钢轨波磨形成机理至今仍是亟待解决的难题。钢轨波磨尤其短波长波磨易激发轮轨系统高频振动,导致车辆轨道振动噪声过大和关键部件疲劳失效,严重时威胁行车安全。近年来,随着地铁新型减振轨道结构的不断发展和广泛应用,车辆轴重和运行速度等不断提高,涌现的地铁波磨状态也呈现多样化,而其成因尚不完全明晰,以至于无法采取有效的措施减缓或消除钢轨波磨。本文针对国内某地铁线路中减振扣件轨道出现的钢轨短波长波磨现象,结合现场试验和理论仿真方法,从轮轨系统高频动态特性的动力类成因角度研究了其形成机理。主要工作和结论如下:(1)现场调查减振扣件轨道出现的钢轨波磨特征,其显著波长表现为40～50 mm,波深约为0.05～0.12 mm,列车以103 km/h速度通过该轨道时导致的波磨通过频率为572～715 Hz。在车辆运行条件相同前提下,同一条线路不同轨道结构呈现出不同波长的钢轨波磨,该现象的产生可能与轨道固有特性相关。(2)基于ABAQUS有限元隐式―显式算法相结合的方法,建立地铁减振扣件轨道三维弹性轮轨瞬态滚动接触有限元模型,模型中考虑轮轨结构高频柔性、轮对旋转效应和簧上质量惯性作用,减振扣件系统和一系悬挂通过刚度和阻尼单元模拟。基于数值模型,分析典型工况下车轮通过直线段光滑钢轨时的轮轨瞬态滚动接触行为,包括:轮轨高频振动特性、钢轨动态位移、接触斑内黏滑分布、轮轨瞬态滚动接触力及应力分布等。结果表明,车轮以103 km/h速度滚动约2.2 m后轮轨振动基本达到稳态,此刻轮轨垂向力与静轮重相差0.39～4.68 k N。模型考虑车辆牵引对轮轨纵向滚动接触力的影响,相比无牵引即纯滚时,牵引系数为0.3的轮轨接触斑内滑动区占总接触斑面积的31.5%,最大切向接触应力增大了约6.5倍。此外,借助Hertz接触理论和Kalker的CONTACT程序验证有限元模型的准确性,有限元模型计算得到的最大接触压力分别比Hertz接触理论和CONTACT程序小7.11%和4.74%;有限元模型和CONTACT程序计算得到的黏着区轮轨切向接触应力有略微差异,最大相差约6%。(3)利用模态分析法研究轨道、轮对及耦合结构的高频固有特性,以及通过现场力锤敲击和宽频带激励响应法分析轨道结构的高频敏感频带。结果表明,减振扣件轨道出现的40～50 mm波长波磨通过频率(572～715 Hz)与钢轨pinned-pinned共振频率(1106 Hz)不同,而与钢轨相对道床板弯曲振动模态频率(敏感频带为570～720 Hz)相近。当车轮通过钢轨不同长度(25～90 mm)凹坑不平顺激励时,40 mm长度凹坑激励下的轮轨振动加速度和轮轨垂向力响应最敏感,其表现频带范围分别为574～720 Hz和521～736 Hz,这与轨道敏感频带相近,若车辆通过40 mm长度不平顺则容易引起轨道共振,易诱发39～55 mm显著波长波磨。(4)结合轮轨瞬态滚动接触有限元模型计算获得的轮轨力和黏滑分布等接触参量,建立基于Archard磨耗计算方法的钢轨磨耗模型,研究车轮瞬态通过钢轨凹坑的轮轨动态力与钢轨纵向磨耗特征。仿真结果表明:1)轮轨力波动与钢轨摩擦功和钢轨磨耗相关,牵引系数为0.075、0.15和0.3时导致的钢轨磨耗波长基本为恒值,显著波长分别为51 mm、52 mm和52 mm。2)车辆以75 km/h、85 km/h、95 km/h和103 km/h速度通过减振扣件轨道时,轮轨垂向力和钢轨纵向磨耗表现频率固定机制(显著频率范围为610～838 Hz),形成的钢轨磨耗显著波长分别为44 mm、46 mm、49 mm和52 mm。3)减振扣件轨道钢轨40～50 mm短波长波磨的形成,主要由570～720 Hz敏感频带内的钢轨垂向弯曲模态被激发所致,仿真模拟的钢轨磨耗波长与现场实测结果基本吻合。