作者：张未
出版社：中国铁道出版社
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钢轨打磨技术试读：
前言
在最近的30年时间里，全世界范围内，整个铁道行业经历了前所未有的大发展，特别是随着时速250km以上的高速旅客列车的大量开行，中国、日本、西欧各国的高速铁路路网的基本建设完成，以及货物运输在北美、澳大利亚、中国、巴西、瑞典等地的大部分或部分线路上实现了重载化（货物列车轴重≥25t），所有这些都给铁路这个近200年的古老行业赋予了新的生机和活力。然而，高速和重载列车的大量开行也为铁路工务部门的维修养护工作带来了新的挑战。主要表现为：列车对轨道的破坏作用大幅度提高，轨道特别是钢轨设备的伤损、病害数量，及其生成、劣化的速度都显著上升。另外，钢轨病害，特别是钢轨表面上的各类车轮滚动接触疲劳类病害（Rolling Contact Fatigue，RCF）在分布上也越来越呈现出大范围且连续分布的情况。如波浪磨耗病害、曲线上股钢轨轨距角鱼鳞裂纹、剥离掉块以及轨面网状压溃和车轮擦伤等病害形式大幅度上升，且成段大范围、广泛分布。此外，一些全新的钢轨病害伤损形式出现，如西欧高速铁路上新出现的病害类型Belgrospi——欧洲高速线路上的一种类似短波长波浪磨耗与轨面网状压溃病害结合在一起的一种复合病害形式。其中，对于钢轨设备，最主要的病害伤损形式是钢轨表面伤损，特别是波浪磨耗、鱼鳞裂纹等车轮滚动接触疲劳裂纹类伤损（RCF）。
轨道设备的维修保养主要由两部分组成，即钢轨修理和道床/板式轨道基础维护。随着列车密度的增加，货物列车的长度加长，列车运行图中留给工务部门的线上作业时间被大大压缩。传统的钢轨修理手段和维修管理体制已经无法适应新的运输形势和整治轨道病害的需求。
此外，最近数十年来，随着人们生活水平的不断提高，环保意识不断加强，对整体居住、生活环境的要求越来越高。列车运行所产生的噪声污染以及振动也日益引起人们的广泛重视。因此，通过有效控制钢轨表面的平顺性，以减少、控制噪声和振动也越来越成为轨道维修工作的目标之一。
今天，在世界各铁路大国中，钢轨打磨作业都被普遍认为是一种技术先进、复杂，且须进行周密计划、管理和监控的作业手段。作为一种目前最为常用，且在许多方面几乎是不可替代的钢轨维修手段，钢轨打磨作业已经走过了很长的一段历程。有据可查的最早成段钢轨表面病害机械化打磨作业可以追溯到1930年代中期的美国宾夕法尼亚州铁路。宾州铁路为执行这种作业，设计制造出了世界上最早的两台钢轨打磨列车，当时的钢轨打磨列车已经安装了96个打磨砂轮，每个打磨砂轮所连接的打磨发动机的输出功率为5马力（hp）。最晚不迟于1954年，美国的Speno公司（经多次重组、兼并后现已并入美国Harsco铁路轨道技术公司，HTT）设计、开发出了第一台商用标准型钢轨打磨车RG-1型，并开始提供钢轨打磨作业承包服务。经过几十年的不断研发、改进，钢轨打磨设备已经取得了巨大的进步，实现了全自动化控制、电子实时检测、监控，大输出功率、高作业效率，并且为执行不同的打磨作业方式和对不同轨道设备进行打磨，推出了系列化和专业化的打磨列车，先后开发出了用于道岔区的道岔打磨车，用于城市地铁和轻轨的轻型打磨车等，同时又衍生出了钢轨铣磨车、钢轨刨削车、辙叉打磨车等专用设备。此外，近年来德国新研发的高速钢轨打磨车采用了全新的设计概念和作业原理，通过采用锥形砂轮，打磨车能够以高达80km/h的速度执行维修性打磨作业。与此同时，经过半个多世纪的激烈竞争和兼并，在世界范围内，钢轨打磨车的生产厂商主要形成了以瑞士Speno、美国Harsco（HTT）和Loram为主的三强局面。其现代化钢轨打磨车的主体结构和功能类似，但在设计功能上各具特点。对于中国铁路，早在1994年前后，就由铁道部牵头组织各铁路局、大学和铁科院对钢轨打磨作业进行了专门的论证和探讨，并于1990年代初自瑞士Speno公司引进了48个砂轮的钢轨打磨车进行正线钢轨打磨作业。2010年通过与Speno公司的技术合作，完成了96个打磨砂轮的大型自动化钢轨打磨车的国产化。
为使读者对打磨设备有一个较全面的认识，作者分别对打磨车的发展沿革和主要现代化钢轨打磨车的型号及技术参数进行了论述。
打磨硬件设备的不断进步，也为更加科学合理地计划、组织钢轨打磨作业提供了技术基础和设备保障。最近30多年来，钢轨和正线道岔的打磨作业逐步从单一的大金属削除量的修理性打磨过渡到间隔周期较短、小金属削除量的预防性打磨作业，并在此基础上发展出了针对特定轨道运输形式、轨道平纵断面结构，以及主要运行列车类型及其车轮断面特征和轨道区段内主要钢轨伤损病害形式的断面轮廓打磨，即实现了由“事后修”转变为“事前修”和“针对修”。在此基础上，派生、细化出了诸多为解决特定钢轨病害形式而特殊设计的钢轨打磨断面模式，包括轨距加宽、抗鱼鳞裂纹打磨断面模式、抗列车横向冲击作用的德国国家铁路（DB）专门设计的“轨距加宽（抗轮轨蛇形冲击作用）”打磨断面模式等。
作者在20年的铁路工务工作经历中，先后供职于中国、澳大利亚、美国、德国的铁路部门，分别在工务段、铁路局、联邦铁道总管局等各个管理层级工作，同时也曾服务于铁路咨询公司、铁路工务设备供应商、铁路大修（钢轨及道岔打磨）承包商等不同领域。另外，在工作中广泛结识了许多在世界铁路轨道领域颇负盛名的专家、学者。同时，有机会详细了解各个不同国家的铁路维修技术标准、管理体制等。特别是在2006年，在美国ZETA-TECH公司工作期间，师从世界著名铁路专家、钢轨伤损及打磨维修专家Allan Zarembski博士，通过参与为Harsco和Loram等公司进行新产品研发和提供技术咨询等项目，加深了对钢轨打磨作业理论的认识。另外，在2011～2013年供职于澳大利亚铁路轨道公司（ARTC）的南北走廊（布里斯班—悉尼—墨尔本）铁路期间，作为分管技术标准的Compliance Engineer和钢轨打磨作业的路网方项目经理，负责对钢轨打磨作业进行技术监理和验收等工作，进一步丰富了有关钢轨打磨作业的技术管理以及作业实务的相关经验。
在本书的写作内容上，作者力求能够贴近工务维修实务，确保所论述内容具备尽可能强的可操作性，有助于读者作为参照来解决轨道维修中所遇到的具体问题。另外，结合作者的工作经验，对存在于重载以及高速线路上的主要钢轨伤损类型及其特点、形成原因，并重点结合作者目前工作的澳大利亚铁路轨道公司所执行的轨面病害技术标准，对工务现场常见的轨面波浪磨耗、轨面网状压溃、轨距角鱼鳞裂纹、车轮擦伤等病害根据其实际状况进行了伤损程度划分，并结合轨面伤损程度，提供了针对性的维修手段建议，并借此界定了钢轨打磨作业对削除上述病害的适应范围。
此外，为突出本书的文献性，作者也投入了较大篇幅对国内外涉及钢轨平顺性、打磨作业验收技术标准等进行了阐述，力图借助钢轨打磨作业这个题目，对中国以及国外的铁路维修管理体系进行介绍和点评，并对与钢轨打磨作业直接相关的国外大修财务管理和大修“项目管理（Project Management）”等相关内容进行了简单介绍。同时对钢轨打磨作业外包管理体系以及合同管理等作了一些简要阐述，以期在对国外信息介绍时做到“体”、“用”兼得。
需要特别强调的是，在本书的部分章节中，例如道岔区钢轨打磨部分，作者没有完全将钢轨打磨局限为采用打磨车对道岔区的钢轨和道岔设备进行打磨作业，而是采取了广义的打磨概念，即将目前世界各国广泛采用的对“藏尖式”尖轨的伤损检测和打磨管理进行了较为详尽的阐述，作为大型打磨车作业盲区的补充。
总之，随着铁路轨道结构的快速发展和运输需求的大幅提高，为钢轨打磨作业这种已被广泛采用的轨道维修手段提供了更大的发展空间，赋予了更多的使命和任务，并提出了更高的技术要求，正所谓“周虽旧邦，其命维新”。在这样的形势下，已有的有关钢轨维修的书籍和教材已不能满足广大工务工作者的实际需求，客观上需要有一部比较系统、完整、适应新形势的有关钢轨打磨技术的作品。为此，作者尝试编写了这本《钢轨打磨技术》。本书不仅涵盖了有关钢轨打磨的原理、技术规范、管理办法以及作业实务，同时也用了大量篇幅介绍铁路钢轨劣化伤损、打磨的基本理论和各国广大铁路工务工作者多年来创造的丰富管理经验和最新科技成果，以期在满足工务同仁需要的同时，照顾到工务工程技术人员使用和研究的需要，回答当前工务部门对钢轨伤损和钢轨打磨作业感兴趣的问题。
本书的编写自2011年初开始动笔至2014年9月完成第一稿历时近四年时间，其间作者先后任职于铁道维修设备生产商、轨道维修部门和铁道大修部门，这使得作者能够从不同的视角审视钢轨的技术性能，钢轨伤损、劣化的形式，以及钢轨打磨作业作为维修手段的最佳切入点及其局限性。在这近四年的时间里，钢轨维修技术、设备又都发生了重大变革和长足发展，出现了钢轨铣磨车、锥形砂轮高速打磨车等，另外，传统的打磨作业方式和质量控制手段也取得了新的发展。本书试图以钢轨打磨为线索和载体，尽可能系统化地将钢轨伤损特点和养护技术串联起来。
本书在写作过程中得到了中国铁道出版社，特别是傅希刚先生和时博先生的热情鼓励和帮助。在全书结构安排和章节划分以及文字上得到了作者父亲张步云先生的大量帮助。作者的良师益友澳大利亚西悉尼大学的高级讲师Helen Wu（武毅敏）女士也给予了具体支持和鼓励。本书在写作过程中援引了大量世界各国铁路部门、公司、设备供应商、打磨作业承包商，大学、研究所以及众多学者、教授、专家和广大工务同仁的研究成果和参考文献，特对他们致以谢忱。
在此，特别感谢以下曾给予巨大帮助，使作者对钢轨打磨作业有了更深了解和认识的专家学者和领导同事。他们包括：作者的前雇主世界著名铁路专家，美国ZETA-TECH公司（该公司已于2008年并入美国Harsco集团下属的Harsco铁路轨道技术公司HTT）董事长Allan Zarembski博士、总经理Joseph Palese先生、项目经理Todd Euston和Greg Grissom先生、高级工程师Wesley Scheiring先生、Jim Blaze先生、Neil Gallagher先生以及Donald Holfeld先生。Thermit集团澳大利亚分公司的前任总经理Ron Moller博士，现任总经理Paul Radmann先生。Harsco铁路轨道技术公司，HTT澳大利亚分公司总经理Kim Harley先生。澳大利亚国铁（Australian Rail Track Corporation，ARTC）的前任总经理，现任沙特阿拉伯Abdullah国王金融区单轨铁路建设公司总经理Malcolm Owens先生，澳大利亚国铁南北走廊铁路路网轨道基础设施总经理Simon Bingham先生，铁路轨道经理Matt Walker先生，著名钢轨打磨专家StephenMarich博士，以及技术标准工程师Neil Sheedy先生和Iwona Kobylecki女士。高级工程师Stephen James，项目经理Peter Vesperman，铁路钢轨专家Nick Petticrew先生。Mittagong工务段段长Ross Barber、分段长Todd Holland，Cootamundra工务段段长Dennis Bradbury，副段长Michael Freer，工长Michael Simons；Wangaratta工务段段长Syd Middleton，Goulburn工务段工长Nathan Scanes先生。现任澳大利亚钢轨打磨公司Aurizon的技术经理Peter Micenko先生。VAE公司澳大利亚分公司工程部经理Craig Bishop先生。Vossloh Cogifer公司澳大利亚分公司总经理Warwick Kinscher先生，工程部经理Glenn Lorenz先生。瑞士Sepno公司技术经理Wolfgang Schöech博士。德国Thermit集团下属的Elektro-Thermit GmbH公司的Alfred Wegner博士、总经理Jörg Keichel博士，Robert Gehrmann博士。另外，特别感谢岑玉璇小姐在德文技术资料的翻译及整理上所给予的帮助。
谨以本书献给多年来给予我无限支持的我的父母亲——张步云先生和井伯媛女士，以及我的妻子张岩（Yan Maria Zhang），以及我们的女儿张蕤琪（Amber Zhang）和儿子张瑀祺（Malcolm Zhang）。
限于作者水平，书中会有不少疏漏、缺点和错误，敬请读者批评指正。
张 未2016年8月第一章钢轨及其常见病害第一节作用于钢轨上的荷载状况及其分布情况
轮轨关系是现代铁路特别是高速、重载运输中的一个关键问题。在轨道结构中，车轮对钢轨的作用力由三个部分组成：竖向的垂直荷载（Q）、横向的水平荷载（Y）以及纵向荷载（T），如图1-1所示。
图1-1 列车作用于钢轨上的荷载
根据有关轮轨之间作用力的赫兹（Hertz）理论，轮轨之间的接触面积与接触应力的详细情况如图1-2所示。在图中给定的xyz三维坐标系中，车轮相对轨道（假定轨道处于静止状态）在这三个坐标方向上的位移量分别为u、v和w。
图1-2 列车荷载作用于钢轨上的力与位移
一、轮轨接触状况分析（以重载运输为例）
轮轨关系是铁路运输问题中的关键问题，在轮轨接触关系问题上，只有低磨耗量、小摩擦阻力的轮轨关系才能为高速、重载运输提供理想的技术条件。另一方面，轮轨之间还必需要有足够的摩擦力才能够为机车、车辆提供足够大的牵引力、制动力，以及车辆通过曲线时的转向力。此外，轮轨所使用的金属材料必须要有很高的强度才能够承受得起重载运输所带来的巨大垂直作用力，以及由于轨道和车轮不平顺所引起的车辆垂向及横向加速度所带来的轮轨接触面动态响应。另外，车轮和钢轨都必须要有足够的强度，以保证在运营中足够低的磨耗速度和钢轨折断率，否则将直接影响重载运输的成本效益。
由轮轨力学的基本概念可知，实际上的轮轨直接接触面积非常小，而相应的接触力却非常高。在通常情况下，轮轨接触面呈椭圆形，面积大约只有1cm 2 。在轮轨接触点的下部，由于其周围材料通过对压力的反作用力以“支撑”轮轨接触压力。所以，钢铁材料所承受的来自各个方向的压力相当大。如图1-3所示，轮轨接触面下方单位体积钢材所承受的压力荷载的情况如各个箭头所指的方向。图中所示的情况称为接触应力的三轴状态。其中每一个箭头对单位体积轮、轨材料的压应力几乎是相等的，这使得钢铁材料不可能向任何方向移动或流动，因此可以承受相当大的荷载。基于上述力学分析可知，如果采用高强度钢轨，即使货物列车的轴重远超现今重载铁路的水平（当今最高货物列车轴重为澳大利亚FMG公司在西澳的铁矿重载线路，设计轴重达42t），即使轴重达到60t也是可以实现的。
图1-3 轮轨之间的接触状况（车轮停留在轨道的中心位置）
实际上，一般铁路轨道的承载能力远远不能达到如此高轴重，而且在许多情况下，一些线路上即使采用较低的列车轴重也往往会造成较严重的轮、轨伤损病害的问题，这主要是由于上述这些理想的轮轨接触条件并非总能达到，其原因可以概括如下：（1）轨道及车辆的状态不良所可能产生的附加动荷载，其数值可能大大超过了静荷载，并且常常会在轮轨之间产生巨大的冲击作用。（2）轮轨接触点的面积在某些无法控制的轮轨接触情况下可能会大大减少，从而使得轮轨间接触应力超出材料的屈服应力。（3）轮轨接触点内部材料的三轴应力状态可能被某些因素所破坏，这些因素可能是：
①轮轨间的各个摩擦阻力交错地作用在接触面上，或者轮轨间的接触点发生在车轮和钢轨的边缘区域。
②轮轨之间为“两点接触”状态，且在其中一个接触点或者同时在两个接触点上存在严重的轮、轨间相对滑移，因而产生了钢轨磨耗加速的问题。
图1-4～图1-7为重载线路上最常见的几种不良轮轨接触状况。
图1-4所示为由于车轮踏面擦伤、钢轨接头错口/不平顺、钢轨焊缝表面热影响区硬度软化、钢轨轨面波浪磨耗、以及道岔区轨线不连续等原因引起的动力冲击荷载。
图1-4 轮轨间的动力冲击荷载
图1-5所示为车轮轮缘根部（内圆角）与钢轨轨距角位置直接接触时发生的一种剧烈的轮轨单点接触状况，这种严重不利的接触状况经常会导致轨头鱼鳞裂以及轨距角剥落掉块。
图1-6所示为钢轨轨顶与车轮之间的集中凸面接触，这种情况通常会导致钢轨轨头外侧的非轮轨工作边的钢轨金属材料塑性变形，以及钢轨轨顶或轨顶与车轮踏面一起出现剥落掉块。如果轮轨接触点向钢轨的外沿（轨头非轨距工作边）移动，情况会变得更加严重，此时，接触应力的理想状态被打破，金属材料开始出现塑性变形。
图1-7所示为在曲线地段轮轨之间的横向滑动作用，这是车辆不良导向作用的结果。由于车轮打滑或微量滑动产生的沿接触滑动方向的力引起接触点下材料微单元的变形。这些作用破坏了接触点下金属微单元的压力和应力之间的平衡关系，导致金属材料塑性变形。同时，也可能造成轨顶中部的磨耗和变形（就是通常所说的波浪磨耗或材料塑性变形）。
图1-5 车轮轮缘根部（内圆角）与钢轨轨距角直接接触的一种剧烈的单点接触状况
图1-6 钢轨轨顶与车轮之间的集中凸面接触状况
如果对车轮、钢轨接触部分的外形轮廓控制不当，会影响接触面的尺寸和轮廓，造成应力集中、金属材料塑性变形和接触疲劳，如图1-7所示。一旦钢轨或车轮材料病害发生在接触应力集中之处，问题将会急剧恶化。
图1-7 对车轮、钢轨接触部分的外形、轮廓控制不当而影响接触面的尺寸和轮廓
二、轮轨接触应力分析
在轨道结构中，钢轨所要面对的应力环境是非常复杂的，它包括多种荷载环境以及多种应力的组合和叠加（图1-8）。应力环境包括：钢轨在车轮作用下类似横梁所起到的支撑作用所承受的弯曲应力（一般在结构分析中轨道结构都被模拟为连续弹性地基梁），轮轨之间的接触应力，以及因为环境温度变化所带来的温度应力等。这些应力数值通常都是叠加在一起的，在沿钢轨的纵向方向上尤其如此（图1-9）。在进行轨道设计时，最多的是考虑钢轨所要承受的弯曲应力和纵向应力，而对于轨道的日常维修工作，轮轨接触应力则是首要考虑的问题。铁路维修标准也主要是考虑此项因素。而且主要轨道伤损、病害以及失效类型也都是这些应力直接作用的结果。这些伤损病害既有钢轨疲劳类的病害，也有钢轨磨耗所造成的伤损、失效。上述所提到的钢轨应力环境，在有车轮横向力作用的情况下会变得更加复杂，横向力作用本身也会在钢轨内部产生很大的弯曲和接触应力。
对于直线轨道，轮轨接触点一般都位于钢轨轨顶的中部，如图1-10所示，其相应的应力分布情况如图1-11所示。图1-11中光弹所示的轮轨接触应力显示，当轮轨处于中央接触状态时（车轮踏面与轨顶中部接触），轮轨间的接触荷载数值集中于钢轨轨顶的中部。实际的应力数值与所在位置的轮轨接触面的几何形位（几何形位指的是车轮及钢轨轨头的轮廓、曲率以及它们的相对位置）有直接关系，在对应力数值进行量化分析时，一般都采用赫兹（Hertz）接触应力理论。
图1-8 钢轨内部的应力组成
图1-9 钢轨内部纵向应力的叠加情况
在曲线地段，轮轨之间可能是两点接触状态，即车轮的轮缘与曲线钢轨轨头的侧面相接触，同时，车轮的踏面与钢轨轨顶面直接接触。需知，在曲线地段，轮轨之间同样可能会出现一点接触的情况：车轮的轮缘根部（即车轮轮缘与踏面的交汇角处）直接与钢轨轨距角部位单点接触，如图1-12和图1-13所示。在这种情况下，车轮的竖向力和通过曲线的导向力都将集中作用于钢轨轨距角上的单一接触点上，并导致非常高的轨距角应力集中。但如果将一点接触状态变为两点接触状态，又将会加大轮轨之间的轮缘作用力。很大的轮缘作用力会导致钢轨轨距面侧磨加剧，甚至增大钢轨在曲线地段挠曲、侧翻的风险。因此，在整体系统设计中，合理选择和交替使用轮轨之间的一点接触与两点接触必须要考虑到，在整体上要实现车轮和钢轨断面的最佳化，以期实现车辆通过曲线时的最佳导向力，同时最大限度地延长钢轨、车轮等铁道部件的使用寿命。
图1-10 轮轨接触点位于钢轨轨顶中部
图1-11 光弹应力模型：轮轨接触点位于钢轨轨顶中部
图1-12 轮轨间一点接触的状态
图1-13 光弹应力模型：轨距角轮轨接触状态
在轮轨之间除了上述主要的接触方式之外，还有可能存在第三种方式，即当车轮存在明显的踏面磨耗时的轮轨接触状态。这种车轮状态被称为踏面磨耗车轮、伤损车轮或更加形象地称为“假轮缘断面车轮”。如图1-14和图1-15所示，当车轮的外侧部分即所谓的“假轮缘”部分直接以竖直方向作用于钢轨轨头顶部时，将会在钢轨顶部产生非常大的接触应力。
图1-14 新的与踏面磨耗凹陷的车轮断面
基于上述各种因素，轮轨接触应力的数值变化范围从690MPa到高于1380MPa。轮轨接触应力一般都集中作用于钢轨轨头的顶面，而且在数值分布上，从钢轨顶面开始快速下降，如图1-16所示。也是因为这个原因，很多因为过高轮轨接触应力而造成的钢轨伤损、病害大多位于钢轨轨头的表层（图1-16）或者是发生在钢轨轨面下很浅的浅表层，因为在浅表层这一区域通常分布有最高的由轮轨接触产生的剪切应力数值，如图1-16所示。
图1-15 踏面磨耗车轮的外侧假轮缘部分直接作用于钢轨顶面
图1-16 轮轨接触所产生的剪切应力在钢轨轨头内的分布情况
由上述分析可知，如果通过采用钢轨打磨等作业手段人为地改变钢轨轨头的形状或断面轮廓，就有可能人为地控制轮轨接触区域的位置和外形，进而改变轮轨接触应力的数值大小。不同车轮类型、钢轨断面以及曲线轨道的半径条件下轮轨之间的接触应力见表1-1。注意：其中曲线半径的大小会直接影响到车轮对钢轨的接触位置，也包括车轮轮缘与踏面分别同钢轨的接触位置。
表1-1 不同轮轨条件及曲线半径
除了高接触应力造成的疲劳伤损病害，轮轨荷载及相应的接触应力状态与钢轨磨耗也有直接关系。图1-17所示为在钢轨的轮轨接触区域最为常见的接触状态。仅从轮轨接触区域的外观来看，轮轨接触区域在一般情况下呈椭圆形，其长半径方向与钢轨纵向（列车行进方向）相平行，并且其面积较小，仅为100mm 2 左右。通常情况下，椭圆形接触面的纵向长轴长度可达10～12mm，而横向短轴长度可达5～8mm。如此小的接触面积要承担起整个列车的轮重。
图1-17 作用于钢轨轨头上的轮轨接触应力
在列车车轮荷载的作用下，在轮轨接触区域内自然产生的最主要应力形式为剪切应力（即剪应力的作用方向与荷载方向成一定角度），其数值大小受一些因素的影响，这些因素包括：（1）竖向的车轮荷载（图1-18）；（2）轮轨接触表面的曲率半径，包括车轮踏面的曲率半径以及钢轨轨顶断面的曲率半径（图1-19）；（3）车轮作用于钢轨上的纵向蠕滑力（纵向牵引力）（图1-20）。
图1-18 车轮荷载对接触剪应力的影响
图1-19 钢轨轨顶曲率半径对接触剪应力的影响
图1-20 列车牵引力对接触剪应力的影响
图1-18～图1-20除了阐明对钢轨接触剪应力有较大影响的三个主要因素外，还展示了对轮轨接触区应力产生有非常重要关系的三个方面：（1）当列车牵引力相对较低时，其所产生的接触应力通常出现在钢轨轨头轮轨接触面以下深度为10mm的范围内。（2）当列车牵引力相对较低时，其所产生最大接触应力通常出现在钢轨轨头接触面以下深度为2～4mm的位置。（3）随着列车牵引力的增加，其最大接触应力数值也随之增大，其最大应力位置也逐渐接近车轮与钢轨的接触面。
三、轮轨不良接触对钢轨伤损的影响
现代铁路工务维修管理的一个重要概念，就是要将车辆与轨道作为一个整体系统来通盘考虑，如果只着力于改进轮轨系统的其中一部分，而没有同时考虑其对整个轮轨系统的影响是一种很不可取的做法。更改车轮的断面设计及材质会对钢轨产生直接影响，同样，更改钢轨的断面轮廓及材质也会对车轮产生明显的作用。因此，当代工务维修管理特别强调了轮轨之间以及各种维修手段之间的相互作用，以及将轮轨关系作为一个整体系统进行研究、管理的重要性。
通过建立轮轨间的最佳接触状态，同时用整体系统的观点对待轮轨系统的设计与维修，可同时减少钢轨踏面和车轮轮缘的磨耗，降低车轮和钢轨的劣化速度、提高车辆运行的稳定性。（一）钢轨和车轮断面轮廓设计
1.基本思路
在开始进行钢轨和车辆的断面轮廓设计之前，设计者必须明确以下基本问题，并遵照下述基本思路进行。（1）轮轨间的接触并非遍布于整个钢轨轨头顶面和车轮接触踏面表面。轮轨接触主要局限在图1-21所示的区域内。这表明钢轨及车轮的断面轮廓会因磨耗而发生变化。
图1-21 轮轨可能的接触范围（2）轮轨间的接触并非均匀地分布于图1-21所示的区域。直线轨道上钢轨和车轮的接触主要发生在如图1-22所示的车轮踏面中心附近。纯圆锥形车轮踏面和轨顶断面曲率较大的钢轨的接触范围较集中，而中部磨耗后的车轮踏面和轨顶扁平的钢轨的接触面积要大一些。如果线路的轨距状态良好，轮轨间的接触带也会相对较窄。另外，在直线轨道上一定要避免出现车轮踏面与钢轨轨顶发生“两点接触”，这将有可能造成高锥度接触，并且出现车辆失稳的危险。
如果左向曲线和右向曲线均衡，车轮在曲线上的接触一定是对称的。事实上，钢轨在曲线上的接触是非对称的，它与曲线特性有关。如图1-23所示，对于存在磨耗的车轮，转向架的导向轮对的外侧车轮与从动轮对相比，接触更加靠近钢轨的轨距角以及车轮轮缘的根部。内侧车轮的轮轨接触也有类似的差别，该差别有利于减少车轮和钢轨的疲劳循环次数。曲线线路上轮轨接触应力以及车轮的蠕滑作用较大。对于锥形车轮，接触主要集中在钢轨顶部，而车轮踏面上的接触则集中于对应轮对横移量大小的窄带上，其后果是使车轮与钢轨的接触范围更加集中，这种接触对钢轨的疲劳寿命是有害的。另外，由于车轮的锥形踏面形状是过渡性的，它会迅速磨耗成更适形的断面轮廓，因此，不应该继续采用这种车轮断面形式。
图1-22 在直线轨道上车轮踏面与钢轨的接触区域分布
图1-23 曲线轨道上导向轮对以及从动轮对与钢轨的接触情况（3）由于金属材料的塑性变形会发生在整个轮轨断面上，轮轨接触和磨耗与蠕滑直接相关的看法并非是完全正确的。用模型来预测轮轨外形的变化必须要考虑到基于摩擦功函数，以及金属材料会在整个轮轨断面上移动这一情况。图1-24和图1-25所示为轮轨断面形状变化的证据。
2.车轮与钢轨断面按照功能进行区段划分
轮轨断面的功能和设计可按照图1-26所示的接触区域进行区段划分。区域A：轨顶与车轮踏面的中心接触区；区域B：钢轨轨距角和车轮轮缘根部接触区；区域C：钢轨外侧非轨距工作边与车轮外侧接触区。
图1-24 曲线轨道上钢轨磨耗情况
图1-25 中间内凹的磨耗车轮踏面对轨道的破坏作用
图1-26 轮轨断面的接触功能区（1）区域A：轨顶与车轮踏面的中心接触区
车辆通过直线、大半径曲线（非径向转向架），以及小半径曲线（径向转向架）时，轮轨接触主要发生在这个区域。在此种工况和轮轨几何断面轮廓条件下，将会产生以下结果：
①轮轨之间的接触应力数值最小；
②车辆在导向性能较好和不失稳的情况下，横向蠕滑和横向力最小；
③纵向蠕滑和纵向力与横向蠕滑有关，并且在分析车辆稳定性时必须要加以考虑；
④车辆运行速度比在小半径曲线上高。
必须考虑新车轮和磨耗车轮踏面锥度的影响，因为良好的导向性能会改变车轮初始设计的锥度，致使车轮踏面磨耗成中间内凹的形状。但是，无论如何锥度的改变必须保证车辆的稳定性，锥度应保持在车辆的稳定界限值以内。轮轨接触应该朝向钢轨外侧非工作边一侧，而且车轮应该被鼓励继续车轮断面半径，并尽量保持在车轮滚动圆半径以外的区域。（2）区域B：钢轨轨距角和车轮轮缘根部接触区
当检验车轮轮缘接触时，轮轨断面设计者面临三个选项需要考虑，即如图1-27所示的“两点接触”、“一点接触”，以及“共形接触”。
图1-27 三种轮缘接触形式
①两点接触
轮缘力和横向蠕滑存在时，两点接触通常会产生大的滑动和磨耗，曲线上往往会出现这种情况。在这种情况下，会加速轮缘磨耗，直到轮缘形状与钢轨形状一致为止。通常，接触状况非常恶劣以至于导致轮缘产生如图1-28所示的材料塑性变形。图1-29所示为这种轮缘与钢轨直接接触时的一种“经典”状态——轮轨间“两点接触”状态，即轮轨之间同时存在两个接触点，其中之一位于车轮的轮缘与钢轨的内侧或轨距角上（图1-29中B点），另一个接触点位于车轮的踏面与钢轨轨顶之间（图1-29中A点）。
作用于曲线外股钢轨上的轮缘力不同于相对简单且恒定的曲线车体离心力，它包含了很大的动荷载作用以及因结构处于瞬变的不稳定状态而对稳定的静荷载产生的增大值。动荷载产生的主要原因是车辆通过曲线时车轮与曲线轨道相互作用的结果。
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