21 世纪以来，以提高轴重、增大列车重量为标志的铁路重载运输蓬勃兴起，然而，问题也随之而来。随着重载车辆的增多。由轮轨磨耗引起的轮轨失效问题，包括磨损和滚动接触疲劳损伤，越来越严重，铁路磨损量不断加大，平均寿命不断缩减，导致我国在铁路维护上花费了大量成本，同时危害了列车的行车安全。铁路运输由其特殊性导致磨耗不可避免，而更换钢轨会为列车的运行带来很大麻烦和造成很大的经济损失，所以通常选择牺牲车轮寿命而保证钢轨的寿命。轮轨磨耗与很多因素有关，如轮轨间作用力、轮轨型面、轮轨材料成分和硬度等因素。对轮轨的摩擦磨损特性以及磨损机制的研究可以减轻轮轨的磨耗，为高速重载铁路的发展提供试验依据。

最早的波磨调查研究情况可追溯至1925年[7]。1953年，德国的Fink发表了主要针对最长5 cm的钢轨短波波磨的评论论文。1958年，在国际铁路会议协会(IRCA)召开的大会上讨论了全世界的钢轨波磨情况。1976年，Kalousek发现产生铁路波磨的主要原因是塑性金属流动或轨头金属结合表面疲劳。1977年，澳大利亚的Mair建立了一个垂向的非线性弹簧-质量系统在连续支撑的轨道上运行的计算模型，研究钢轨材料塑性变形对波磨产生的影响。1978年，Eisenmann[1]发表了一项对短波波磨的研究报告。1979 年，Daniels等开始在普韦布洛(Pueblo)的FAST轨道上进行试验性研究。1991年，Tassily[8]等人对法国地铁波磨展开研究，研究发现波磨的特征频率与轮对的自然频率和轨道的一些共振频率有关。1992年，Kalousek[5]研究了温哥华 Skytrain上出现波磨的原因，采取减少安装误差、使用摩擦润滑剂、调整轨距等方式来消除铁路上的波磨。1993年，Grassie[2]对根据特性、致因和应对措施对波磨进行分类[4]，根据已有文献将波磨按其损伤机理和固定波长机理分为六类。2005年，Vadillo 等人[3]发现西班牙Bilbao区域1000mm轨枕间距的线路上，大约在轨间中部出现了约 60mm波长的波磨。用轮对稳定弯曲的数值方法，详细地研究了轨道不平顺对钢轨波磨的影响。2008年，Oostermeijer[6]从历史的角度对短间距钢轨波磨的研究进行了综述。2009年，Grassie进一步细化分析了各种波磨的成因和治理措施。

而在我国，波磨的相关情况论述则晚了许多。最早是在1978年曽树谷在《中国铁路》上发表的《轨道力学的研究和应用》中提到[10]，他将波磨和其他几何不平顺作为干扰函数和轨道动载荷对车辆系统的振动和轨道的破坏影响进行了分析。一年后，邱贵芳翻译了苏联的Т.К.Голутвина关于车轮断面形状的试验分析[9]，表明轮轨的接触形式取决于不同的磨耗值。而真正将波磨直接单独拿出来讨论则最早出现于1981年刘钟华，王夏鍫发表的《关于钢轨波纹磨损问题的探讨》[13]。该文章对我国铁路钢轨的波磨问题进行了探讨，指出轮轨系统的接触共振是形成波磨的原因，并对有关因素（轨面应力、阻尼系数、表面粗糙度、钢材的性能）做了分析，最后提出一些防止波磨的措施。1984年，张祖光针对钢轨强化的技术途径提出了一些意见[17]。1990年，中国铁道材料工艺委员会与铁道工务委员会联合召开了首届“轮轨表面损伤及对策”学术研讨会共征集了43篇各个方面对钢轨磨损的研究论文，不但对铁道部门,对生产和研制重轨的冶金系统也有十分重要的指导和参考意义。之后，关于波磨方面的研究便变得十分之多。1996年，刘学毅等人[12]考虑到波磨引起轮轨系统振动，通过参数分析得到各条件对轮轨附加力的影响，并进行实测验证了在波深较小时理论模型的正确性。1997年，赵国堂[18]应用分形理论研究钢轨波磨的分形特征，提出应用分形维数作为钢轨波磨程度的判断标准。同年，牛学勤[14]从经济角度出发，预测波磨发展速度，计算打磨及维修费用，确定最经济合理打磨周期。2003年，张波等人[15]采用赫兹模拟准则进行钢轨波磨的实验室试验模拟研究。2005年，张立民等人[16]根据非线性振动理论和赫兹理论，分析了钢轨波磨与轮轨纵向自激振动幅值和接触椭圆纵向轴长的关系，对波磨形成的过程进行了仿真计算并设计了再现试验。2008年，金学松等人[11]分析了国内外铁路钢轨波浪形磨损理论模型，提出了钢轨磨耗型波浪形磨损计算模型，发展了相应的数值方法。2010年以后，中国学者的研究重心转移到了城市轨道交通（主要是地铁）的钢轨波磨调查、研究及分析上，以及相应的检测方法、整治措施。

因此，研究钢轨波磨在现在依然有着重大的意义研究减少波磨的措施，不仅能缓解重载铁路钢轨损耗情况，削减花费在打磨及更换铁轨的支出，同时也能减少地铁运行过程中受到波磨影响而产生的振动、噪音。1990年在中国召开的“轮轨表面损伤及对策”学术研讨会，1999年在俄罗斯召开的国际重载会议和2000年在日本召开的 CM2000会议都是为了促进对波磨现象的研究和改善。而研究轮轨接触摩擦特性不仅可以在某一方面研究波磨的成因，同时对减少轮轨磨损、缓解波磨现象具有重大意义。

2. 研究的基本内容与方案

随着铁路客货运量的增大和列车速度的提高，轮轨滚动接触疲劳所造成的破坏变得越来越严重，它不仅大大增加铁路的运营成本，而且直接危害行车安全。钢轨波磨是指钢轨投入使用后，轨顶面沿纵向出现有一定规律性的波浪形状的不平顺现象。一些人认为钢轨波磨是由于较大的轮轨载荷导致钢轨塑性变形不均匀而形成的；另一些学者则认为材料表层的塑性流动和表面的疲劳是形成波磨的主要因素。而不论怎样，磨损必定是形成波磨的因素之一，因此需要对轮轨接触的摩擦特性进行研究，并找出一定的解决或缓解措施。

摩擦实验可以在专门的疲劳试验机上进行。为了保证试验的摩擦学相互作用过程和现场条件下一致，试验采用赫兹模拟准则，使试验模拟轮轨试样间的平均接触应力和接触区椭圆的长短半轴之比与现场中的相同。接触摩擦副采用滚动轴承与平面接触方式，其中平面试样固定，材料与钢轨材料相同，并与高精度的载荷传感器连接，以测定其表面摩擦力。滚动轴承座固定在活塞上做往复运动，模拟轮轨不停接触作用的过程，由高精度液压伺服系统控制其运动位移。制动力矩通过在滚动轴承顶部施加压力p获得，因此接触形式为滑动接触。实验前用乙醇对试样表面进行清洗，然后施加法向载荷使滚动轴承与试样充分接触。利用载荷传感器显示施加的表面摩擦力并记录其随位移变化的曲线。可以基本测试出在普通条件下钢轨材料的摩擦特性曲线。在实验过程中施加不同大小的垂向载荷来模拟不同轴重（负载）情况下轮轨的磨损情况。

之后再在仿真实验台上进行实验。上轮使用车轮材料，下轮使用钢轨材料，两轮相对转动，模拟列车的运行过程。每间隔10000个循环（暂定，可以根据实际情况进行更改），取下轮轨试样进行称重，计算各试样磨损率，直至出现稳定磨损阶段，停止实验。其中称重装置使用精度高于1mg的电子天平观测装置使用金相显微镜观察试样磨损面损伤情况和剖面组织的变化；使用显微硬度计测量试样表面组织的硬度变化。

首先不添加任何外在条件，得到在常温无润滑条件下的试样表面。然后使用另一组试样，设计一个喷雾装置，不停对车轮和钢轨接触部分进行加湿，模拟下雨（高湿度）环境下轮轨接触情况，得到一种试样结果。然后将水换成不同的润滑剂，分别进行上述实验，得到多种结果。最后将各个试样结果进行分析对比，可以看出润滑条件对轮轨接触和波磨产生的影响。在实验过程中，在支架或轴上安装传感器，也可以直接或间接地得到两轮的接触应力，以此和之前得到的摩擦特性计算出摩擦力。