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| 內容簡介： |
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《轮轨关系技术手册（上册）》是一本关于轮轨关系理论和应用的技术手册，较为详尽地阐述了轮轨关系中接触、摩擦、磨损、疲劳、振动和噪声等方面的发展动向与研究成果。《轮轨关系技术手册（上册）》分为上、下两册，上册主要介绍轮轨关系的基本理论和研究方法等，下册主要介绍欧洲、北美和日本等铁路技术发达国家和地区在现 场轮轨关系运维、管理方面的成功经验等。
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目录(上册)第1章 轮轨关系研究导论 11.1 历史与现状 11.1.1 铁路运营发展史.11.1.2 轮轨接触理论发展史 21.1.3 材料发展史 21.1.4 现状 31.2 轮轨关系中的现象 41.2.1 引言 41.2.2 轮轨关系 41.2.3 列车–轨道相互作用 61.2.4 损伤机理 71.2.5 安全问题 81.2.6 环境问题 91.2.7 运行控制、状态监测和维护 91.2.8 管理问题和成本 101.3 研究领域 101.4 应用 121.4.1 大轴重 121.4.2 高速度 121.4.3 地铁交通 131.4.4 双层材料 131.5 正在进行的研究、进展和标准化工作 141.5.1 INNOTRACK项目 141.5.2 颗粒物排放 161.5.3 轮轨型面优化 161.5.4 欧洲轮轨标准 171.5.5 互通技术规范 171.6 系统问题和优化 181.6.1 转向架类型与轨道*率匹配 181.6.2 高速列车中的RCF 181.6.3 LL 刹车片 191.7 未来发展趋势 191.8 更多信息和建议来源 211.8.1 期刊和教科书/手册 211.8.2 会议 211.8.3 网络和期刊数据库 221.8.4 组织机构、行业部门、咨询机构、研究团队和网络 221.9 致谢 22参考文献 22第2章 轮轨接触中的摩擦学基础 272.1 引言 272.2 接触力学 282.3 磨损 322.3.1 磨损情况 332.3.2 磨损机理 342.3.3 磨损率和转换 372.3.4 磨损建模与描绘 382.4 疲劳 392.4.1 钢轨和车轮疲劳 392.4.2 磨损和疲劳的相互作用 412.5 黏着 43参考文献 45第3章 轮轨接触力学 483.1 简介 483.1.1 轮轨几何学 493.1.2 接触斑 503.2 一般接触建模 523.2.1 简介 523.2.2 法向加载接触 543.2.3 切向加载接触 603.3 轮轨接触分析 623.3.1 简介 623.3.2 数值方法比较 663.4 铁道车辆动力学计算机仿真工具 713.4.1 接触条件和蠕滑力仿真.713.4.2 对车辆动力学的作用.723.4.3 当前的计算机软件包.733.5 未来趋势 753.6 进一步信息和建议的资源 75参考文献 76第4章 轮轨界面摩擦磨损的仿真 794.1 引言 794.2 单点观察法 804.3 磨损图和转换图 814.4 摩擦模型 844.4.1 纯滑动和振动接触的常见摩擦模型 844.4.2 黏性摩擦模型 864.4.3 库仑和黏性摩擦组合模型 874.4.4 小位移时的摩擦 894.4.5 Dankowicz摩擦模型 894.4.6 随机摩擦过程 914.4.7 摩擦模型总结 914.5 磨损仿真 924.5.1 **摩擦模型 934.5.2 滚动滑动接触中的滑动磨损 944.5.3 单点观察法在磨损仿真中的应用 954.5.4 把磨损作为一个初值过程 974.5.5 滚动和滑动接触中磨损模型的数值积分 974.5.6 确定相互作用滚子的磨损 984.5.7 确定压力分布 1014.5.8 磨损仿真总结 102参考文献 103第5章 钢轨材料 1055.1 引言.1055.1.1 历史回顾 1055.1.2 随后的钢轨发展 1065.2 珠光体 1065.2.1 钢轨生产 1065.2.2 经空冷形成的珠光体普通碳素钢和珠光体低合金钢 1095.2.3 更高强度的珠光体等级 1165.2.4 珠光体组织的加工硬化 1175.3 道岔用奥氏体钢轨 1185.4 钢轨焊接 1185.5 珠光体钢轨的磨损和滚动接触疲劳 1205.6 贝氏体钢轨 1265.7 钢轨材料的最新发展1355.7.1 在原奥氏体晶界处无碳化物的过共析高碳的轨钢 1355.7.2 “双材料”钢轨——有覆层的轨头 1365.8 结论.137参考文献 137第6章 铁道车轮磨耗 1436.1 简介.1436.2 车轮磨耗过程 1446.3 车轮磨耗的摩擦学问题 1456.3.1 磨耗试验 1456.3.2 磨耗机理 1476.3.3 磨耗过渡 1506.3.4 磨耗图谱 1526.3.5 磨耗建模 1566.4 轮轨接触力学及其对车轮磨耗的作用 1576.4.1 法向问题 1586.4.2 切向问题 1596.4.3 轮轨型面对接触力学的作用 1606.5 车轮均匀磨耗建模因素及研究现状 1636.5.1 均匀磨耗建模因素 1636.5.2 研究现状 1646.6 减少均匀磨耗的措施 1656.6.1 摩擦调节器的使用 1666.6.2 抗磨耗车轮型面 1676.6.3 车辆设计 1676.6.4 车辆动力学主动控制 1686.7 结论 169参考文献 170第7章 铁路车轮疲劳 1757.1 概述.1757.1.1 背景 1757.1.2 问题的描述 1767.1.3章节概述 1767.2 车轮疲劳的现象和机理 1767.2.1 疲劳 1767.2.2 车轮疲劳的类型 1777.2.3 次表面滚动接触疲劳 1807.2.4 表面滚动接触疲劳 1827.2.5 热损伤 1837.3 车轮疲劳的预测方法1857.3.1 次表面滚动接触疲劳 1857.3.2 表面滚动接触疲劳 1877.3.3 热疲劳 1907.4 影响车轮疲劳的其他相关因素 1917.4.1 轨道几何 1917.4.2 波磨和车轮不圆 1927.4.3 单轨不平顺 1937.4.4 车轮磨耗 1957.4.5 材料特性 1967.5 结论.1987.5.1 已知和未知 1987.5.2 未来发展趋势 1997.6 进一步信息来源和建议 2007.7 致谢 200参考文献 200第8章 车轮不圆 2048.1 引言 2048.2 车轮不圆的分类和量化 2048.2.1 踏面局部损伤——车轮扁疤 2058.2.2 踏面局部损伤——滚动接触疲劳 2068.2.3 车轮多边形 2068.2.4 由踏面制动引起的车轮粗糙度 2078.2.5 车轮不圆度测量 2088.2.6 粗糙度水平谱 2098.2.7 阶次谱 2108.3 车轮踏面局部损伤 2118.3.1 现场试验 2118.3.2 车轮冲击载荷检测器 2148.3.3 报警限值 2168.4 由踏面制动引起的车轮粗糙度 2188.4.1 热弹性不稳定和踏面制动 2188.4.2 滚动噪声 2198.4.3 降低车轮粗糙度的策略 2228.5 车轮不圆影响仿真分析 2228.5.1 数学模型和计算机程序 2238.5.2 车轮长期不规则磨损仿真 2278.6 相关研究资源 2298.7 致谢.229参考文献 229第9章 钢轨表面的疲劳和磨耗 2359.1 引言.2359.2 钢轨滚动接触疲劳 2379.2.1 轨头斜裂纹——详细说明 2389.2.2 基本机理 2409.3 试验研究 2449.3.1 室内试验研究 2449.3.2 现场和全尺寸轨道试验研究 2459.4 裂纹扩展速率的计算 2469.4.1 断裂力学 2469.4.2 应力强度因子计算方法 2479.4.3 裂纹扩展法则 2499.5 裂纹分叉预测 2509.6 钢轨磨耗 2519.6.1 概况 2519.6.2 钢轨磨耗和磨耗–疲劳相互作用 252参考文献 255第10章 钢轨钢中珠光体显微组织的演变和失效——观测和建模 26210.1 引言 26210.2 显微组织演变和失效的观测 26310.2.1 服役钢轨的观测数据 26310.2.2 试验中的观测数据(双盘试验等) 26710.2.3 关键显微组织特性的概述.27710.2.4 进行中的金相工作 27810.3 建模 28010.3.1 材料对循环加载的响应 28010.3.2 安定极限 28110.3.3 棘轮效应下的材料失效 28210.3.4 对因棘轮效应所致显微组织演变的建模分析 28210.3.5 因棘轮效应所致的磨损 28410.3.6 滚动接触疲劳裂纹的萌生 28510.3.7 磨损–疲劳的相互作用 28610.4 结论 28710.5 致谢 28810.6 术语 288参考文献 288第11章 钢轨波磨 29411.1 引言 29411.2 波磨分类 29511.3 重载波磨 29811.3.1 特征 29811.3.2 成因 29911.3.3 整治措施 29911.4 轻轨波磨 30011.4.1 特征 30011.4.2 成因 30011.4.3 处理措施 30111.5 P2 力共振波磨 30111.5.1 特征 30111.5.2 成因 30111.5.3 处理措施 30311.6 车辙波磨 30311.6.1 特征 30311.6.2 成因 30411.6.3 处理措施 30611.7 响轨波磨/pinned-pinned共振 30611.7.1 特征 30611.7.2 成因 30711.7.3 处理措施 30811.8 特定轨道类型形式的波磨 30911.8.1 特征 30911.8.2 成因 30911.8.3 处理措施 31011.9 结论与建议 31111.10 致谢 313参考文献 313第12章 钢轨焊接接头 31712.1 引言 31712.2 钢轨焊接工艺 31812.3 钢轨焊接接头和伤损形成 31912.4 钢轨焊接不平顺及其对轮轨界面的动态影响 32312.5 钢轨焊接接头几何评估；荷兰钢轨焊接
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第1章轮轨关系研究导论 R.LUNDEN，瑞典查尔姆斯铁路力学卓越中心； B.PAULSSON，瑞典铁路基础设施管理局 摘要：轮轨关系的良好性能对于铁路运输极为重要。因此，轮轨关系已成为全世界跨学科研究的一个努力方向。作为以下20章内容的背景介绍，本章不仅简要描述了轮轨关系的研究历史，而且叙述了轮轨关系的发展现状。所探讨的主要内容包括涉及成本、安全、维护、可靠性、环境和能源消耗等方面的接触应力、接触摩擦和损伤机制。介绍了当前轮轨关系的主要研究领域，并列举了四个应用实例。此外，还介绍了一些正在进行的项目、为标准化所做出的努力以及制定标准的活动，列出了一些未来的研究发展趋势，还提供了一些信息来源。特别强调，必须将轮轨关系当作列车-轨道系统的一部分进行研究，这意味着应在系统层面实施全局优化。 关键词：铁路研究；轮轨关系；列车-轨道相互作用；接触力学；信息源 1.1历史与现状 1.1.1铁路运营发展史 自从18世纪以来，人们就开始在铸铁轨上使用带轮缘的车轮了，这种运行方式使设计带道岔的轨道系统成为可能。19世纪30年代，人们提出了带有游隙的锥形踏面车轮，这使得车轮在直线轨道上运行时不会造成轮缘与钢轨的接触。英国铁路先驱George Stephenson和Isambard Kingdom Brunei都对这种锥形设计的导向机制进行了解释。 世界上**条配有机车且提供定期运输服务的铁路线于1825年在英国开通。在接下来的几十年里，世界上许多国家都启动了大型铁路建设项目。其中，地广人稀的瑞典铁路建设就是这轮发展中的一个实例。该国**条连接斯德哥尔摩和哥德堡的长途铁路线于1862年建成。在19世纪的前10年，列车速度通常不超过60km/h，轴重约为10t和采用30kg/m钢轨。在1905～1915年，铁路运输速度达到了90km/h。到了1946年、1948年、1983年和1990年，*高速度则分别提升到了l20km/h、130km/hi、160km/h和200km/h（X2摆式列车）。就轴重而言，1905年采用的轴重为13～14t，到了20世纪40年代，轴重提高到了17t，这一指标在20世纪60年代更是提升到了22tW。 位于端典北部和挪威的铁矿石专线于1899年开通。当时的轴重为lit，随后逐渐增加到了1950年的18t、1965年的25t和2000年的30t[2-4]。瑞典在铁路领域的其他主要发展还体现在：19世纪80年代的真空制动，从1915年至今的电气化，以及20世纪20年代的空气制动和滚动轴承。**批车轮采用的是木制轮芯，后来的轮芯被锻钢辐条取代。在20世纪20年代，轮辋被装配到钢辐条上。在20世纪60年代，锻制实心轮用于货运列车。在端典，钢轨逐渐升级为41kg/m、43kg/m、50kg/m和最终的60kg/m。有关轮轨发展的更多历史，请参阅Wise、Koerfer和Profillidis的论文或著作。 世界**辆高速列车是1964年在日本投入使用的新干线高速列车，当时的*高行驶速度是210km/h？1981年，法国高速列车（TGV）投入使用，其速度可达260km/h，TGV目前的日常旅客运输速度在300～320km/h。澳大利亚和美国重载运输目前所采用的轴重是30t、35t甚至髙达40t。法国髙速列车TGV在2007年4月创下了当今高速列车的*高运行速度纪录，即574.8km/h。 1.1.2轮轨接触理论发展史 就轮轨关系而言，具有划时代意义的科学突破发生于19世纪80年代。HeinrichHertz凭借其在弹性接触方面的成就享有很高的声誉。1881年，他在一篇论文中提到了轮轨接触问题，他的理论后来很快在铁路工程领域得到了应用。Hertz接触假设在分析轮轨相互作用和车辆动力学时仍然很常用。Joseph Valentin Boussi-nesq在1885年所做的工作为比较复杂的弹性接触数值分析奠定了基础Jo-hann Klingel在1883年*次对轮对蛇行运动进行了数学分析。Frederick Carter则在1926年用数学公式描述了轮轨蠕滑这一概念。August Wohler在19世纪50年代*次开展了铁路车轴疲劳研究工作。Gustaf Lundberg和Arvid Palmgren在1947年发表了关于滚动接触疲劳基本理论的论文，该理论后来被应用于滚动轴承的分析JoostKalker在通用弹性接触力学领域以及Ken L.Johnson在弹塑性滚动接触力学领域所做的重大科学贡献使车辆动力学和接触力学现代数值分析成为可能。关于这方面的更多内容请参见：Iwnicki编著的《轨道车辆动力学手册》_第2章中由Alan H.Wickens撰写的历史资料和Klaus Knothe*近发表的文章。在20世纪50～70年代，Tabor和Archard等在摩擦和磨损机理领域同样做出了重要贡献。 1.1.3材料发展史 从小规模的生铁产出开始，钢材生产在19世纪下半叶取得了重大进展[141o利用贝塞麦酸性转炉法（1855年）可生产出钢锭。利用马丁平炉法（1869年和1890年）可使用废铁炼钢，并可大幅降低钢中硫和磷的含量。随后在20世纪60～70年代，钢材生产又有了重大进展。二次冶金工艺的应用能够进一步减少钢中的硫、磷和其他污染物。通过真空脱气能够降低钢中氢含量，以及通过添加少量钒或铝能够细化晶粒。铸锭现在已很大程度上被连铸所取代。随着人们对非金属夹杂物及其对疲劳和断裂性能影响的认识不断加深，加上现代材料分析技术和无损检测方法的应用，当今车轮和钢轨的材料质量达到了一个很高的水平。 1.1.4现状 列车更高的运行速度和轴重使轮轨关系的运用环境更加苛刻，不过现在的形势不止于此。随着科学技术的迅猛发展，计算机数值模拟、通信系统、控制系统和数据采集系统从20世纪80年代开始就已经全部应用于铁路行业，改善了牵引和制动的黏着控制，使轮轨关系性能得以更好地利用。但不幸的是，这种发展通常还伴随着各种新问题的产生。在仿真领域，数值方法可以处理更高级的模型，并且可以整合与优化多个建模领域。然而，轮轨滚动接触相关的问题的综合分析还有待计算机容量和速度的进一步提升。对于状态监控来说，数据采集和计算机决策方面新的可能应用是很容易实现的。 欧洲铁路研究咨询委员会（ERRAC，www.errac.org）在2002年发表《2020年战略性铁路研究议程》（SRRA2020）。该议程在2007年进行了修订，其包括一些新的挑战，如气候变化和全球变暖，这些新挑战使铁路成为一种更具吸引力且亟须替代的运输方式。铁路也应满足市场需求，根据SRRA的市场需求评估结果：从2000年到2020年，欧洲旅客周转量将增加100%，吨-千米货运量将增加200%。SRRA突出强调了一些关键的行之有效的技术，并且需要从以下五个基础领域对本技术进行研发：①铁路互通性；@智能移动；③安全和安保；④环境;⑤新型材料和制造方法。所提到的轮轨关系就是一个重要的研究领域。ERRAC是欧洲铁路行业、欧洲委员会和欧盟成员国发起的，为复兴欧洲铁路行业，通过在欧洲层面上增加创新和研究投入使其更具竞争力。 总之，铁路行业的现状就是更高的运行速度和轴重、技术快速发展以及对铁路运输质量和数量的较大需要，这种现状给深入研究轮轨关系带来巨大挑战。该行业内还有许多未解决的问题以及可改进和创新空间，它们不仅促使降低生产、维护、运营和环境成本，而且有助于全面提高铁路运输的安全性和品质。由于铁路的运行寿命非常长，当前必须把未来10年、20年，甚至30年里可预见的技术需求考虑在内！成功的关键在于铁路、工业、咨询机构、高校和政府部门在规划、开展并实现相关研究方面及培养新一代工程师和研究人员方面通力合作。 1.2轮轨关系中的现象 1.2.1引言 轮轨硬表面间的低能量损耗形式的滚动接触使铁路运输成为一种髙能效的运输方式，但是这种低能量损耗形式的滚动接触只有在接触斑非常小的情况下才能实现。这种轮轨接触形式可能还会引起一些不希望发生的现象，见图1.1。较高的垂向接触力以及横向和纵向力都会引起应力，这些应力会进一步造成材料屈服和材料疲劳。滚动接触力则与摩擦力结合起来造成磨损。牵引和制动会引起车轮空转或滑行，车轮滑行进而会导致轨道灼热、车轮擦伤、不利的材料相变和热裂纹。这些现象又会造成轮轨不平顺及/或轮轨几何型面磨损，从而使车辆动力性能降低，接触力以及振动和噪声增加。最终的结果可能是让旅客感到不舒服，在给旅客和周围环境带来干扰的同时，还增加了车轮、轨道以及其他部件的维护成本。如果情况严重，甚至会因车轮或轨道断裂、轮缘在轨道上爬升而引发脱轨事故。 1.2.2轮轨关系 图1.2展示的是一个新的或刚刚经过维护的典型轮轨界面以及受到磨损的车轮侧面。 通常，原始型面会满足某些标准或规定，如1.5节所述，具体情况视相关用途而定。对于垂向接触力为lit的崭新标准轮轨型面来说，其典型接触斑一般为椭圆形，其尺寸为18mm（纵向）xllimn（横向）。而对于受到磨损的型面，其接触斑则更接近于圆形。车轮踏面的锥度决定了轮对的转向能力，因此成为确定轮对和转向架运行稳定性的一个重要因素。根据国家规定，轨底坡位于1.5°～3°。车轮踏面和轨头型面*优化问题将在1.5.3节以及其他几章中进行探讨。 由于轮轨界面的摩擦特性在很大程度上取决于天气和污染情况，因此很难对其进行描绘和量化。摩擦系数会在0.08～0.50进行变化，这就自然而然地给可能的牵引和制动作用力施加了一个限制。低摩擦可能导致制动过程中车轮滑行，并对未配备滑行保护装置或滑行保护装置发生故障的车辆造成车轮擦伤。高摩擦则需要消耗较多能量，还会过度磨损车轮和钢轨。控制摩擦的传统方法包括撒砂以及在*线上对轮缘角距或轨距进行润滑。*近几年，业界引入了摩擦改进剂，其目的是改变摩擦系数并定制黏着特性*线丨摩擦力是关于轮轨蠕滑的函数）以解决某个特定问题。在本书中，有几章内容是专门描述轮轨摩擦问题的，见第2、4、14和17章。 在欧洲，锻造实心轮或安装在轮心上的滚制轮几乎都是专用的。材料是碳钢，一般通过废钢加工和连续烧铸并与适量猛一起铸成合金。车轮所采用的材料都是标准化的，见1.5.4节。*常见的欧洲车轮材料被命名为ER7，其*高含碳量和*高含锰量分别为0.52%和0.80%，极限拉应力在820～940MPa。对于特定用途，则使用低合金钢。 锻造火车轮的制造工艺包括锻造、乳制、热处理、硬度测量、机械加工和超声波检验。轮辋冷却淬火这种热处理方式会形成一种层状珠光体微观结构，这种结构具有优良的韧性、强度和耐磨性。这种热处理还会在轮缘上产生周向残余压应力，抑制横向裂纹的扩展。通过铸造方式制成的车轮主要分布在北美、南非和澳大利亚地区，主要用于货运。所采用的含碳量约为0.70%的材料遵守美国铁路协会（AAR）标准。较高的含碳量可提高材料强度，但也会降低材料韧性，使材料对热冲击更加敏感。在本书各章节中，未将任何轮对技术考虑在内。请参阅1.8.2节获取更多信息，其中包括文献[18]“国际竞载大会”和文献问中提到的部分历史文档。 钢轨由连铸坯制成。在欧洲，*常见的钢轨材料是R260（曾用名UIC900A）o该材料的含碳量是0.62%～0.82%，含锰量则为0.70%～1.20%，并且其极限拉应力*低值为880MPa，详见1.5.4节所列出的相关标准。另外，轨头热处理钢轨的使用越来越广泛（R350HT和R350LHT）。这里提到的材料均具有珠光体微观结构。关键的铁路侧线和道岔口零件通常用锸钢制成丨13%锰）。在制造过程中，需使用连续自动超声波检验技术检查钢轨缺陷。更多详情请参阅文献[18]和[19]，以及第5章。 车轮和钢轨的近代发展涉及清洁材料、更好的过程控
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