冶金企業(yè)小半徑曲線輪軌異常磨耗分析

任峰 王靜

摘? 要：鐵路運(yùn)輸是冶金企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)輸方式中最重要的組成部分。由于冶金企業(yè)作業(yè)環(huán)境差、線路曲線多、載重量大，致使鐵路運(yùn)輸車輛輪對(duì)的輪緣及鋼軌磨損迅速且較為嚴(yán)重，特別是小半徑曲線上的輪軌異常磨耗嚴(yán)重影響行車安全并造成鐵路線路和冶金車輛維修成本的增加。

關(guān)鍵字：輪對(duì);曲線;輪軌;異常磨耗

車輛通過(guò)小半徑曲線線路時(shí)，由于線路、車輛狀況不良等原因造成小半徑曲線上出現(xiàn)鋼軌和輪對(duì)接觸關(guān)系異常，導(dǎo)致鋼軌的側(cè)面磨耗和輪緣外側(cè)磨耗加劇。往往鋼軌與輪對(duì)在沒(méi)有達(dá)到檢修周期就已超過(guò)磨耗限度。輪緣原型尺寸厚度為32mm，甚至新輪對(duì)裝配后，出庫(kù)使用不到一年，輪緣厚度就接近應(yīng)用限度23mm（嚴(yán)重的平均每月輪緣磨耗1mm）。為保證輪對(duì)安全性能和使用周期需對(duì)輪對(duì)進(jìn)行旋修加工（輪緣年修限度26mm），頻繁旋修造成輪輞厚度減小，大大降低輪對(duì)使用壽命。

1? 造成輪對(duì)異常磨耗原因分析

1.1小半徑曲線車輛通過(guò)時(shí)輪軌接觸問(wèn)題對(duì)磨耗的影響

冶金企業(yè)鐵道線路由于環(huán)境條件限制，小半徑曲線較多，而小半徑曲線上輪軌接觸關(guān)系直接影響輪對(duì)和鋼軌的使用壽命。輪軌接觸是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，它既是物理非線性，又是幾何非線性，邊界條件復(fù)雜。企業(yè)采用整體碾鋼車輪，材料為CL60，車輪踏面均為錐形踏面。錐形踏面有兩個(gè)斜度（如圖1），即1：20和1：10，前者位于輪緣內(nèi)側(cè)48—100mm范圍內(nèi)，是輪軌的主要接觸部分，后者為離內(nèi)側(cè)100mm以外的部分，踏面的最外側(cè)做成R=16mm的圓弧，其作用是便于通過(guò)小半徑曲線。為了防止車輪通過(guò)曲線時(shí)產(chǎn)生較大的橫向力而可能脫軌，但由于輪緣有一定傾斜度，盡管車輪有少量抬起，也會(huì)在車輪載荷的作用下，順著輪緣的斜坡滑至安全位置。這種情況不但在曲線上出現(xiàn)，在直線段上輪對(duì)受較大橫向力時(shí)也會(huì)出現(xiàn)。

輪軌出現(xiàn)異常磨耗，多數(shù)在小半徑曲線上而且機(jī)車輪對(duì)也有異常磨耗現(xiàn)象，輪緣踏面磨耗后的形狀主要取決于線路狀況和車輛運(yùn)行速度（在保證車輛輪對(duì)符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下），而與車輪本身的結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。當(dāng)運(yùn)行的線路和車輛的速度沒(méi)有較大變化時(shí)，即使車輪發(fā)生了磨耗變化，其踏面形狀也無(wú)需改變，除非磨耗過(guò)限，不會(huì)產(chǎn)生異常磨耗（輪緣磨耗速度較快、輪緣內(nèi)側(cè)磨耗、踏面圓周磨耗較快等）。

就鐵路線路因素而言造成車輛異常磨耗主要有：軌距超限、超高變化率過(guò)大（未合理設(shè)置超高順坡率）、由于軌距超限曲線不圓順等，以上原因都會(huì)使車輪與鋼軌的內(nèi)接情況不好， 阻力增加， 增加車輛的不穩(wěn)定性和橫向力， 增加導(dǎo)向力和沖擊角， 引起行車搖晃， 造成輪對(duì)輪緣異常磨耗。

1.2輪軌關(guān)系中的硬度匹配關(guān)系

輪軌本來(lái)就是一對(duì)摩擦副，除了設(shè)計(jì)合理的輪軌幾何形面外，不同運(yùn)輸條件下輪軌硬度的合理匹配對(duì)提高輪軌的使用壽命具有十分重要的作用。

有研究結(jié)果說(shuō)當(dāng)車輪硬度固定而鋼軌/車輪的硬度比<1時(shí)（即鋼軌較軟） ， 隨著鋼軌硬度的增大， 鋼軌的磨耗率減少， 而車輪的磨耗率增大;當(dāng)鋼軌的硬度增大到和車輪的硬度相等時(shí)，鋼軌和車輪的磨耗率相同;當(dāng)鋼軌/車輪硬度比> 1 時(shí)（鋼軌比車輪硬） ，鋼軌硬度繼續(xù)增大，鋼軌的磨耗率隨著其硬度的增大以更快的速度減少， 而車輪的磨耗率保持不變;當(dāng)鋼軌/車輪硬度比為1.1～1.2時(shí)，車輪的磨耗率大于鋼軌的磨耗率，說(shuō)明鋼軌硬度的提高將使車輪磨耗增加。但由于其試驗(yàn)采用不同的回火溫度來(lái)獲得不同的硬度， 因此與實(shí)際輪軌材料的組織狀態(tài)有所不同。當(dāng)鋼軌/車輪的硬度比< 0.96時(shí)， 鋼軌試樣磨損明顯上升，當(dāng)鋼軌/車輪的硬度比>1.0時(shí)， 鋼軌試樣磨損穩(wěn)定在較低水平， 而當(dāng)鋼軌車對(duì)硬度比>1.25 時(shí)， 鋼軌試樣磨耗開(kāi)始下降; 車輪試樣的磨損與軌相反， 當(dāng)鋼軌/車輪的硬度比= 1.20左右時(shí)， 車輪試樣磨損明顯增加，當(dāng)鋼軌/車輪的硬度比=1.28 時(shí)，車輪試樣磨損徒然增大了4～5倍。在鋼軌/車輪的硬度比= 1.0 附近，軌、輪試樣磨損相當(dāng)， 總磨損也最低。由此可見(jiàn)， 就減少輪軌材料的磨耗而言，最佳硬度匹配區(qū)為鋼軌/車輪的硬度比 = 1.0～1.2。在重載條件下， 車輪的硬度（強(qiáng)度）應(yīng)不低于鋼軌的硬度（強(qiáng)度）。

1.3車輛狀態(tài)對(duì)輪對(duì)異常磨耗的影響

輪對(duì)加工精度和選用的影響。車輛輪對(duì)在車削過(guò)程中，由于人為的和條件限制加工后的輪對(duì)踏面、輪緣無(wú)法達(dá)到如圖1所示的尺寸和比例或者同一輪對(duì)輪徑差過(guò)大或當(dāng)同一轉(zhuǎn)向架有一個(gè)輪對(duì)存在左右輪徑差時(shí)這樣的輪對(duì)在運(yùn)行當(dāng)中由于與鋼軌接觸無(wú)法達(dá)到最佳形位，導(dǎo)致輪緣或踏面的異常磨耗。另外，車輛偏載、轉(zhuǎn)向架側(cè)架搖枕間隙過(guò)大、旁承間隙過(guò)小等原因都會(huì)造成車輛在通過(guò)曲線時(shí)受力不均，輪軌異常接觸，導(dǎo)致輪軌異常磨耗。

2? 改善輪對(duì)異常磨耗的措施：

2.1改善輪軌合理接觸幾何形位

2.1.1合理設(shè)置外軌超高。列車在曲線上行駛對(duì)軌道產(chǎn)生離心力，使外軌承受較大的壓力。若超高度不適合，超高過(guò)大或過(guò)小都會(huì)引起鋼軌的偏載和輪軌不正常的接觸。超高過(guò)大，則車輛的重量偏載于里股鋼軌， 使里股鋼軌的垂直磨耗和里股鋼軌一側(cè)輪緣磨耗加大同時(shí)對(duì)外軌的側(cè)面磨耗也不利。超高過(guò)小，離心力不能被平衡，車輛運(yùn)行的橫向力偏于外股鋼軌， 使外股鋼軌的垂直磨耗和同側(cè)輪緣磨耗加大同時(shí)對(duì)里軌的側(cè)面磨耗也不利。所以在曲線上超高不適合， 就會(huì)造成輪軌的不正常接觸， 從而加劇輪軌異常磨耗。

2.1.2而在曲線超高的設(shè)置過(guò)程中也應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制超高順坡率。超高順坡率涉及到車輛懸浮脫軌的問(wèn)題，在這里暫且就不做說(shuō)明。（在小半徑曲線上應(yīng)設(shè)置緩和曲線，設(shè)置不同的超高順坡。鑒于緩和曲線終端脫軌危險(xiǎn)性最大，應(yīng)設(shè)置較小的超高順坡率，從終端起5-10m范圍內(nèi)按δ≤1.5‰設(shè)置，剩余超高可采用δ≤2‰的順坡率在其余長(zhǎng)度的緩和曲線內(nèi)順完）

2.1.3軌底坡的設(shè)置。由于車輪踏面與鋼軌頂面主要接觸部分有一定的傾斜度，軌道鋪設(shè)時(shí)需將鋼軌向內(nèi)側(cè)傾斜，使軌底與軌道平面之間形成一個(gè)橫向坡度，即為軌底坡。軌底坡取值適當(dāng)，能使輪軌接觸集中于軌頂及車輪踏面的中部，鋼軌軸心受力，橫向偏壓受力較小，軌腰部位產(chǎn)生的附加彎曲應(yīng)力較小，提高鋼軌的橫向穩(wěn)定性能。適當(dāng)?shù)能壍灼率馆嗆壗佑|面最大，一方面降低接觸應(yīng)力，減少輪軌疲勞損傷，降低輪軌偏磨提高輪軌使用壽命，并使列車運(yùn)行更穩(wěn)定;另一方面還可以增大牽引黏著力，獲得最佳運(yùn)行效率。軌底坡取值適當(dāng)，還可以減輕軌頭及踏面不均勻磨耗，減少鋼軌打磨量及旋輪成本，延長(zhǎng)鋼軌及車輪使用壽命;減少鋼軌旁側(cè)因磨耗產(chǎn)生的金屬粉末，使軌道結(jié)構(gòu)更干凈，減少雜散電流。

2.1.4控制車輛裝載質(zhì)量，杜絕偏載和超載情況發(fā)生。

2.2改善輪對(duì)加工工藝和選配標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.1車削時(shí)提高輪對(duì)踏面及輪緣外形的精度和質(zhì)量。應(yīng)提高輪對(duì)車削工藝水平及車削質(zhì)量可防止因?yàn)檩唽?duì)加工精度不足造成不必要的異常磨耗。在輪對(duì)選配過(guò)程中嚴(yán)格按輪徑要求進(jìn)行選配輪對(duì)。

2.2.2嚴(yán)格按技術(shù)要求落實(shí)車輛各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的檢查確認(rèn)，確保車輛狀態(tài)達(dá)標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)雋耄，傅茂海，車輛工程.3版.北京：中國(guó)鐵道出版社，2011.

[2]王一平，羅仁，胡俊波，不同配準(zhǔn)策略下的輪軌磨耗量研究.中國(guó)鐵路，2017.