輪軸一體式輪對與鋼軌在曲線軌道上的關系探討

張 偉

（國能朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司，山西忻州 034100）

0 引言

朔黃線運行的車輛大部分是輪軸一體式敞車，即車輪與車軸通過熱盈配工藝組合，在通過曲線（即曲線軌道）時，受離心力作用，車體向曲線外側運動。由于車輪踏面為錐形形狀，車輪輪緣將貼靠鋼軌上股內側工作邊運動，車輪踏面最大直徑位于曲線上股滾動、較小直徑則在曲線下股滾動。輪軸一體式輪對的兩輪轉動圈數相同，這使得同一個輪對在曲線上的滾動距離出現長度差，由于曲線的上、下股鋼軌同樣有長度差，這樣車輪的錐形踏面就有了差速器的作用。車輛差速器是驅動橋的主件，其作用就是在向兩邊半軸傳遞動力的同時，允許兩側半軸以不同的轉速旋轉，滿足兩側車輪盡可能以純滾動的形式作不等距行駛，減少輪胎與地面的摩擦。

1 輪軸一體輪對對曲線的影響

1.1 上/下股波磨

曲線上/下股鋼軌長度的比例，與車輪最大直徑/最小直徑的比例不盡相同，曲線半徑越小，兩股鋼軌長度差越大；曲線半徑越大，長度差越?。ó敒橹本€時，則沒有長度差）；曲線全長越長，長度差越大，反之則越小，但是在直線鋼軌上兩車輪滾動總長相近。但車輪的大/小直徑差很小，這樣當大直徑輪沿小半徑曲線上股運行時，下股車輪會出現超前運行情況（或上股車輪滯后）。由于臺車框架中十字拉桿部件的輪對位置限定功能，導致這個力傳遞給車軸、像上了發條一樣。當“發條”的力積蓄到超過一定值就會釋放（這個值即是該車輛的軸重），車輪會產生一定角度的空轉現象，就會與鋼軌產生摩擦。雖然空轉角度非常小，但這個力卻非常大。

由于每列車的新/舊車輪磨耗不同、直徑不同，所以列車在由直線駛入曲線后，當運行到上、下股鋼軌的某個長度差距離上時，不同直徑的車輪在自己的空轉位置上產生少量空轉，增加了該點的鋼軌頂面磨耗。由于朔黃線的車輛成批次上線，車型種類較少，運量類似、運行里程類似，所以車輪磨耗類似，導致大部分車輪直徑也類似。最大區別是新、舊車輪的直徑不同，所以大量直徑相似的車輪在相近位置產生空轉，產生摩擦；而直徑較大或較小的車輪會在這一點超前少許或滯后一點的地方產生空轉、摩擦。這樣中間磨耗較深，兩邊磨耗較淺，一個波浪谷形成了。當車輪的“發條力”釋放后，它會重新積蓄產生新的“發條力”，在下一個長度單位釋放。重車軸重大直接對軌面造成了破壞，而空車的軸重不足以破壞軌面，所以慢慢積累為波浪形磨耗。

1.2 軌頂面剝離

運行一段時間后，鋼軌上線的軌頂面會出現“光帶”，鋼軌斷開后會看到這層“光帶”向下延伸（最多2～3 mm），這其實是鋼軌在車輪高壓碾壓下形成的一層冷鍛層，其硬度與耐磨度明顯增加，但脆性也增加（圖1）。

圖1 波浪形磨耗造成的枕端長距離泛白

車輪在向前運行的過程時，會推動鋼軌表層的部分一起向前運動，所以普通線路接頭處會有向前碾長的“肥邊”。鋼軌表層向前運動的部分與冷鍛層是同時慢慢形成的，所以冷鍛層會有列車運行方向的紋路，稱之為“魚鱗紋”，而上、下股鋼軌的魚鱗紋正好形成“八字形”。就是說，魚鱗紋的紋路是因車輪運行的方向產生的。列車直線行駛時，車輪正常運行，并不會使鋼軌產生剝離掉塊。進入曲線后，由于車輪“發條力”的釋放，產生反向空轉現象或反向運轉的勢能，那么曲線鋼軌的表面就會產生反方向的魚鱗紋。在方向相反的兩個力的作用下，裂紋迅速放大，同時在車輪的粘帶作用下，剝離的小碎塊被帶離鋼軌。

圖2 中裂紋呈S 形，說明軌面受到了方向相反的作用力，同時也從側面證實了車輪逆向力的猜想。

圖2 軌面剝離的裂紋與魚鱗紋呈現S 形

通過多年對曲線鋼軌頂面剝離現象的觀察發現，曲線鋼軌頂面破壞、剝離現象多數情況下發生在曲線下股，較少發生在上股。分析后認為，曲線半徑為一個整數，而超高也是一個5 的整倍數，所以超高的值是有誤差的。朔黃線為貨運專線，整體車速偏低，所以多數情況下超高設置是偏小的。當超高偏小時，列車通過曲線時車體會有一個向外側傾斜的勢能，上股車輪所受壓力會加大、下股車輪所受壓力減小，這時車軸內的“發條力”會在下股車輪釋放，下股車輪會產生一定空轉現象。反之，超高設置偏大則上股車輪會邊滾動邊滑行一段距離去追趕超前運行的下股車輪。所以，在曲線隧道作業的工人，有時可以看見車輪與鋼軌摩擦產生的火星，通常會誤認為是閘瓦抱輪產生的。

1.3 側磨

列車進入曲線后，下股車輪的超前運動使得輪對盡量以直線方向運行，阻止上股車輪轉向，這就造成上股車輪輪緣切割上股鋼軌內側工作邊。車軸內積聚的扭力越大、切割越嚴重，當車軸內的扭力釋放后車輪就會正常轉向。所以，曲線內的側磨會忽大忽小，磨耗量并不相同。而側磨越大的位置，其軌頂踏面越窄、受壓面積越小，使得其所受壓強越大、磨耗越快，所以側磨大的部位其垂磨也大。切斷嚴重側磨的鋼軌后從斷面上可以看到，鋼軌側工作邊的下部（鋼軌側工作邊低于輪緣的部位）會有卷起的肥邊，這明顯是輪緣切割鋼軌側工作邊后擠壓到輪緣下方的軌頭部分。

通過多年的線路磨耗檢查記錄發現，上行重車線半徑R 不小于1000 m 的曲線側磨狀態良好，而R 不大于800 m 的曲線則側磨非常嚴重。如果側磨是因離心力產生的，那么其將與曲線半徑無關，區別只是磨耗大小的不同。但現場并非如此，而且理論上超高完全可以用抵消離心力的影響，可見曲線側磨是由于輪緣切割造成的。

2 線路大方向對輪緣偏磨的影響

對于固定在大方向左轉（或右轉）的鐵路上運行的機車、車輛，因為在線路全長內左轉曲線總長大于右轉曲線總長（反之亦然），所以其在曲線上股運行較多的一側車輪的磨損情況較另一側嚴重。

在朔黃鐵路原平分公司管內的小半徑曲線，左、右轉曲線長度合計分別為34 825.05 m 和31 318.52 m，左轉的比右轉的多出3 506.53 m、高出約10%～15%，則一側車輪比另一側車輪也應多磨耗10%～15%。

3 結論

朔黃開行大軸重車后，重車對輪軸施加的壓力遠大于空車，這使得重車車軸出現“發條效應”、比空車軸積蓄了更多的扭力，上股車輪更難轉向，增大了軸溫，加大了車軸裂紋、傷損，甚至是切軸的風險，加速鋼軌的各種磨耗；增加車體的振動，降低車輛與線路設備的使用壽命；增加軌道線路的養護難度與設備的維護費用，產生噪聲污染等。應對措施主要有4 個：

（1）對于線路波磨處所，采用鋼軌銑磨車或打磨車進行病害整治。但銑磨兩次之后，發現銑磨量加鋼軌自身垂磨量，使線上鋼軌與新鋼軌有了高度差，并且銑磨鋼軌表面只能治標、不能治本。

（2）輪軸分離能從根本上解決問題，所以在輪、軸間加入軸承。

（3）增大輪錐比例后，會影響列車在直線上的“蛇形運動”，所以可以加大車輪錐度。另外，為迎合加大的輪錐角度，可以加大軌底坡。例如，觀察發現，上行重車線R 不小于1000 m 的曲線側磨狀態良好，而R 不大于800 m 的曲線則側磨非常嚴重，由此推斷現在輪錐的錐度可以匹配R 不小于1000 m 的曲線而不能匹配R 不大于800 m 的曲線。因為線上R 為800 m 的曲線數量較多，而水大于800 m 的數量大幅減少。如果能將R 為800 m 的曲線大幅降低磨耗，則在鋼軌與車輪上產生的效益也很可觀。因此，未來可以研究是否將輪錐錐度加大20%，以匹配R 為800 m 的曲線。

（4）如果車輪踏面比軌面寬，則有可能會出現以下3 種情況：①經常在軌面上走行的車輪部分，其磨耗大于軌頭光帶外側的車輪；②剎車時閘瓦的抱輪位置，正好是車輪踏面的走行部分；③延展性是金屬的主要特性，碾壓區的車輪表面會有向非碾壓區延展的現象。這樣輪對在曲線上運行時，就會弱化上/下股車輪的差速功能。

因此，應有計劃地進行機車、車輛調頭和車輪工作面外形的恢復性銑磨，以盡量改善車輪與鋼軌的接觸狀態、延長設備使用壽命。