重载铁路钢轨波浪形磨耗成因及打磨工艺优化

引言

随着重载铁路运输强度不断提升，钢轨承受的循环荷载显著增大，波浪形磨耗成为影响线路稳定性与运营安全的主要问题之一。该类磨耗不仅破坏轨面几何状态，还加剧轮轨振动与部件疲劳失效，严重制约钢轨全寿命利用。在此背景下，迫切需要从多维度精准识别磨耗机制，并通过合理打磨工艺实现早期干预与长效控制，确保钢轨性能稳定和线路运行经济性。

1.重载铁路波浪形磨耗基本特征

重载铁路钢轨波浪形磨耗是一种沿轨面纵向呈周期性起伏的非均匀磨耗形式，通常具有短波长、高频率、浅表层起伏显著等特点，主要出现在列车频繁加减速区、曲线半径较小路段及轨道结构刚度突变区域。其波形规律性强，波谷与波峰间磨损速率存在显著差异，导致轨面接触应力周期性波动，从而引发轨道系统动态性能退化。波浪形磨耗往往伴随明显的轮轨振动与异常噪声，形成过程具备自激自扩特性，一旦起始成形即易受轮轨接触动态耦合作用迅速扩展，直接影响列车平稳性、行车安全及钢轨寿命，需通过精准识别与工艺干预加以控制[1]。

2.波浪形磨耗的形成原因分析

2.1 动力学扰动与车轨耦合振动

在重载铁路系统中，列车运行过程中产生的垂向、横向与纵向振动通过轮轨接触点耦合传递至轨道结构，构成复杂的动力学响应体系。当地面结构刚度、轨枕支承状态、扣件系统阻尼特性存在差异时，轮轨系统的固有频率与激励频率发生重合，从而引发强烈的共振现象。该共振作用会使钢轨特定区段产生周期性冲击载荷，并在轨面局部区域形成应力集中，进而诱导出具有稳定波长的波浪形磨耗。动力学扰动还会导致轮轨接触点位置沿轨向反复偏移，致使能量密集作用于轨面某一频段，形成持续性磨耗路径。车轮与轨道系统之间存在的质量差、刚度突变与阻尼失衡是引发耦合振动的重要因素，也是波浪形磨耗周期性演化的动力源。

2.2 轨面材料性能与接触疲劳累积

钢轨在长期高频率轮轨载荷循环作用下，其表面材料会发生微观塑性变形、微裂纹萌生与扩展等接触疲劳行为，进而诱导波浪形磨耗的发展。钢轨材料的显微组织、硬度分布、残余应力状态及表层强化深度决定了其抗疲劳性能与耐磨性。在重载运行条件下，轨面反复受高接触应力冲击，若材料屈服极限低于实际接触载荷，将导致塑性流动与表层剥蚀现象发生，使得轨面逐渐形成周期性起伏结构。局部材料疲劳破坏使得接触刚度发生变化，进一步加剧轮轨动力耦合效应。特别是在热处理不均或轨面存在加工缺陷的情况下，疲劳损伤更易集中于薄弱区域，导致波形磨耗不断扩展。

2.3 轮轨界面摩擦状态与轨面污染

轮轨界面的摩擦状态直接决定了接触区的应力分布模式与能量传递路径，是影响轨面磨耗形态的关键变量。在重载线路上，由于频繁制动、启动及曲线运行，轮轨之间存在高强度相对滑动，极易形成局部粘滑现象。若界面摩擦系数不稳定，将使轨面受力区呈现非对称变化，诱发周期性磨耗。轨面污染物如铁锈、油脂、水膜及粉尘会改变真实接触面积及润滑状态，导致滑动比例增加，进而促进非均匀磨耗的发生。同时，制动热作用引起的表面氧化与软化也会降低材料耐磨性，导致轨面形成粘附层或剥落坑洼，为波浪形磨耗提供微观起始点[2]。

3.钢轨波浪形磨耗的打磨工艺优化

3.1 基于动力学干扰控制的打磨工艺优化

为有效抑制车轨耦合振动引发的波浪形磨耗，应优先优化轨面打磨参数以打破系统共振耦合路径。在实际打磨作业中，需依据轨检车监测数据识别磨耗主频区间，通过傅里叶变换提取波长谱密度，并选取对应频率带宽的切削策略。研究表明，当磨耗波长集中于 30～60mm 范围内时，可采用细波段打磨方式进行高频浅切处理，推荐切削深度控制在 0.2～0.4mm 之间，以有效削弱频域能量集中。针对存在高阶模态响应的轨段，建议采用振动同步式打磨车，实现切削节距精确匹配动态冲击频率，从而形成主动干扰效应。对于振动边界频率在 300～800Hz 之间的钢轨区域，选用陶瓷结合剂砂轮、线速度维持在 60～80m/s ，可显著提升轨面切削一致性。为提高整体干扰效果，打磨频次应控制在 20~30 万总通过吨一次，防止轨面形成稳定波形基底，从而实现动态源头削弱目标[3]。

3.2 基于材料疲劳机制的轨面修复优化

考虑钢轨接触疲劳过程中的材料累积损伤特性，打磨工艺需精准适配轨面金属组织状态与硬化层深度，实现疲劳源区的有效削除而不破坏母材强度结构。针对典型 U75V 热处理钢轨，其表层硬化深度一般控制在 24mm 范围内，疲劳微裂纹主要分布于 0.5～1.5mm 的浅层区域。基于此特征，推荐采用多段渐进式打磨策略，将总切削深度分为两至三次完成，每次不超过 0.6mm ，避免应力骤变造成二次疲劳裂纹扩展。为改善磨后组织性能，应控制磨削温升不超过 120^∘C ，避免热影响区组织退火。砂轮粒度建议选用 4660 目，硬度为 JL 级，结合剂以树脂或陶瓷为宜，确保金属切削率与表面质量平衡。此外，在重载曲线半径小于 600m 区段，应辅以轨面应力释放工艺，如超声冲击或激光强化处理，使疲劳源区组织重新固化，提升后续使用稳定性。

3.3 基于轮轨摩擦调控的综合打磨方案

轮轨界面摩擦状态显著影响波浪形磨耗的形成与扩展，因此打磨工艺应与摩擦管理系统协同实施，构建动态可控的界面环境。在打磨前阶段，建议采用高压干式喷砂系统清除轨面油膜与污染物，喷砂粒径控制在0.5～1.0mm ，喷射压力不低于 0.6MPa ，以保证切削面纯净度。打磨过程中，应在磨后轨面形成微纹理结构，平均粗糙度 Ra 控制在 2.0～3.5μm 之间，以增强摩擦界面粘附性能。打磨后阶段需立即喷涂防腐涂层或抗污染剂，如石墨基摩擦控制材料，喷涂量控制在每米 0.05～0.08L ，防止环境因素造成表面状态劣化。对于制动频繁区段，应联动轨旁摩擦管理装置（如喷油器或固态摩擦剂投放系统），实时调节摩擦系数于 0.35~0.45 范围内，确保粘滑稳定。

4.结语

重载铁路钢轨波浪形磨耗成因复杂，涉及动力扰动、材料疲劳与摩擦环境多重机制。针对性优化打磨工艺，需在控制振动源、适配材料特性与稳定轮轨摩擦状态方面形成系统方案。通过精细化、分区化、协同化的磨削策略，能有效抑制波浪形磨耗扩展，提升钢轨服役性能与线路运维效率。

参考文献

[1] 白志强. 重载铁路钢轨疲劳损伤治理及预防研究[J]. 能源科技,2025,23(03):75-80.

[2]杨光,李闯,李晨光,等.高速铁路钢轨轨端不平顺劣化原因分析[J].高速铁路新材料,2024,3(03):15-19.

[3]杨光,刘丰收,成棣,等.高速铁路钢轨磨耗对动车组动力学性能的影响[J].铁道建筑,2023,63(12):46-50.

作者简介：

姓名：宋杨，性别：男，出生年月:1995 年 11 月，民族:汉，籍贯:黑龙江省青冈县，学历:本科，研究方向:铁道工务。