随着我国经济水平的提高，城市人口和机动车辆不断增加，交通问题（包括：道路拥堵、环境污染和安全等）变得越来越严重。解决城市交通问题的出路在于优先发展城市轨道交通为骨干的公共交通系统。而城市轨道交通作为目前全球各大城市公共交通发展的主体趋势，具有运输能力强、准时性、速达性、舒适性、安全性、充分利用空间、运营费用较低以及环境污染低等优点[1]。目前全球的城市轨道交通模式呈现多样化，主要包括地铁、轻轨、有轨电车、磁悬浮列车等多种类型。我国的城市轨道交通建设起步较晚，在 1969 年开通了我国的第一条地铁线路——北京地铁1号线第一期。但在近五年来，我国的城市轨道交通建设蓬勃发展，从 2010 年到 2015 年，平均每年要开通 250 公里的地铁线路。目前我国地铁运营线路的总里程已经领跑全球，内地 29 个城市共开通了 123 条城市轨道交通线路，线路总里程达到 3764 公里，累计完成客运量 600 亿人次。根据《十三五”现代综合交通运输体系发展规划》，从 2011 年到2020 年，我国城市轨道交通的新增营业里程将达到 6560 公里。预计到 2020 年，我国城市轨道交通的累计营业里程将达到 7395 公里。从各个城市的发展规划来看，在未来的十年甚至二十年内，城市轨道交通将始终处于高速发展时期。并且随着“一带一路”、“京津冀协同发展”和“长江经济带”三项重大国家战略的深入推进，交通运输的重要性和战略性更加凸显，更是撬动了城市轨道交通的新支点。

但与此同时，列车的运行环境也逐渐趋于复杂化和多样化，从而导致列车和轨道的相对运动加剧，这使得列车和轨道各部件的磨损和疲劳问题也变得越发严重。其中，轮轨滚动接触副是车辆和轨道系统结合的关键部位，起到了使列车能够在轨道上正常运行，以及实现列车牵引或制动的重要作用[2]。作为全球轨道工程研究中多学科交叉的重要课题，轮轨相互作用导致的损伤问题被广大研究人员尤为关注。目前，较为常见的轮轨损伤问题有钢轨波磨、钢轨侧磨、轮轨擦伤和车轮多边形磨耗等。其中，钢轨波磨作为地铁线路中非常显著的轨道损伤问题之一，是一种钢轨表面出现的可见的周期性的波浪形不平顺缺陷[3]。该问题已经严重到几乎全球大部分的地铁线路都不同程度地遭受到了钢轨波磨的侵害，当列车经过波磨出现的线路区段时容易引起车辆结构和轨道线路的振动噪声，这不仅影响了乘客的舒适度和铁路沿线居民的生活质量，同时降低了铁路车辆结构零件的使用寿命，加剧了钢轨表面的损伤。进一步而言，较为严重的钢轨波磨甚至会影响列车的运行安全，导致列车出现脱轨事故[4]。因此，钢轨波磨的抑制和消除是目前地铁运营中需要迫切解决的主要问题之一。针对铁路线路上的严重波磨问题，许多学者提出了相应的措施来预防和抑制钢轨波磨。在实际地铁线路钢轨波磨的治理工作中，较为轻微的波磨可以通过打磨去除，而严重的波磨则只能更换钢轨[5]。无论打磨维修还是更换钢轨，这都是一个昂贵且重复的过程。世界上许多铁路运输公司每年需要在波磨出现的轨道上花费大量的打磨维修和更换费用，但是采用轨道打磨车对钢轨打磨消除后或者通过更换受损的钢轨后，在 3-6 个月内新的波磨又会再次出现，钢轨波磨问题就像铁路上的“牛皮癣”，难以根治。因此，迄今为止钢轨波磨问题仍没有得到真正意义上地解决和有效地控制。并且在铁路运输中，随着列车运行速度、交通密度和轴重负载的增加，钢轨波磨问题也变得越发严重。因此，研究钢轨波磨的产生机理才能从根本上消除和抑制钢轨波磨，并且在未来车辆-轨道系统的设计中发挥积极的作用。

由于钢轨波磨出现的形式种类繁多，不同类型的钢轨波磨其产生机理也各不相同。研究人员提出了许多相关的理论模型，但目前仍然很难找到一种统一的定论来解释各类波磨问题，同时钢轨波磨的形成与发展受到了列车运行环境、车辆参数、轨道参数、表面缺陷、轮轨材料、轨道支撑结构等多方面因素综合作用的影响，因此对于钢轨波磨问题的研究涉及到了车辆-轨道系统动力学、轮轨滚动接触力学、振动力学、材料科学、摩擦学和环境科学等多方面的内容，这是一个集多学科交叉的研究领域。

尽管目前对于钢轨波磨的具体形成机理还尚未有一个较为明确的解释，并且在钢轨波磨的具体分类上许多学者仍存在较大的分歧，但是在钢轨波磨形成和发展的基本机理上得到了较为普遍的认可。该基本机理由 Grassie 总结提出，如图1-1所示[6,7]，钢轨波磨的产生主要由损伤机理和波长固定机理相互耦合构成了一个反馈循环，在该基本机理中反映了车辆-轨道系统动力学，轮轨滚动接触力学和轨道材料磨损之间的相互关系，正是由于其相互作用从而造成和加剧了波磨的形成与发展。

图1-1. 钢轨波磨基本机理[8]

在一个多世纪以来经过国内外学者们的长期研究与努力，目前对于钢轨波磨的认识已经取得了较为显著的进展，现有的这些观点和波磨理论模型能够较为合理地解释一些波磨现象，并且提出了许多抑制和消除钢轨波磨的相关措施。但也存在着明显的问题与不足，首先，基于轮轨间瞬态动力学相互作用引起摩擦功波动观点建立的钢轨波磨理论模型是一个它激振动模型，需要在外部输入连续的不稳定激励来维持该模型的振动。因此在钢轨表面白噪声粗糙度的输入下也能引起该模型出现钢轨波磨，然而钢轨表面白噪声粗糙度是普遍存在的，所以依据该理论可推知无论是直线还是曲线，无论是曲线的内轨还是外轨，通通都会等概率地发生钢轨波磨。显然这个结论与实际铁路线路中钢轨波磨的典型现象明显不符。同时，基于轮轨粘-滑振动观点建立的钢轨波磨理论模型是一个自激振动模型。通常在小半径曲线轨道上导向轮对的车轮与钢轨间的蠕滑力趋于饱和，因此根据该理论模型可以解释为何钢轨波磨通常出现在小半径曲线轨道上的这一现象[9]。但该模型不能解释为何在小半径曲线轨道上的钢轨波磨通常出现在低轨，而在高轨上则很少出现的这一现象。并且该理论模型预测得到引发钢轨波磨的主要频率和地铁线路上实际导致钢轨波磨的主要频率仍具有较大的差距。迄今为止，钢轨波磨并没有从真正意义上地被消除，对于钢轨波磨形成与发展机理的认识仍是不够全面的，虽然目前提出了许多相关的理论模型，但是对于钢轨波磨的研究仍需要进一步地探索与完善。

2. 研究的基本内容与方案

本人在大量阅读文献的基础上，准备深入研究轮轨接触的相关理论，总结已有理论的优点与不足，开发适用于本实验台的波磨理论模型。基于开发的理论模型，建立轮轨接触系统的运动方程，利用matlab等软件求解和仿真，研究各因素（例如扭振、转速、冲角）对波磨的影响。