鐵路運(yùn)輸已近兩百年歷史，雖然經(jīng)歷大起大落發(fā)展階段，但至今仍然是全世界的主要運(yùn)輸方式之一。在能源和環(huán)境問(wèn)題日益突出的21世紀(jì)，由于鐵路運(yùn)輸相對(duì)其他交通方式具有諸如運(yùn)量大、速度快、安全、舒適、準(zhǔn)時(shí)、綠色、受環(huán)境氣候制約小等優(yōu)勢(shì)，再次迎來(lái)其發(fā)展的高潮。我國(guó)現(xiàn)有普速鐵路(200 km/h以下)10萬(wàn)多km;城市軌道交通總里程4 000多km(主要輪軌交通制式)，2020年將達(dá)6 000多km，全國(guó)近50個(gè)大中城市修建地鐵。我國(guó)的高速鐵路雖然起步較晚，但在“堅(jiān)持原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新”的戰(zhàn)略方針指導(dǎo)下，關(guān)鍵技術(shù)水平躍升至世界領(lǐng)先，取得了輝煌的發(fā)展成就。目前我國(guó)已經(jīng)建成了“四縱四橫”的高速鐵路(200 km/h以上)網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營(yíng)總里程超過(guò)2.5萬(wàn)km，占世界高鐵運(yùn)營(yíng)總里程的7成以上。新一代具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“復(fù)興號(hào)”中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組，已經(jīng)在京滬高鐵線(xiàn)路上以350 km/h正式運(yùn)營(yíng)，我國(guó)已成為全世界上高速列車(chē)商業(yè)運(yùn)營(yíng)速度較快的國(guó)家。

我國(guó)雖然在高鐵建造、裝備制造和運(yùn)營(yíng)管理等關(guān)鍵技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)諸多突破，但是，隨著高鐵網(wǎng)絡(luò)的建成和高鐵建設(shè)向中西部轉(zhuǎn)移，新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)仍然會(huì)不斷出現(xiàn)。僅就較基礎(chǔ)性的輪軌關(guān)系來(lái)說(shuō)，中國(guó)高鐵開(kāi)通運(yùn)營(yíng)十年來(lái)就出現(xiàn)了鋼軌波磨和車(chē)輪多邊形等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了列車(chē)高速運(yùn)行的品質(zhì)和安全，增加了養(yǎng)護(hù)維修的成本。所謂鋼軌波磨和車(chē)輪多邊形是指鋼軌和車(chē)輪在相互循環(huán)碾壓下，鋼軌頂部沿其縱向(圖1)、車(chē)輪沿其周向即在其滾動(dòng)圓上(圖2)，出現(xiàn)一種規(guī)律性的類(lèi)似波浪形狀的不均勻磨損。我國(guó)某高速鐵路開(kāi)通后的第二年，出現(xiàn)了鋼軌扣件彈條的斷裂，當(dāng)時(shí)舉國(guó)上下一片惶恐。中國(guó)鐵路總公司趙國(guó)堂團(tuán)隊(duì)率先查明了鋼軌波磨時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)了列車(chē)通過(guò)波磨段鋼軌時(shí)的輪軌振動(dòng)帶動(dòng)扣件彈條產(chǎn)生共振，彈條振動(dòng)加速度是非波磨區(qū)的數(shù)倍，導(dǎo)致彈條產(chǎn)生異常振動(dòng)斷裂。隨后在其他高速鐵路線(xiàn)路上也出現(xiàn)了類(lèi)似的波磨問(wèn)題。在同樣區(qū)段采用改變了固有頻率的新型扣件，避開(kāi)了共振區(qū)，再?zèng)]有產(chǎn)生彈條斷裂問(wèn)題。在揭示扣件彈條斷裂機(jī)理的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)聚焦鋼軌波磨的產(chǎn)生機(jī)理并開(kāi)始研究。從技術(shù)路線(xiàn)上，首先關(guān)注輪軌系統(tǒng)振動(dòng)的異常變化。如果車(chē)輪是圓順的，輪軌間的振動(dòng)則主要源于軌道不平順的激勵(lì)，這個(gè)不平順就可能是引起波磨的主要原因。除了考慮初始不平順影響外，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還對(duì)鋼軌材料特性進(jìn)行了研究。鋼軌作為高碳鋼，含碳量是影響表面強(qiáng)度和硬度的主要因素。一旦鋼材在冶煉過(guò)程中，氧氣進(jìn)入與碳結(jié)合生成一氧化碳析出，便在鋼軌表面形成脫碳層，導(dǎo)致強(qiáng)度和硬度降低。通過(guò)金相分析和硬度測(cè)試，脫碳層厚度越大，則其硬度越低。盡管高速鐵路要求開(kāi)通前要對(duì)鋼軌進(jìn)行預(yù)打磨，但初期開(kāi)通的高速鐵路鋼軌預(yù)打磨的厚度較小，鋼軌表面存留了一定厚度的脫碳層，導(dǎo)致鋼軌表面硬度不均勻，當(dāng)車(chē)輪通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不均勻磨耗，成為鋼軌波磨的誘因。這些鋼軌波磨研究成果已經(jīng)在我國(guó)高速鐵路上得到應(yīng)用。將新鋼軌預(yù)打磨厚度提高到消除脫碳層水平;并通過(guò)對(duì)打磨工藝的優(yōu)化，減少了表面初始不平順。到目前為止，高速鋼軌波磨問(wèn)題基本得到解決。

高速鐵路開(kāi)通以后，隨著鋼軌波磨問(wèn)題的出現(xiàn)和解決，車(chē)輪全壽命周期里不同階段(半徑在不斷縮小)也出現(xiàn)了不同程度多邊形磨耗問(wèn)題(圖2b)日益凸現(xiàn)。實(shí)際上將車(chē)輪上的多邊形展開(kāi)，就是和鋼軌波磨相似的周期性不均勻磨損。在速度300 km/h運(yùn)行速度條件下，產(chǎn)生的激勵(lì)頻率為580 Hz左右強(qiáng)烈的振動(dòng)，此激勵(lì)頻率也與某扣件的固有頻率相近，同樣產(chǎn)生了彈條共振斷裂。多邊形產(chǎn)生機(jī)理是否和鋼軌波磨一樣?目前西南交通大學(xué)金學(xué)松團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行研究。建議在技術(shù)路線(xiàn)上，還是要從初始圓順度、車(chē)輪材質(zhì)和車(chē)輛軌道結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)共振研究入手，把車(chē)輪偏心和鏇輪后的圓順度查找清楚，同時(shí)考慮車(chē)輪鋼一般為中碳合金鋼，其硬度在245 HB以上，比鋼軌標(biāo)準(zhǔn)的硬度260HB要小，如果考慮鋼軌疲勞硬化，譬如波磨鋼軌波峰段的硬度實(shí)測(cè)值可達(dá)到500～600 HB，比車(chē)輪硬度要高1倍。車(chē)輪行駛在如此強(qiáng)硬的鋼軌上，自然會(huì)產(chǎn)生較大的磨耗。高速輪軌試驗(yàn)表明，輪軌硬度比為1.15時(shí)，系統(tǒng)磨耗量較小，即車(chē)輪硬度比鋼軌硬度高15%，可以使鋼軌有適量的磨耗，減少表面疲勞層的累積，有利于控制鋼軌傷損和波磨;同時(shí)減少了車(chē)輪磨耗量，可減緩多邊形的產(chǎn)生。

鋼軌波磨和車(chē)輪多邊形問(wèn)題實(shí)際上已經(jīng)研究了100多年，現(xiàn)在被我們更加關(guān)注，是因?yàn)榱熊?chē)速度達(dá)到350 km/h以后對(duì)安全的重視。將事故風(fēng)險(xiǎn)降低到零，保證運(yùn)營(yíng)安全是科研人員的使命，但是提高列車(chē)運(yùn)營(yíng)品質(zhì)、降低建造和運(yùn)營(yíng)成本也是我們努力追求的目標(biāo)。要努力實(shí)現(xiàn)它們，鐵路軌道交通運(yùn)輸發(fā)展過(guò)程中仍然面臨許多問(wèn)題需要解決，而智能化必然是技術(shù)上的發(fā)展方向。智能化列車(chē)和智能化線(xiàn)路工程的技術(shù)和理論的研究及應(yīng)用，期望做到列車(chē)和線(xiàn)路在任何環(huán)境下和任何狀態(tài)下，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和部件的行為得到全面監(jiān)控，并能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)行為和狀態(tài)的變化趨勢(shì)和發(fā)展規(guī)律，這一點(diǎn)不僅要依賴(lài)智能技術(shù)(精確的傳感測(cè)試技術(shù)、快速的信息處理技術(shù)以及高效傳輸技術(shù))發(fā)展和應(yīng)用，還需要結(jié)合考慮列車(chē)軌道耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和行為可靠準(zhǔn)確的分析模型和高效率數(shù)值方法(行為和狀態(tài)分析計(jì)算和預(yù)測(cè)、結(jié)構(gòu)和材料安全界域和閾值的確定)，以及智能材料綜合利用等。目**車(chē)軌道耦合系統(tǒng)行為建模和行為分析方面還不夠完善，分析內(nèi)容主要放在低頻多剛體動(dòng)力學(xué)行為和特性上，結(jié)構(gòu)的高頻柔性行為、材料破壞行為分析以及發(fā)展環(huán)境下更多因素耦合作用效應(yīng)，不能做到同步耦合分析。列車(chē)軌道大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中新型材料研究和應(yīng)用需要進(jìn)一步加強(qiáng)，提高結(jié)構(gòu)材料抗疲勞、抗磨損、環(huán)境適應(yīng)的性能，這是保證列車(chē)長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)的根本問(wèn)題之一。新型安全可靠材料的應(yīng)用，能夠有效地幫助列車(chē)減重節(jié)能。列車(chē)軌道耦合大系統(tǒng)進(jìn)一步減振降噪問(wèn)題的研究、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和部件全壽命周期問(wèn)題研究、科學(xué)的運(yùn)維策略研究，都是當(dāng)務(wù)之急、有待解決的重要問(wèn)題。本專(zhuān)輯論文對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了探討，具有實(shí)用價(jià)值和前瞻性。若要完全解決這些問(wèn)題，需要持久地、全面地、系統(tǒng)地、深入地開(kāi)展研究工作。