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《轮轨关系技术手册（下册）》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（下册）》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 (下册) 第14章 污染物对磨损、疲劳和牵引力的影响 1 14.1 引言 1 14.2 污染物 2 14.2.1 落叶 2 14.2.2 固体颗粒物 3 14.2.3 水 8 14.2.4 油或油脂 9 14.3 摩擦调节剂 10 14.4 讨论 12 14.5 结论 14 参考文献 14 第15章 轮轨表面损伤对车辆动力学性能的影响 17 15.1 影响车辆动力学性能的轮轨表面损伤分类 17 15.2 轮轨横截面廓形磨耗对动力学性能的影响 18 15.2.1 轮轨型面的磨耗范围 18 15.2.2 轮轨磨耗对导向性能和稳定性的影响 20 15.2.3 轮轨磨耗对*线通过性能的影响 22 15.2.4 磨耗对爬轨的影响 24 15.2.5 车轮凹磨和不对称磨耗的影响 24 15.2.6 磨耗对道岔通过动力性能的影响 25 15.3 钢轨波磨的影响 25 15.4 车轮不圆度的影响 27 15.5 车轮和钢轨局部损伤的影响 28 15.6 结论 30 参考文献 31 第16章 轮轨接触产生的噪声和振动 33 16.1 引言 3316.2 噪声与振动基础 34 16.3 滚动噪声 36 16.3.1 表面粗糙度 36 16.3.2 车轮与轨道动力学 37 16.3.3 噪声辐射 41 16.4 滚动噪声降低 42 16.4.1 车轮光滑化 42 16.4.2 钢轨光滑化 42 16.4.3 车轮优化设计 43 16.4.4 轨道优化设计 44 16.4.5 屏蔽措施 45 16.5 冲击噪声 46 16.6 *线啸叫 47 16.6.1 啸叫噪声的产生机理 47 16.6.2 啸叫噪声降低 49 16.7 地面振动和经大地传播的噪声 50 16.7.1 振动现象概述 50 16.7.2 地面铁路产生的经地面传播的振动 51 16.7.3 列车在隧道中产生的经大地传播的噪声 53 16.8 结论与未来发展趋势 56 16.9 更多信息和建议来源 57 参考文献 57 第17章 黏着和摩擦调节剂 61 17.1 引言 61 17.2 摩擦系数、黏着系数和制动距离 63 17.3 摩擦调节剂 68 17.4 可能的轮轨接触低摩擦模型 71 17.5 未来发展趋势 73 参考文献 73 第18章 轮轨绝缘 77 18.1 引言 77 18.1.1 轨道电路 77 18.1.2 轮轨绝缘问题 78 18.1.3 轨道电路种类 78 18.2 轮轨接触中的第三介质 7918.3 绝缘试验 81 18.3.1 动态试验方法 81 18.3.2 静态试验方法 82 18.3.3 轨道电路模拟 83 18.4 污染物对绝缘的影响84 18.4.1 砂子 84 18.4.2 落叶 88 18.4.3 固体摩擦系数调节剂 89 18.5 建模方法 91 18.5.1 被砂子隔离的轮轨接触面 91 18.5.2 轮轨接触面局部接触 93 18.5.3 电离散单元模拟方法 93 18.6 结语 94 参考文献 94 第19章 轮轨接触形成的气载颗粒物 96 19.1 引言.96 19.2 背景.97 19.3 浓度.97 19.4 颗粒物特性和来源 100 19.5 扩散性 108 19.6 健康影响 110 19.7 应对措施 111 19.8 发展趋势 115 参考文献 116 第20章 轮轨接触表面的养护和维修 120 20.1 引言 120 20.2 摩擦系数的重要性 121 20.3 钢轨和车轮横断面轮廓的日常维护 122 20.3.1 钢轨 122 20.3.2 车轮 127 20.3.3 横断面轮廓测量 131 20.3.4 维护周期 133 20.4 钢轨纵向和车轮周向轮廓的日常维护.134 20.4.1 钢轨(消除波磨和控制噪声) 134 20.4.2 车轮：消除圆周不平顺 13620.4.3 钢轨波磨和车轮不圆度测试 137 20.5 “纠正性”维护 138 20.6 轮轨养护维修展望 140 20.7 信息来源和进一步建议 141 参考文献 142 第21章 轮轨关系相关的基础设施成本预测模型 144 21.1 引言 144 21.2 轨道劣化模型 145 21.2.1 基本模型 145 21.2.2 一般考虑和假设 146 21.2.3 主要数学模型 147 21.2.4 轮轨垂向动态载荷模型 150 21.3 仿真工具和数据输入.150 21.3.1 仿真计算工具DeCAyS 151 21.3.2 仿真计算轮轨横向力和磨损指数 151 21.3.3 轨道参数 152 21.3.4 车辆和运行数据 152 21.4 成本模型的校准 153 21.4.1 原理 153 21.4.2 校准程序 154 21.5 示例结果 155 21.6 结论和发展趋势 157 参考文献 157 附录 1：注释 158 附录 2：车轮垂向动态载荷模型 160 第22章 轮轨界面管理：恶劣环境下对铁路基础设施的维护——瑞典的经验 162 22.1 引言 162 22.2 Malmbanan(瑞典运矿铁路线)的概述 163 22.2.1 线路运营 163 22.2.2 港口 164 22.2.3 码头 164 22.3 机车车辆 164 22.3.1 矿山位置 165 22.3.2 车辆性能 16722.3.3 车辆检修方法 169 22.4 列车控制系统 169 22.5 基础设施配置 169 22.5.1 轨头龟裂 171 22.5.2 剥离 171 22.5.3 剥离掉块 171 22.5.4 波磨 172 22.5.5 塑性变形和肥边 172 22.5.6 下部结构 173 22.5.7 桥梁 174 22.6 电力系统 174 22.7 轨道检修 175 22.8 检修，轮轨关系 176 第23章 伦敦地铁：维多利亚线轮轨接触面管理经验 178 23.1 维多利亚线及其历史的轮轨接触问题简介 178 23.2 维多利亚线升级 179 23.3 轮轨接触面监测 179 23.4 润滑管理 183 23.5 轮轨接触面问题 185 23.6 未来的工作计划 188 23.7 结论 189 参考文献 190 第24章 加拿大轮轨关系管理经验 191 24.1 引言 191 24.2 加拿大太平洋铁路公司轮轨关系管理的经验 192 24.2.1 控制轮轨磨耗的管理方法 193 24.3 卡地亚铁路公司——优化自备铁路 197 24.4 温哥华轻轨铁路的若干轮轨问题 199 24.5 埃德蒙顿轻轨系统的车轮寿命和乘坐舒适性 200 24.6 加拿大货运铁路车轮踏面剥离问题 201 24.7 加拿大国家铁路公司——因地制宜进行钢轨打磨 203 24.8 总结 204 参考文献 205 第25章 轮轨接触关系管理——美国的经验 207 25.1 引言 20725.2 轮轨材料 209 25.3 轮轨廓形 210 25.4 轮轨表面伤损 212 25.5 润滑及摩擦管理 214 25.6 状态监测 215 25.7 结论 216 参考文献 216 第26章 轮轨接触关系管理——日本的经验 220 26.1 引言 220 26.2 滚动接触疲劳 222 26.2.1 影响因素 222 26.2.2 裂纹扩展 223 26.2.3 预防性打磨 226 26.3 磨耗 233 26.3.1 轮轨磨耗型面 233 26.3.2 轮轨磨耗实验室模拟实验 237 26.3.3 轮轨磨耗对车辆--轨道系统相互作用的影响 239 26.4 波磨 241 26.4.1 *线区段短波波磨 241 26.4.2 盐水环境隧道中直线区段长波波磨 245 26.5 黏着 249 26.5.1 轮轨接触表面摩擦系数 249 26.5.2 潮湿条件下的轮轨黏着 252 26.6 润滑 256 26.6.1 润滑对车辆--轨道系统的影响 256 26.6.2 摩擦管理系统 259 参考文献 263 第27章 澳大利亚轮轨关系管理经验 270 27.1 引言 270 27.2 轮轨磨损和润滑 271 27.3 钢轨波磨 274 27.4 钢轨接触疲劳和热牵引导致的伤损 276 27.5 通过轮轨廓形管理控制轮轨相互作用 282 27.6 钢轨打磨 284 27.7 摩擦管理 28627.8 轮轨材料 288 27.8.1 机械性能和材料 288 27.8.2 设计 290 27.9 结论 293 参考文献 293 第28章 荷兰轮轨关系管理经验 296 28.1 引言 296 28.2 钢轨养护维修的优化.297 28.2.1 定制化 RCF 养护维修计划的制定 301 28.2.2 RCF 处理流程重新设计 302 28.2.3 RCF 养护维修计划 302 28.3 车轮养护维修的优化.305 28.3.1 新的车轮廓形 305 28.3.2 基于状态的轮对维修 306 28.3.3 调整镟轮周期 306 28.4 轮轨关系优化在乘坐舒适性和噪声控制方面的具体应用 309 28.4.1 通过IRIS/PUPIL管理乘坐舒适度 309 28.4.2 铁路噪声 310 28.4.3 尖啸声 311 28.4.4 防尖啸钢轨 312 28.4.5 钢轨摩擦优化 312 28.4.6 钢轨廓形优化 313 28.5 基于Gotcha/Quo Vadis的交通流量监测 315 28.6 结论 317 参考文献 318
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第14章污染物对磨损、疲劳和牵引力的影响 S.R.LEWIS和R.S.DWYER-JOYCE，英国谢菲尔德大学 摘要：轮轨接触不可避免地要在受污染的环境中进行。雨水、落叶和人工材料都可能出现在铁路轨道上。有些材料被有意用于钢轨上以增加牵引力、减少磨损或延缓疲劳的发生。这些材料可以作为润滑剂以尽可能减少摩擦，或作为摩擦改进剂以将牵引力保持在可控的限值内。固体颗粒可能会被夹带到轮轨接触中并被走行过的车轮碾碎，这会对车轮和钢轨表面造成损伤并可能加速磨损。液体，特别是高黏度的油，可在车轮和钢轨之间形成部分分离膜，因而降低了牵引力。本章阐述了固体材料造成损伤以及液体成膜的过程，并说明了两者是如何影响牵引力的，这些机理发生的过程是复杂的，因此建模也是复杂的。现已利用双盘试验机式的试验台来阐明这些机理，但可用的现场数据有限。本章还讨论了落叶对铁路线路影响的重要案例，结果表明落叶有一些明显不同于固体或液体污染物的异常特征。 关键词：污染物；落叶；摩擦改进剂；颗粒物；撒沙摩擦 14.1引言 在铁路轨道的背景下，污染物是指出现在钢轨上并被夹带到轮轨接触中的任何材料。这种材料可以是固体，如沙子、道砟粉尘、落叶或碎屑；或液体，如水、油脂或油。视环境而定，污染物可能只是被通过的铁路车辆吹走或卷走，然而，颗粒或液体有可能进入轮轨接触中，之后它们会经受极高的压力和相对滑动。本章的主题是污染物特性，如污染物在车轮和钢轨间动力传递中的作用以及污染物对两个接触面所造成损伤的性质。 在这个阶段，或许重要的是区分污染物、轮缘润滑剂和摩擦改进剂。在本章中我们将污染物定义为钢轨上偶然出现的会对路网运营性能产生不良影响的液体或固体物质。污染物的负面作用可能是造成黏着性差、磨损加速、表面损伤或疲劳寿命降低。 轮缘润滑剂是一种物质，通常是油或油脂，被有意沿钢轨长度方向涂敷于小半径*线的钢轨轨距角处（与轮缘相互作用的位置）。轮缘润滑剂被用以防止在*线通过中出现的因接触斑的些许改变而导致的高磨损率。 为了提高铁路路网性能，摩擦改进剂被有意施加在钢轨上。摩擦改进剂可以是液体（一旦在钢轨上分散开，随后就会变干），或者是固体，如沙子。使用摩擦改进剂的主要目的是创造出目标牵引力水平。然而，它们被设计用来解决其他与铁路有关的问题，例如减少磨损，减低噪声，甚至是减少经地面传播的振动。 在许多情况下，轮缘润滑剂和摩擦改进剂之间的区别可能有些模糊。轮缘润滑剂主要设计为仅用于钢轨内侧面，以尽量减小摩擦并降低小半径*线上的钢轨磨损。而摩擦改进剂用在轨头上，通常是用于因先前污染造成的低牵引力区，这样做的目的是实现目标摩擦范围。相反，轮缘润滑剂并不打算在轨头上使用，因为在这个区域，加速和制动需要最佳的摩擦水平。 14.2污染物 14.2.1落叶 每年秋天，铁路路网都会被线路上落叶造成的黏着问题所困扰。在世界各地的铁路路网中落叶去除或运营延误的成本都非常高。由于公众认识上的不足，落叶通常不被认为是一个会中断运输服务的问题，因此，在公众理解方面，这也是个问题。 在以蒸汽为动力的铁路时代，落叶并未受到如此的关注。线路两侧的树木和植被被定期修剪以防止火灾。这一时期的钢轨钢也不如当今的质量，加上大直径驱动车轮（因此接触面积更大）的作用，钢轨磨损率更高，钢轨更换也更为频繁。因此，钢轨上形成的任何落叶层很快就会被磨除。 随着现代铁路车辆的出现，落叶带来了更大的问题，不仅现代钢轨钢具有更高的耐用性，而且车轮变得更小，植被砍伐也不那么常见。现代铁路车辆速度的提高也是落叶问题的一个促成因素。秋季自线路两侧树上落下的枯叶被过往列车产生的强大气流卷起，直接落在轨头上，受走行车轮的连续碾压，因此落叶被碾碎，被夹带到轮轨接触中并在钢轨表面形成有着深棕色/黑色外观的湿黏合层/膜。该膜“像特氟龙一样非常牢固地黏附在钢轨表面（由于化学键合）W，因此去除该膜非常困难且费用昂贵。这个黑色斑块*初被认为是落叶材料的炭化结果，原因是它被反复碾碎。Carnal利用球盘式摩擦试验机在实验室重建了落叶的碾碎过程，落叶在圆盘上很快形成了薄的黒色层，表明钢轨钢和落叶成分之间可能存在化学反应。 与落叶相关的主要问题是牵引和绝缘。实验室测试中已报告的牵引系数低至0.03M，现场试验中则有低至0.01的。这些牵引系数水平远低于0.3～0.6的干燥钢轨的摩擦系数范围，由此导致了牵引力严重不足，这表现为制动问题，以及在最大加速期间，如从车站开出时，因车轮空转引起的延误。 落叶引起的另一个问题是轨道电路绝缘。在铁路路网上，列车位置是通过电子方式探测到的，电流流过区段钢轨被检探测器接收到。如果该段轨道上没有列车，则探测器将接收到全部输入电压，表明该轨道区段是空闲的。然而，如果列车出现在某个轨道区段，则列车车轮将使电路短接，探测器接收不到电压或接收到的是*小电压。被困在车轮和钢轨之间的绝缘材料可能会导致线路在被实际占用时仍显示为空闲状态。由不均匀落叶层造成的绝缘显然是一个复杂的问题，它可能会受到许多因素的影响，包括落叶的组织、数量、含水量、接触载荷和相对滑动。 这个问题很难通过现场试验来评估，实验室的模拟只能是真实条件的近似。然而，实验室试验已研究了一些重要的机理。静态试验[6]表明，新鲜的落叶*初被车轮碾碎时电流传导良好。图14.1显示了各种类型的落叶被碾碎/破碎并达到完全电导时的载荷（18～30N），这是因为随着落叶被破碎，金属与金属间的接触得以实现。然而，对枯叶进行的试验表明，由于缺乏水分，试验中出现了绝缘迹象。试验还尝试模拟沙子和落叶，因为撒沙是应对黏着损失的标准做法，接触中沙子和落叶的存在会进一步降低电导。 令人惊讶的是，试验还表明干叶实际上会对车轮和钢轨造成损伤。他们报告了试验后圆盘表面上的深度划痕，这些划痕可能是由叶莲造成的。然而，损伤没有被量化，假设一旦落叶被碾碎并在钢轨上产生黒色层，由于牵引系数大大降低，因此磨损可忽略不计。 14.2.2固体颗粒物 *常见和*具破坏性的污染物类是固体颗粒类。在现场这些可能是矿物质颗粒，如道砟材料、土壤颗粒、混凝土粉尘或沙子。自铁路早期发展以来，沙子就一直被用于解决低牵引力问题。沙子通常是从位于车辆上某处的储料斗被直接吹气至驱动车轮的轮轨接触处。撒沙既可由司机自行决定，也可以在紧急制动时自动进行。 1.颗粒夹带至轮轨接触中 当列车接近一段已被固体颗粒物污染的线路时，许多颗粒物可能被吹走，线路上的任何遗留物都会在轮轨接触的进入区中被碾碎（图14.2）。 载荷是如此之高以至于脆性材料发生连续破裂直至被碾碎成微小的碎片，这些碎片被夹带到轮轨接触中。当沙粒进入轮轨接触区时，它们会被巨大的接触压力碾碎。如在双盘试验中所观察到的那样（图14.3）PI，这种沙粒的破裂方式使一部分沙粒被从轮轨接触中抛出。 在轨头上发现的固体颗粒不只有沙子，用作道昨材料的花岗岩被碾碎后也可能出现在轨头上。文献闽中进行了静态试验，该试验评估了沙子对道砟造成的损伤。试验显示道昨在车轮材料上形成了相对较小的压痕，对钢轨材料则没有造成任何损伤。另外，沙子对车轮造成的损伤则要大得多，甚至在钢轨上也有少量的压痕。图14.4显示了在夹带经过双盘接触之前和之后，部分破碎的花岗岩颗粒的粒径测量结果。车轮钢圆盘和钢轨钢圆盘之间的这种接触被用来模拟实际的轮轨接触条件。 很明显，颗粒被碾碎成了更小的尺寸（注意并非所有的颗粒都通过了接触），所以在粒径减小的过程中只有微量被吸收。由于最终被碾碎的碎肩小，因此圆盘表面的变化程度就小。图14.5显示了一些双盘表面的扫描电子显微镜图像。污染物颗粒会受到接触中发生的微滑移的影响，这在圆盘表面上导致了沟槽的形成（图14.5（a））。通常，颗粒嵌入在较软的表面上，在较硬的表面上造成犁沟，这就是在双盘中较软的圆盘上没有出现犁沟的原因（图14.5（b））。 在这些高压力和滑移条件下，这些颗粒趋向于在接触中聚集。从接触中获取的颗粒似乎是原材料碎屑和钢材磨屑的混合物。图14.6显示在使用碎花岗岩进行的试验中获取的颗粒，图14.7显示在使用沙子进行的类似试验中获取的颗粒。 2.防滑沙及对摩擦的影响 沙子的使用对牵引力水平的影响取决于沙子被用以抵消什么。例如，试验[10]已经表明，在干燥条件下使用沙子时，牵引系数实际上会略微降低，这是破碎的沙粒在车轮和钢轨之间形成低剪切强度层的结果，因此，起到了一种稍差些的润滑剂的作用。然而，在潮湿条件下使用沙子时，这些已被碾碎的沙粒趋向于聚集在一起并被夹带到接触中。此外，沙粒还会黏附在车轮和钢轨表面。沙粒的这两种行为都会使牵引力恢复到干燥态的水平或更高。在落叶污染条件下加入沙子时，随着沙粒切穿薄的落叶层牵引力被恢复至更高的水平。 3.颗粒导致的磨粒磨损 接触中的沙子对车轮与钢轨的磨损也有显著的影响。实验室试验表明，夹带到接触中的沙子可使磨损率大幅增加10～100倍，这被称为“三体磨损”过
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