冶金企業小半徑曲線輪軌異常磨耗分析

任峰 王靜

摘? 要：鐵路運輸是冶金企業生產運輸方式中最重要的組成部分。由于冶金企業作業環境差、線路曲線多、載重量大，致使鐵路運輸車輛輪對的輪緣及鋼軌磨損迅速且較為嚴重，特別是小半徑曲線上的輪軌異常磨耗嚴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。

關鍵字：輪對;曲線;輪軌;異常磨耗

車輛通過小半徑曲線線路時，由于線路、車輛狀況不良等原因造成小半徑曲線上出現鋼軌和輪對接觸關系異常，導致鋼軌的側面磨耗和輪緣外側磨耗加劇。往往鋼軌與輪對在沒有達到檢修周期就已超過磨耗限度。輪緣原型尺寸厚度為32mm，甚至新輪對裝配后，出庫使用不到一年，輪緣厚度就接近應用限度23mm（嚴重的平均每月輪緣磨耗1mm）。為保證輪對安全性能和使用周期需對輪對進行旋修加工（輪緣年修限度26mm），頻繁旋修造成輪輞厚度減小，大大降低輪對使用壽命。

1? 造成輪對異常磨耗原因分析

1.1小半徑曲線車輛通過時輪軌接觸問題對磨耗的影響

冶金企業鐵道線路由于環境條件限制，小半徑曲線較多，而小半徑曲線上輪軌接觸關系直接影響輪對和鋼軌的使用壽命。輪軌接觸是一個非常復雜的過程，它既是物理非線性，又是幾何非線性，邊界條件復雜。企業采用整體碾鋼車輪，材料為CL60，車輪踏面均為錐形踏面。錐形踏面有兩個斜度（如圖1），即1：20和1：10，前者位于輪緣內側48—100mm范圍內，是輪軌的主要接觸部分，后者為離內側100mm以外的部分，踏面的最外側做成R=16mm的圓弧，其作用是便于通過小半徑曲線。為了防止車輪通過曲線時產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，在直線段上輪對受較大橫向力時也會出現。

輪軌出現異常磨耗，多數在小半徑曲線上而且機車輪對也有異常磨耗現象，輪緣踏面磨耗后的形狀主要取決于線路狀況和車輛運行速度（在保證車輛輪對符合標準的情況下），而與車輪本身的結構無關。當運行的線路和車輛的速度沒有較大變化時，即使車輪發生了磨耗變化，其踏面形狀也無需改變，除非磨耗過限，不會產生異常磨耗（輪緣磨耗速度較快、輪緣內側磨耗、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、超高變化率過大（未合理設置超高順坡率）、由于軌距超限曲線不圓順等，以上原因都會使車輪與鋼軌的內接情況不好， 阻力增加， 增加車輛的不穩定性和橫向力， 增加導向力和沖擊角， 引起行車搖晃， 造成輪對輪緣異常磨耗。

1.2輪軌關系中的硬度匹配關系

輪軌本來就是一對摩擦副，除了設計合理的輪軌幾何形面外，不同運輸條件下輪軌硬度的合理匹配對提高輪軌的使用壽命具有十分重要的作用。

有研究結果說當車輪硬度固定而鋼軌/車輪的硬度比<1時（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;當鋼軌的硬度增大到和車輪的硬度相等時，鋼軌和車輪的磨耗率相同;當鋼軌/車輪硬度比> 1 時（鋼軌比車輪硬） ，鋼軌硬度繼續增大，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;當鋼軌/車輪硬度比為1.1～1.2時，車輪的磨耗率大于鋼軌的磨耗率，說明鋼軌硬度的提高將使車輪磨耗增加。但由于其試驗采用不同的回火溫度來獲得不同的硬度， 因此與實際輪軌材料的組織狀態有所不同。當鋼軌/車輪的硬度比< 0.96時， 鋼軌試樣磨損明顯上升，當鋼軌/車輪的硬度比>1.0時， 鋼軌試樣磨損穩定在較低水平， 而當鋼軌車對硬度比>1.25 時， 鋼軌試樣磨耗開始下降; 車輪試樣的磨損與軌相反， 當鋼軌/車輪的硬度比= 1.20左右時， 車輪試樣磨損明顯增加，當鋼軌/車輪的硬度比=1.28 時，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， 總磨損也最低。由此可見， 就減少輪軌材料的磨耗而言，最佳硬度匹配區為鋼軌/車輪的硬度比 = 1.0～1.2。在重載條件下， 車輪的硬度（強度）應不低于鋼軌的硬度（強度）。

1.3車輛狀態對輪對異常磨耗的影響

輪對加工精度和選用的影響。車輛輪對在車削過程中，由于人為的和條件限制加工后的輪對踏面、輪緣無法達到如圖1所示的尺寸和比例或者同一輪對輪徑差過大或當同一轉向架有一個輪對存在左右輪徑差時這樣的輪對在運行當中由于與鋼軌接觸無法達到最佳形位，導致輪緣或踏面的異常磨耗。另外，車輛偏載、轉向架側架搖枕間隙過大、旁承間隙過小等原因都會造成車輛在通過曲線時受力不均，輪軌異常接觸，導致輪軌異常磨耗。

2? 改善輪對異常磨耗的措施：

2.1改善輪軌合理接觸幾何形位

2.1.1合理設置外軌超高。列車在曲線上行駛對軌道產生離心力，使外軌承受較大的壓力。若超高度不適合，超高過大或過小都會引起鋼軌的偏載和輪軌不正常的接觸。超高過大，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輪緣磨耗加大同時對外軌的側面磨耗也不利。超高過小，離心力不能被平衡，車輛運行的橫向力偏于外股鋼軌， 使外股鋼軌的垂直磨耗和同側輪緣磨耗加大同時對里軌的側面磨耗也不利。所以在曲線上超高不適合， 就會造成輪軌的不正常接觸， 從而加劇輪軌異常磨耗。

2.1.2而在曲線超高的設置過程中也應當嚴格控制超高順坡率。超高順坡率涉及到車輛懸浮脫軌的問題，在這里暫且就不做說明。（在小半徑曲線上應設置緩和曲線，設置不同的超高順坡。鑒于緩和曲線終端脫軌危險性最大，應設置較小的超高順坡率，從終端起5-10m范圍內按δ≤1.5‰設置，剩余超高可采用δ≤2‰的順坡率在其余長度的緩和曲線內順完）

2.1.3軌底坡的設置。由于車輪踏面與鋼軌頂面主要接觸部分有一定的傾斜度，軌道鋪設時需將鋼軌向內側傾斜，使軌底與軌道平面之間形成一個橫向坡度，即為軌底坡。軌底坡取值適當，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，軌腰部位產生的附加彎曲應力較小，提高鋼軌的橫向穩定性能。適當的軌底坡使輪軌接觸面最大，一方面降低接觸應力，減少輪軌疲勞損傷，降低輪軌偏磨提高輪軌使用壽命，并使列車運行更穩定;另一方面還可以增大牽引黏著力，獲得最佳運行效率。軌底坡取值適當，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，延長鋼軌及車輪使用壽命;減少鋼軌旁側因磨耗產生的金屬粉末，使軌道結構更干凈，減少雜散電流。

2.1.4控制車輛裝載質量，杜絕偏載和超載情況發生。

2.2改善輪對加工工藝和選配標準。

2.2.1車削時提高輪對踏面及輪緣外形的精度和質量。應提高輪對車削工藝水平及車削質量可防止因為輪對加工精度不足造成不必要的異常磨耗。在輪對選配過程中嚴格按輪徑要求進行選配輪對。

2.2.2嚴格按技術要求落實車輛各項技術參數的檢查確認，確保車輛狀態達標。

參考文獻：

[1]嚴雋耄，傅茂海，車輛工程.3版.北京：中國鐵道出版社，2011.

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