步形成网 ; 德国从 1985 年开始研究 速列车， 1991 年投入运营，己有高速铁路 700 多 公里， 速列车最高运行速度达 330 km/991 年瑞典开通了 式列车， 1992 年，西班牙引进法、德两国的技术建成了 471 公里长的马德里至塞维利准高速铁路。 1994 年英吉利海峡隧道把法国 与英国连接在一起，开创了第一条高速铁路国际联接线。 1997 年，从巴黎开出的“欧洲之星”又将法国、比利时、荷兰和德国连接在一起，很快对该区间的航空运输形成了强大的竞争力，“欧洲之星”的客运份额就占了 60 % 2001 年开通巴黎至马赛 740 速线，旅行时间只要 3 小时。穿越法意边界的阿尔卑斯山的长达 52.7 道，己于 2002 年五月开工，预计 2012 年建成开通，则阿尔卑斯山就不再成为发展欧洲高速铁路网的障碍。在西欧国家，目前初步形成了高速铁路网，到 2000 年，欧洲高速客运量己接近口本的水平。西欧 国家计划在 1500围内夜 间开行高速货运列车。到 2010年，西欧铁路将超过 6000 2020年增加到 10000 前世界 20 多个经济技术发达国家正在修建和筹建高速铁路线总共 46 条，总长约 8000 公里。所以铁路世界运输业又进入了新的高峰发展时期。 高速铁路速度目标值一直在提高。过去运营速度己上了两个台阶。 20 世纪60 年代到 80 年代初，列车速度由 210 km/h 提高到 250 km/h 以上， 80 年代中到90 年代末，列车速度由 250 km/h 提高到 300 km/h。到 现在为止，国际上高速列车和线路运行速度达到 350 km/h 己是成熟的技术。许多国家即将修建的高速铁路大多瞄准这个目标值。 铁路运输另一个发展方向是 :货物重载 。在高速客运取得成功不久，世界许多国家发展铁路重载运输技术。 20 世纪 70 年代，美国、加拿大和墨西哥三国进行了大规模路网合理化改造和建设，消除运营壁垒，完成一体化进程，同时开始发展以提高轴重、 加大列车编组数量为特征的重载技术。通过开行 低了运输成本，提高了生产效率。从 1980 年到 1999 年，重载运输成本降低了 65%， 铁路货运在全部货运市场占有份额从 加到 , 2000年增加到 41%，事故率降低了 64%，目前北美一级重载铁路货运己达到历史上货运收入最高水平 81 亿美元。 1973 年澳大利亚采用了重载运输技术后，劳动生产率逐年提高，成本逐年下降。 2000 年与 1980 年相比，燃油消耗下降了 43%，每 100 万吨矿石运输所需人力从 30 人下降到 5 人，劳动生产率高达 6000 万吨公里 /人，居世界之首。机车车辆利用率提高了 36%。 2000 年， 澳大利亚 山公司年利润达 500 亿澳元。 2001 年 6 月， 司开行了 总达 99734 吨重载列车，用 8 台机车牵引 682 辆运煤敞车，全长达 7300 m，创造了重载列车世界之最。南非在上世纪 70 年代末开始采用重载技术， 2000 年与 1980 年比，两条主要重载线 铁矿运量分别从 900 万吨提高到 2600 万吨和 1900 万吨提高到 6800 万吨。其它国家，如瑞典、巴西、挪威、俄罗斯和印度在重载铁路技术研究和应用方面也取得快速进展。由于铁路采用了重载运输技术取得了良好的效益， 1986 年 7月，在澳大利亚召开了第一届国际重载铁路技术、运营和管理方面的会议， 200多名专家出席了会议，会上气氛热烈，专家 们对大陆国家发展铁路重载运输给予了充分的肯定。现在国际重载委员会每隔 4 年召开一次国际铁路重载技术交流会 本世纪，北美、澳大利亚重载铁路的轴重将普遍采用 33 吨，甚至 35 吨，美国正在试验 39 吨轴重的可行性。 目前，缓解世界许多国家大中城市交通拥挤堵塞状况的另一个有效措施是城市轨道交通。这些轨道交通类型目前有 (1)城市市郊快速铁道 ;2)地下铁道 ;(3)轻轨交通 ;(4)单轨交通 ;(5)新交通系统 (由电器牵引，具有特殊导向、操纵和转辙方式的胶轮车辆， 单车和 数辆编组运行在轨道梁上的轨道运输系统 );(6)线性电机牵引的轨道交通系统 ; (7)有轨电车。城市轨道交通促进了城市向多中心发展，使城市的功能变得更加完善，商贸旅游变得更加活跃，有效地降低了城市污染和噪声。 从英国伦教建成第一条地下铁道以来，地下铁道己有一百多年的历史 。 地下铁道具有运量大、速度大、安全、准时等一系列优点。现在世界上己有 44 个国家和地区， 115 个城市修建了地下铁道，总运营线路 6000 多公里，主要集中在英国、法国、德国、瑞典、西班牙、俄罗斯、美国和口本，其运营里程占 42%。但由于地铁的建设费用庞大， 建设周期长，许多城市难以建设这项工程。但有轨电车运输系统造价相对较低。上世纪世界许多大城市以有轨电车作为主要交通工具。 1920 年，英国拥有 5000 辆有轨电车，美国拥有 公里线路，前苏联莫斯科 95%以上的客运任务是由有轨电车来承担的。口本到 1955 年，拥有有轨电车线路 1436 欧洲和我国的主要大城市，也建成有轨电车线路。后来，由于汽车工业的发展、普及以及使用的灵活性和方便，逐步取代有轨电车。但过度地发展汽车交通，导致大中城市汽车流量大，几乎所有的道 路拥挤不堪，汽车排放大量二氧化氮，严重污染城市环境。人们不得不寻求发展城市新的交通途径。在德国，首先改造城市有轨电车，考虑城市的己有的建筑和发展，部分线路可移植地下。这种线路叫做“半地铁”或“准地铁”或“过渡地铁”。在加拿大叫做“轻型快速轨道交通”，在口本叫做“轻快电车”。这种交通系统在全世界范围内得到较快的发展。 1978 年国际公共交通联盟正式命名为 三 章轨轮磨耗问题的发展概况 轨磨耗问题的研究进展 随着我国经济的高速发展，我国的铁路、城市轨道交通也 进入到了一个快速发展的时期，高速和重载己成为铁路运输业发展的主题。但随着客运列车运行速度的口益提高以及货运列车牵引重量的不断增加，轮轨系统的工况口趋复杂，轮轨磨耗问题口趋严重，每年都给铁路运输业造成巨大的经济损失，据铁道部统计，仅我国国家铁路每年因轮轨磨耗问题造成的经济损失就达数十亿人民币。 轮轨磨耗问题主要可分为两个方面 :轮轨的疲劳磨损和钢轨的波浪形磨耗 。 轮轨疲劳磨损问题主要表现为在车轮轮缘踏面和钢轨顶面内侧处的鱼鳞状裂纹、大面积剥离、塌陷、密集型斑脱及曲线钢轨的严重侧磨等。这些现象的出现不得不 使养护部门反复不断调边、打磨或更换钢轨及旋削轮对，大大提高铁路运营成本。并且这种破坏现象常常隐蔽地发生和发展，以至造成轮轨在工作过程中突然失效，即轮轴或钢轨断裂，酿成列车颠覆重大行车事故。 轮轨磨耗问题主要分为两个方面 :轮轨的疲劳磨损和钢轨的波浪形磨耗。 轮轨疲劳磨损问题通常表现为在车轮轮缘踏面和钢轨顶面内侧处的鱼鳞状裂 纹、大面积剥离、塌陷、密集型脱斑以及曲线钢轨的严重侧磨等，其中钢轨严 重侧磨为轮轨疲劳磨损的主要形式 浪形磨耗的研究现状及减缓措施 钢轨投入使用后，其踏面上出现的规律性凸 、凹不平现象被称为波浪形磨 耗 (简称波磨 )。波磨按其波长、特征以及出现部位的不同可分为三类，即 : 波长小于 100短波磨耗，波长 100 200中长波磨耗，波长大于 200长波磨耗。通常来说，在高速行车和小半径曲线地段，较为多见短波 波磨 ;在重载低速的线路上，则长波波磨的情况较多。在我国铁路上，基本上 都是长波波磨，并且波长具有较大随机性。根据波磨的形成和发展过程，波磨 可分为 :轨头磨损型，轨头塑流型，磨损、塑流混合型三种。磨损性波磨主 要表现为轨头不均匀磨损，它通常发生于诸如淬火轨等较 硬钢轨上，其轨头带 光滑，钢轨表面存在明显的磨损痕迹，峰谷颜色没有差异，沿轨顶宽度范围 内，波磨纵向轮廓完全相似。塑流性波磨主要表现为轨头不均匀塑性变形，它 是轨面受到过大垂直载荷而引起的轨面塑性变形而形成的，波谷位置常有明显的塑性变形，如飞边、压宽等等现象发生。混合性波磨主要表现为轨头不均匀磨损和不均匀塑性变形，是以上两个方面的综合。一般的波长确定机理指车体簧下质量在硬轨道上的激励，损伤机理指的是钢轨的各种损伤的形式， 出了 6 种形式的波磨，它们分别 为重载波磨 (轻轨波磨 (轨枕振动 (接触疲劳波磨 (车轮压痕 (波纹磨损 ( 有关钢轨波磨的成因，各国的铁路研究者曾提出各种不同的见解，主要可分为 :动力类成因理论和非动力类成因理论。前者认为轮轨系统振动使波磨产生，引起波磨的振动可分为自激、共振和反馈振动三类，波磨波长与轮轨系统中某一或者几种振动形式相关联。非动力类则认 为即使轮轨作用力是常值，也会因为不均匀塑性流动或者磨损等原因而形成波磨，波磨的波长是随机的。 非动力成因理论中，许多理论只可用于解释短波磨耗的成因，如残余应力、驻波、弹性波及超声波理论等 ;有些仅是对波磨形成的具体过程所进行的描述，如不均匀磨损和塑性变形理论 ;还有部分理论为强调波磨的影响因素， 如冶金性能、接触疲劳、液体动力磨损等。由于非动力类成因理论没有涉及轮 轨系统的动力作用，无法解释波磨出现地段、位置、波长和表面特征的差异， 同时也对波磨发展过程的描述也大多不够，波磨成因的最终解释只得归于轮轨 系统 振动分析。但现有动力类成因理论还有较多缺陷，主要表现为 :(1)注重 单一振动却忽略了相关振动影响。 (2)分析模型过于简单，无法研究轮轨系统 中多种振动形式发生祸合且相互激化的情况，难以解释波磨的多样性。 涉及轮轨系统中结构参数改变时的影响，因而难以指导从结构参数等方面采取 有效的减缓措施。 国内外学者虽然对波磨产生机理进行了大量深入研究，但对波磨的成因至 今认识不一，也没有对波磨预防提出有效的措施，各国公认的解决办法就是被 动的人工打磨钢轨 。钢轨打磨可使轮轨处于最佳的接触状态，从而减小轮对振 动，并使轮轨之间受力均匀。钢轨打磨可分为两类 :表面打磨 (修复性打磨 )和外形打磨(预防性打磨 )。修复性打磨是当钢轨波磨发展到一定程度时再对钢轨进行打磨，消除钢轨波磨，恢复轨面的平顺性 ;预防性打磨是当钢轨 尚未出现波磨的时候，对钢轨进行打磨，可消除钢轨表面原始不平顺，释放钢 轨表层在加工过程中的残余应力，有助延缓钢轨波磨的形成。传统的表面打磨 只是简单地将轨头磨平，外形打磨则是依据需要将轨头打磨成特殊形状，如图 1示，由表面打磨到外形打磨可谓是钢轨打磨的一次变革，是打磨理念的转 变。 钢轨打磨技 术起于上世纪五六十年代，发展到现在，钢轨打磨技术已发展为世界范围内重载、高速铁路线路的常规的养护维修技术，在世界各国的铁路养护维修中得到了普遍应用 美国、加拿大、南非、澳大利亚、俄国、英国、德国、法国、荷兰、日本等国均在大规模地应用钢轨打磨技术。我国也于上世纪八十年代引入了钢轨打磨技术，首先应用于大秦重载铁路。目前一些主要的铁路局也已配备钢轨打磨车，钢轨打磨技术正在逐渐成为一项基本的线路维护技术。研究资料表明，钢轨打磨可延长钢轨使用寿命 50%100%，打磨的经济效益十分显著。 面磨耗 的研究现状及减缓措施 钢轨侧面磨耗为一直存在于铁路上的重要问题，尤其是处于小半径曲线上 的钢轨，由于曲线钢轨对列车轮对的导向作用，车轮与钢轨产生相互间粘着、 蠕滑和滑动，轮轨磨耗和损伤十分严重。具体表现为曲线上股钢轨侧磨加剧， 导致几何形状发生改变，有效截面减小，影响运营安全，必须在钢轨磨损达到 一定限度前就更换钢轨，以保证列车运营安全。 钢轨侧面磨耗是不可避免的，目前世界各国对轮轨磨耗的研究方向主要是 采取相应的措施去降低它，综合当前的研究动态，现世界各国在减缓轮轨磨耗 方面采取的主要措施 有 :对轮轨型面的优化、对轮轨的润滑处理、对轮轨表面 进行热处理从而提高钢轨的材质以及改进机车车辆或轨道结构参数从而降低轮 轨间动载荷。 第四 章不同轮轨匹配对轮轨磨耗的影响 车轮型面指整个车轮的外形轮廓面 车轮踏面指车辆正常行驶中 ,车轮型面与钢轨接触到的范围 ,车轮突出的圆弧部分称为轮缘 ,二者是保持车辆沿钢轨运行 ,防止脱轨的重要部分 轮缘和踏面是和钢轨直接接触的部位 ,为了使轮对在钢轨上平稳运行 !顺利通过曲线 ,轮缘和踏面必须有合理的外形 由于各种轮缘踏面设计与制造的 几何外形尺寸的差异 ,因此各种车轮型面与钢轨配合时其轮轨接触状况均不相同 ,在相同的机车车辆上装配不同的车轮型面后 ,其轮轨磨耗状况差别很大 ,因而有必要对不同类型踏面与同种钢轨配合时的磨耗影响水平进行比较 内典型轮轨型面对轮轨磨耗的影响 形踏面和磨耗型踏面简介 目前我国铁路上较常用的轮对形式是锥型踏面轮对和磨耗型踏面轮对 其中锥形踏面由 1:20 和 1:10 的两段直线构成 ,形成圆锥形曲面 ,并因此得名锥形踏面 锥形踏面设计因素 :一是在直线上可以自动对中 ;二是在曲线上可以调整内外车轮的滚动圆半径 ,减少轮轨间的滑动 ,但是锥型踏面形状有一些共同的缺点 ;其一 ,不能保证一点接触 在轮对受到横向力时 ,车轮与钢轨之间呈两点接触状态 ,并发生突然冲击 ,通过曲线时 ,两接触点中至少有一点发生滑动 ,对轮缘磨耗非常不利 ;其二 ,踏面中部形状与钢轨头部的形状不匹配 ,特别是与磨耗以后的钢轨形状不一致 ,运用初期的踏面中部磨耗较大 在线路运营过程中 ,新的锥形踏面车轮在曲线区段发生轮缘及外轨侧面的剧烈磨耗 在车轮经过一段时间运用后 ,踏面呈磨耗状态 ,轮轨磨耗就逐渐减缓 因此不少国家的铁路部门把这种磨损后的车轮踏面定为标准形 ,并取名为磨 耗型踏面 ,从而达到减轻新轮新轨之间磨损的目的 由于磨耗后的踏面呈凹形 ,所以磨耗形踏面也称凹形踏面 随着高速铁路的发展 ,磨耗型踏面的优越性越来越明显 ,与锥形踏面相比 ,磨耗 型踏面有如下四个优点 :(1)减轻轮缘磨耗 ;(2)减轻踏面圆周磨耗 ;(3)改善钢轨的磨耗状况 ;(4)有助于提高曲线通过性能 磨耗型踏面的这些特点决定了其在世界各国高速铁路中推广应用的必然性 高速铁路将加快车轮的磨耗速率 ,并提高了潜在的脱轨危险性 ,使用磨耗型踏面可有效地缓解这些矛盾 目前世界上已建成的高速铁路大都采用了磨耗型踏面参考国外经验 ,我国高速铁路也均采用