重载铁路轮轨磨损原因探讨_许金国
重载铁路轮轨磨耗及其对安全运行的影响
重载铁路轮轨磨耗及其对安全运行的影响熊嘉阳;邓永权;曹亚博;李立;金学松【摘要】The development and application of heavy haul railways in China and other countries were reviewed. Typical wheel-rail wear that occurredon heavy haul railway lines was elaborated,including the wheel flange wear,hollow wear on the wheel tread,wheel ovalization,eccentric wear of wheels, side wear at rail gauge corner,rail corrugation,wheel flats,and rail burns. Then,the wheel-rail wear of heavy haul railways was studied mainly from two aspects:the mechanical behavior of the wheel-rail interaction system;and the mechanism and development of the wheel-railwear,influences of factors and possible counter measures. Moreover,effects of wheel-rail wear on the wheel-rail contact,the vehicle-track interaction,and the running stability and comfort of trains were discussed. Finally, research methods and technical routes were proposed to study the derailment safety problems of heavy haul trains under different worn conditions. With them,the derailment mechanism of heavy haul trains,key influential factors,and their rules under different worn conditions are expected to be worked out using numerical simulation.%介绍了国内外重载铁路发展现状和运用情况。
高铁轮轨磨损机理的研究
高铁轮轨磨损机理的研究随着我国高铁的快速发展，人们对高铁安全性的要求也越来越高。
然而，高铁的使用时间长了后，轮轨磨损问题逐渐浮现，直接导致了列车运行的安全隐患和寿命缩短。
因此，对高铁轮轨磨损机理的研究显得尤为重要。
首先，我们需要知道什么是轮轨磨损。
所谓轮轨磨损，就是高铁车轮和轨道之间的磨损。
高铁使用的轮轨都是经过特殊设计的，使用的材料也是经过多次筛选的优质材料。
然而，由于车轮和轨道在高速运动时摩擦所产生的热能，就会导致车轮和轨道表面材料受到热量的影响而失去原有的光洁度，轨道表面还会形成一层初始金属疲劳裂纹。
研究表明，高铁轮轨磨损机理受到很多影响，包括车辆结构、轨道性质和工作环境等。
其中，车辆的结构是对轮轨磨损影响最大的因素之一。
在重载条件下，车辆的负载能力远远超出了轨道的强度，导致轨道的受力状态出现问题，最终导致了轨道的严重变形，从而加重了轮轨磨损。
此外，轮轨磨损机理还受到运行环境的影响。
高速列车在运行时，车轮不断地碾压轨道，轮轨之间摩擦产生的摩擦力量不断地变化，同时又受到其他外界的干扰，例如沙土、雨雪等。
这些因素会使轮轨之间的摩擦力量和作用方式产生变化，最终导致轮轨磨损。
除了对轮轨磨损机理的研究，我们还需要找到相应的解决方案。
例如，较为有效的解决方案就是采用耐磨轨道材料。
这种材料具有很好的抗疲劳性、耐磨性、抗变形性等优点，能够有效地延长轨道使用寿命，降低轮轨磨损率，并保障了高速列车的安全性。
除此之外，我们还可以通过科学合理的维护管理措施解决高铁轮轨磨损问题。
比如，对于具有一定历史的高铁来说，不能只注重其日常维修保养，而应该在定期检查的基础上，根据检测结果多做一些巡视检查、系统维护和技术改进，从而减少轮轨磨损的发生。
总的来说，高铁轮轨磨损机理的研究是非常重要的。
只有深入了解轮轨磨损机理，才能进一步地研究解决方案，并提高高速列车的运行安全性和舒适度。
高速列车轮轨系统动力学和磨损分析研究
高速列车轮轨系统动力学和磨损分析研究高速铁路的发展已经成为国家重要的交通战略之一，高速列车在运行过程中的动力学和磨损问题是一项重要而复杂的研究领域。
本文将就高速列车轮轨系统的动力学特性和磨损分析进行深入研究与探讨。
首先，我们将重点关注高速列车轮轨系统的动力学特性。
高速列车运行过程中的动力学特性非常重要，对于列车的运行稳定性、安全性和乘坐舒适度起着至关重要的作用。
通过充分理解和研究列车的动力学特性，可以为运行管理和轮轨系统维护提供有力支持。
在研究高速列车动力学特性时，需要考虑多个因素，包括列车的速度、质量、轮轨参数、轮轴系统和车体结构等。
其中，车辆的速度是影响列车动力学特性的重要因素之一。
随着速度的提高，列车的加速度和减速度也会变大，进而影响到列车的牵引力和制动性能。
此外，列车的质量也会对动力学特性产生重要影响。
较大的质量会增加列车的惯性，使列车在加速和制动过程中产生更大的动力变化。
此外，轮轨参数的不良设计也可能导致列车的动力学特性发生变化。
因此，需要对轮轨系统的参数进行合理设计和调整，以确保列车的动力学特性满足要求。
我们还需关注高速列车轮轨系统的磨损问题。
高速列车在运行过程中，由于接触面的摩擦和载荷的作用，会导致轮轨系统发生磨损。
磨损的程度和形式多种多样，既有轨道表面的磨耗，也有轮轨之间的磨损。
磨损问题对于高速列车的安全和运行稳定性都有很大的影响，因此，研究轮轨系统的磨损机理和分析方法是非常必要的。
在研究轮轨系统的磨损问题时，首先需要了解磨损的机理。
磨损的机理受到多种因素的影响，包括轮轨材料的性质、轮轨之间的接触情况、运行条件和载荷等。
通过研究这些因素的相互作用，可以深入理解磨损的机理，从而采取有效的措施来减少磨损情况。
其次，我们还需要开发合适的磨损分析方法。
磨损的分析是通过对轮轨系统的数据进行采集和处理，了解磨损程度和变化趋势，为轮轨系统的维护和改进提供科学依据。
磨损分析方法可以包括实验测试和数值模拟两种方式。
高速列车轮轨磨损机理与控制
高速列车轮轨磨损机理与控制高速列车作为现代化铁路交通的重要组成部分，随着铁路技术的不断发展，其速度和载重能力得到了相应的提升。
然而，高速列车在长时间的运行过程中，经常会产生轮轨磨损，对列车的正常运行和安全性产生一定的影响。
因此，对于高速列车轮轨磨损机理和控制的深入研究，有着非常重要的实际意义和经济效益。
一、高速列车轮轨磨损机理高速列车轮轨磨损是由于列车轮和轨道之间的相互作用而引起的。
在列车行驶的过程中，轮子和轨道之间存在一定的摩擦力，造成了轮轨表面的磨损。
主要包括以下几种磨损形式：1.轮辋、轨道表面的磨损当列车运行时，轮辋和轨道表面之间的摩擦力会造成相应的磨损。
轨道表面磨损会导致轨道高度下降，轮辋磨损会导致轮辋直径变小，从而影响列车的行驶稳定性。
2.轮缘、轨道内侧的磨损由于列车行驶时轮缘和轨道内侧之间的摩擦轮会形成在轮缘和轨道内侧之间形成一定的磨损，导致轮缘和轨道内侧的几何形状发生变化，从而降低轮子与轨道之间的匹配度。
3.轨道腰部的磨损当一条轨道长时间受到列车的摩擦作用时，轨道表面会逐渐呈现凸出的形状，称为轨道腰部。
轨道腰部会导致轮辋位置偏移，从而引起不均匀的轮轨磨损，影响列车的行驶稳定性。
4.磨料磨损列车运行时，轮辋和轨道表面磨损会产生磨屑，在一定条件下，这些磨屑会形成磨料，对轨道表面和轮辋进行进一步的磨损。
二、高速列车轮轨磨损控制方法高速列车轮轨磨损对列车的运行和安全性产生不利影响，因此需要采取一定的控制方法，减少轮轨磨损的程度。
主要包括以下几种方式：1.轮轨匹配优化轮轨匹配优化是通过对列车轮子和轨道之间的匹配度进行调整，减少磨损。
其中包括轮辋和轮缘的尺寸、几何形状和表面质量等方面的优化。
此外，对于轨道表面的磨损，还可以通过涂覆特殊材料、进行表面硬化等方法进行改善。
2.减少列车重量高速列车的运行速度越快，其重量对轮轨磨损的影响也越大。
因此，采取减轻列车重量的措施，对于减少轮轨磨损具有显著的效果。
重载铁路钢轨伤损原因探析与预防措施
采用热塑性弹性体垫板，其结构稳定，塑性变 化小，重载下弹性变形较小，可以很好地适应重载 运输的要求。热塑性聚酯弹性体 TPEE 是含有聚酯 硬段和聚醚软段的嵌段共聚物，与橡胶相比，具有 更好的加工性能和更长的使用寿命，与工程塑料相 比，同样具有强度高的特点，而柔韧性和动态力学 性能更好。 2.5 采用Ⅰ级道砟，保证砟肩宽度
采用钢轨润滑剂对半径不大于 1 000 m 的曲线
上股钢轨进行润滑，以达到控制钢轨磨损速率的目 的，有效延长曲线钢轨的使用寿命。
3 结语
只有不断深入地研究轨道破坏机理，多角度完 善和强化轨道结构，认真探索运营安全与养护维修 的合理匹配，才能有效延长钢轨使用寿命。
参考文献
［1］中华人民共和国铁道部. 铁运 〔2006〕46 号 铁路线路修理规则 ［S］. 北京：中国铁道出版社，2007.
钢轨顶面擦伤（图 9），发生在车轮制动时 （此
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质量管理
重载铁路钢轨伤损原因探析与预防措施
时车轮被闸瓦抱死），车轮沿着钢轨只滑动而不滚 动（ω=0）（图 10）。列车起动时因轮轨界面粘着力 不够，导致车轮产生“飞车”现象（ω≠0）（图 11），使 钢轨接触面形成 “扁疤”型擦伤。在以上 2 种条件 下，轮轨界面温度可瞬间达到 600～1 400 ℃，接触 界面附近的材料软化甚至融化，材料磨损率十分 高。滑动停止后，接触表面附近材料迅速冷却，材 料金相组织发生变化，形成马氏体，产生热残余应 力和热疲劳裂纹。
图 9 钢轨顶面擦伤
产生严重的 磨损和高温
Fx
ω=0 V0
P
图 10 车轮沿钢轨作纯滑动（紧急制动情况）
高速铁路道轨磨损机制及预防措施
高速铁路道轨磨损机制及预防措施高速铁路的发展已经成为现代化交通系统的重要组成部分。
然而，长期高强度的列车运行和恶劣的环境条件会导致铁路道轨磨损，影响铁路的安全和可靠性。
因此，了解其磨损机制并采取相应的预防措施对于确保高速铁路的稳定运行至关重要。
一、磨损机制1. 轨道负荷磨损：列车在运行过程中，轮轴和轮胎受到来自轨道和周围环境的多个因素的影响，如过道卷磨、动车组独立悬挂系统、载荷分布不均等，造成轮轴和轮胎的磨损。
该磨损会进一步传递到铁轨上，形成轨道的磨损。
2. 磨损和疲劳：长期的列车运行会导致道轨表面的磨损和疲劳。
由于列车的载荷和速度较大，铁轨表面会受到冲击力和摩擦力的作用，导致表面粗糙度增大、细小裂纹的产生和扩展。
在磨损和疲劳的作用下，铁轨的寿命会大大减少。
3. 轮磨损：列车的轮轴与铁轨之间摩擦产生的磨损也是影响铁轨寿命的重要因素之一。
高强度运行下，轮轴会与铁轨大量接触，导致轮胎和轨道表面的磨损。
轮磨损不仅会使轮轴和轮胎受到损伤，还会引起铁轨表面的磨损。
二、预防措施1. 使用高质量的材料：为了减少铁轨磨损，选择高质量的材料非常重要。
采用高强度、耐磨损的合金钢材料制造铁轨能够在列车高速运行过程中减少磨损。
2. 轨道维护和检修：定期检查、维护和修复铁轨的磨损问题是有效预防措施之一。
通过及时替换和调整磨损严重的铁轨，减少铁轨的磨损程度，延长铁轨的使用寿命。
3. 加强轮轴和轮胎的维护：轮轴和轮胎是与铁轨紧密接触的部分，他们的磨损会对铁轨磨损造成直接影响。
因此，定期检查轮轴和轮胎的磨损程度，及时更换和修复磨损程度较大的部分，能够减少铁轨的磨损。
4. 控制列车速度：适当控制列车的运行速度能够减少轮轴和铁轨之间的摩擦，降低磨损程度。
特别是在弯道等区段，减速行驶可以减小轨道的磨损。
5. 采用适当的轨道构造：改善轨道的结构和设计也可以降低磨损程度。
通过采用曲线过渡段、增加轨道的倾斜度、优化铁轨的铺设方式等措施，可以减少轮轴和铁轨之间的侧向力，降低磨损。
浅析重载铁路线路曲线的常见病害及养护维修
浅析重载铁路线路曲线的常见病害及养护维修铁路线路作为铁路运输系统的重要组成部分，其安全运行对于铁路运输的安全和高效具有至关重要的作用。
长期以来，铁路线路曲线的病害问题一直是铁路养护工作的重点和难点之一。
曲线是铁路线路中的脆弱环节，受力和环境的影响较大，容易受到各种病害的侵扰。
针对曲线的病害问题，及时的养护维修工作显得尤为重要。
本文将从常见病害类型和养护维修措施两个方面进行浅析，以期为铁路线路曲线的养护维修提供一些参考。
一、常见病害类型1. 轮腰磨损轮腰磨损是曲线轨道常见的一种病害类型。
由于车轮在曲线处长期受到横向力的作用，导致车轮外缘产生磨损，形成轮腰磨损。
轮腰磨损的严重程度会直接影响到车轮和轨道的使用寿命，严重时还会影响到列车的行车安全。
2. 铁轨损伤曲线轨道中，铁轨容易产生各种形式的损伤，如裂缝、剥离、断裂等。
这些损伤不仅会影响列车的行车安全和舒适性，还会加速铁轨的老化和损坏，严重时甚至引发铁路事故。
3. 地基沉降曲线处的地基沉降是常见的病害问题之一。
由于曲线处的地基受到水平力的作用较大，容易发生沉降、变形等问题，严重影响到曲线的平整度和稳定性。
4. 轨道几何不良曲线处的轨道几何不良问题也较为突出。
由于曲线的特殊性，容易产生磨耗不均匀、变形扭曲等问题，严重时影响列车的行车安全和正常运行。
二、养护维修措施1. 加强检测监测针对曲线的病害问题，加强检测监测工作显得尤为重要。
定期对曲线处的轨道、地基、车轮等进行检测和监测，及时发现问题，做到早发现、早处理，以防止病害问题的进一步恶化。
2. 调整提升针对轮腰磨损问题，可以通过调整提升曲线处的轨道几何，减小车轮与轨道的横向力，从而降低轮腰磨损的程度。
也可以通过车辆调整、轮轨匹配等措施来减少轮腰磨损。
3. 损伤修复对于铁轨损伤和地基沉降等问题，需要及时进行损伤修复工作。
对于轻微的铁轨损伤，可以采用打磨、填充等修复措施；对于较严重的损伤，需要更换受损的部件。
铁道机车车辆轮轨的摩擦磨损与节能降耗
・ ２ ４ １ ．
疆铁 道职 业技 术 学 院 ， 新疆 哈密 ８ ３ ９ ０ ０ １ ）
摘 要： 铁路是 我 国交通运输体 系中的重要 内容 ， 铁路 交通体 系建设不仅可 以缓 解我 国巨大的交通运输压 力， 对促进我 国社会经济 发展也 有着积极 影响。在铁路 交通体 系快速发展 的同时， 也暴 漏 出一些不良问题 ， 主要体现在铁道机车车辆轮轨摩擦 磨损 严重 ， 对钢材有 着较 高程度需 求， 实际运行 中维修成 本投入较 高 ， 不仅 降低 了交通体 系运行的经 济效 益 ， 对我 国可持续发展 战略落 实也也造成 了一定 阻 碍。 相关部 门对该情况非常重要 ， 也在积极 的研 究新型技术对其进行改善 ， 降低铁道机车运行 对能源资源的消耗 。 对相 关 内容进行深入分 析， 希望对从业人 员有所启示。 关键词 ： 铁道机车 ； 车辆轮轨 ； 摩擦 磨损 ； 节能 降耗 铁 路运输过程中轮轨会产生较强 的牵 引力 与制 动力 ， 以此实现 耗 ， 我国与摩擦有关 的能源消耗则是 占全 年总能消耗的百分之五十 铁 道机车的安全稳定运行 。不仅轮轨之 间摩擦磨损程 度非常高 ， 而 左右 。 任何减轻摩擦阻力 的措施 ， 都可 以有效 的降低能源消耗。 现阶 且还会 消耗 大量的资源 、 能源 。现 阶段 ， 我 国铁路运行速度 、 承载程 段 ， 铁道机车车辆 轮轨摩擦磨损程 度较高 ， 使 得铁路运 营企业 需要 度都在 不断提升 ， 因轮轨摩擦磨损 面临的事故 风险也有所增加 。轮 花费 大量 的资金对车轮 、 轨枕进行 维护修理 ， 对铁路运 营企业 经济 轨 运行 中因摩擦 磨损 造成的铁道设备损伤 ， 不仅会大幅度缩减轮轨 效益提升造成了严 重阻碍 。 如果铁路运行部 门可 以注重淬火钢轨的 对钢轨车轮接触面进行打磨处理 ， 进 行轮轨润滑装置的安装 ， 的使用寿命 ， 甚 至还会导致 铁道设备失去其原 有的使用 功能 ， 对机 应用 ， 车运行安全 造成严重损 害。只有注重技术创新 ， 对各项资源能源进 充分应用成熟 的降低摩擦磨损技术 ，降低 车轮与轨枕的摩擦指数 ， 行 合理分配 与应用 ， 才能强化铁 道机车运行 的节 能特性 ， 这 也是我 降低铁道机 车车辆运行 中的能源 、 资源消耗 ， 扩展铁路 运营企业 的 国可持续发展 战略落实的要求 。 应用新 型技术将轮轨摩擦磨损降到 效益空间 ， 为其实现可持续发展奠定 良好基础 。 最低 ， 从 而有效 降低 机车运行 中能源资源消耗 ， 使得 铁路交通体 系 ３ ． １采用淬火钢轨 ， 加强钢轨维护 运行可 以取得更 为 良好 的社会效益 。 波摩 问题 是铁路机 车车轮与 轨枕相互作 用 中非 常复杂 的 问题 １ 铁 路 钢 轨 的 磨 耗 之一 ， 根据铁路运行线路或者区段的实际需求 ， 科学 、 合理 的确定 钢 根据相关管理部 门统计 了解 到 ， 现 阶段我 国有 百分 之三十左右 轨类型 ， 可 以较大程度 的预防波摩情况产 生 ， 从 而降低 车轮与轨枕 的路 段钢轨磨 损程度非 常高 ， 磨 损程度高于严重 磨损率指 标 ， 百 分 的摩擦磨损程度 。 例如 ： 我国一些铁路运 营线路就应用 了淬火钢轨 ， 之六 十以上 的曲线路段存在着 严重损伤情况 ， 不仅 对我国铁 路交通 淬火 钢轨 刚度 、 强度性 能都较 为 良好 。 所以， 在铁道规划设计 中对轨 对轨道车轮接触面进行 打磨也是非常 体系发展造成 了不 良影响 ，同时还 降低 了铁 道机车运行的安全性 、 道波摩 区可 以采用淬火钢轨。 稳定性 。轮轨摩擦磨耗对铁路运 营企业 会造成较大的经济损失 ， 如 有效的降摩措施 ， 可 以降低 车轮运行对轨枕 造成 的冲击 性 ， 从而 降 何降低轮轨摩擦磨耗是铁路运行企业需要重点思考 内容。 铁轮机车 低轨 枕磨损程度 。 根据科学调查显示 ， 如果合理 的应用淬火钢轨 ， 对 车辆轮轨之 间的作用关系是非 常复 杂的 ， 轮轨摩擦磨损 的形态有侧 钢轨车轮接触面进行打磨 ， 可 以较 大程度 的提升铁路运行企业 的经 摩、 波摩等 等 ， 这些情况 占据 着铁路钢轨运 行总量 的百 分之八 十以 济效 益 ， 仅仅是从钢材材料应 用这一层 面进 行分析 ， 就可 以缩减二 上。 铁路承载程度提升 ， 运行速度不断提高 ， 轮轨的摩擦磨损情况 也 十亿 以上 的资金投入。 越来越为严重 。 我 国铁路钢轨建设维护用材每一年都是 一个较大 的 ３ ． ２采用磨损 型车轮踏 面 数字 ， 耗材 指数 还有 持续 上涨趋势。铁路运行 中也需要消耗大量 的 铁道机车车辆 因磨损较 为严 重失去功效 主要有 两种体现 ， 分别 钢材对其进行维护 ， 从 而保证铁路机车运行 的安全 陛。 是踏面损耗达到极限与车轮边 缘损耗达 到极 限。 为 了保证铁路运行 ２机车测量车轮 的磨损 的安全性 、 稳定性 ， 铁道 管理部 门对机 车车辆车轮踏 面应用与维 修 车轮是铁路 机车整体 结构中 的重要 构件 ，铁 道机车 实际运行 都落实了硬性标 准。例如相关 维修规程中要求 ， 踏 面摩耗 深度需要 中， 车轮与轨 道的接触 面会 存在较大 的摩 擦力 ， 从 而使得 车轮与轨 控制在七毫米以下。 如果应用踏面轮缘高度为 ２ ５毫米 ， 踏面磨耗程 道产生磨耗 。根据失效分析 ， 可 以将铁 道机 车车辆车轮损伤概括性 度需要控制在 １ Ｏ毫米 以内。检修技术人员要严格依据维修规程 对 的分 为以下几种类型 ， 其 中包括 了轮缘损耗 、 热损伤 、 车轮踏面断裂 磨耗程度进行审核 ， 做好铁道机车车辆 的维修护理工作 。如果磨 耗 等。 因为磨耗严重导致车轮构件失去原有功能的主要原 因在 于车轮 程度超过了这些 指标 ， 对车辆运行安全会造成严重维修 。以往铁 道 与 轨道应力 过于集 中， 制动热应 力过于疲劳 ， 或者是 内部应力 存在 机车车轮踏面主要是采用锥形踏 面的形式 ， 这种踏 面形式前期磨耗 缺 陷等 等。 目前 ， 我 国铁路机 车有 五百 万以上数量的车轮处于运营 指数较高 ， 但是在磨损 到一定程度后磨损 速率会有所 降低 ， 并且保 状 态 中， 车轮消耗 情况非常严重 ， 这里 所指 的消耗 主要是指 引磨损 持在平稳状 态中。经过科研人员一段 时间的观测和试 验发现 ， 如果 严重对车轮进行维护修理 以及更换 。 铁道机车车辆运行每一年对新 在在车轮踏 面设计 阶段应用磨耗型 的车 轮踏 面廓形 ， 可 以较大程度 轮 的 消 耗 在 七 十 万 只 以上 ， 随着 我 国 铁 路 运 行 规 模 的 扩 展 ， 新 轮 消 的降低 车轮 与轨枕 的接触应力 ， 延长车轮与钢轨的使用周 期。 耗数量 还会 不断上涨 。按 照每一只车轮 ０ ． ５万进行计算 ， 车轮更换 结 束语 费用投人在 ３ ５亿 以上 。笔者 曾经 到某 铁路 机务组 ” 铁路机 车车辆 在今后 的技术引进或产品 自主创新的研发 中，应更加重视对产 关键零部件摩擦磨损 ” 进行现场调研工作 开展。实际调查 了解到 ： 品的摩 擦副及磨 损件标准的研究 。与此 同时， 应寻求和 开发更适应 以Ｄ Ｆ ４型铁 道机车为例 ， 为了保证铁道机 车车辆安全稳定 运行 ， 需 轮轨摩擦 副的新 材料 、 新技术 、 新工艺， 以延长关键摩擦磨损 件的使 要定期 的对 车轮 进行 维修 与更 换 ，该机务组 每 台 Ｄ Ｆ ４型轨道机 车 用 寿命 ， 进 而达到节能 、 降耗 和增效 的目的 。 每一年需要投入 的人工费为 ３ Ｉ ３万元 ， 车轮更换需要 投入 的材料 费 参考文献 在４ ２ 万 以上 ，其中并没 有包 含因铁路机车维修过程 中造成 的停运 ［ １ 】 张冬 宇， 李岩， 王海龙 ． 铁路 车辆辗钢 整体 车轮踏 面剥 离缺 陷分析 损失。 ［ Ｊ ］ ． 技 术 与 市 场， ２ ｏ １ ４ （ ｏ ４ ） ． ３ 降低轮轨磨耗 的技术措施分析 ． ［ ２ ］ 李晓骥． 铁路轮轨 疲劳磨损及节能降耗 问题 的研 究［ Ｊ ］ ． 装备制造技 为了推动我 国可持续发展战略 的落实 ，我 国落实 相应 政策 ， 要 术， ２ ０ １ ３ （ １ １ ） ． 求 注重对 节能技术进行创新 ， 并且 将节能技术应用到铁路交通体系 【 ３ 】 丁昊昊， 王文健， 郭俊 ， 刘启跃， 朱曼 昊． 轴重对轮轨材料 滚动磨损 与 建设 运行 中去 ， 更多 的应用耐磨 降阻材料 。对世界能源消耗现状进 损伤行为影响【 Ｊ １ ． 材料 工程， ２ ０ １ ５ （ １ ０ ） ． 行分 析 ， 有超过三分之一 的能 源主要是 在与摩擦 有关的场合 中被消
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许金国(1983-)男,四川中江人,硕士生(收稿日期:2008-01-24)文章编号:1008-7842(2008)04-0012-04重载铁路轮轨磨损原因探讨许金国,傅茂海(西南交通大学 机械工程学院,四川成都610031)摘 要 根据轮轨接触理论,分析了不同轮轨接触几何匹配关系下的轮轨接触应力情况,指出轮轨接触应力、轮轨接触几何关系、轴重是影响重载铁路轮轨磨损的主要因素,从重载运输装备方面提出了减少轮轨磨损的几点建议。
关键词 重载铁路;轮轨;磨损机理中图分类号:U292192+1;U21115 文献标志码:A随着国民经济的快速发展,货物运量迅速增加,铁路运能已严重不足,成为制约国民经济发展的瓶颈。
纵观世界主要铁路运输国家,增加运能的主要途径是大量新建线路,同时提高货车的轴重和运行速度,并扩大编组,开行重载运输。
我国铁路经过一段时期的快速发展,已成功开发了转K5、转K6和转K7等25t 轴重的转向架,并研制了载重为70t 的通用铁路货车及载重为80t 的专用货车,在大秦铁路上成功开行了2万t 重载列车,在主要干线上也开行5000~10000t 的重载列车。
重载铁路的主要特点是运量多、轴重大。
但是,增加轴重不可避免地要增大轮轨间的相互作用力,加剧车轮与钢轨磨损,导致钢轨、车轮频繁维修甚至更换,增加运营成本,并恶化对环境的影响。
据有关文献记载,我国每年仅在曲线轨道上换轨耗费就超过1015亿元。
若采用综合减磨措施能将钢轨使用寿命延长50%,每年可省约315亿元112。
如何在提高重载铁路运能的同时,降低其运用成本,是提高重载铁路综合运输效率的关键。
因此,研究重载铁路的轮轨磨损机理,寻求减缓轮轨磨损的措施就显得尤为重要。
1 重载铁路轮轨磨损类型货车是重载运输的主要装备,由于其数量多、载重大,是重载铁路轮轨磨耗的主体。
世界重载货车的发展主流方向是尽可能提高轴重,以充分利用线路的每延米载重和现有站线长度。
大轴重货车对重载铁路轮轨带来的磨损主要包括车轮踏面和钢轨顶面之间、轮缘和钢轨侧面之间的磨耗。
据印度铁路工作者的试验研究表明,轮缘和钢轨侧面的磨耗是轮轨主要的磨耗,约占轮轨磨耗总量的三分之二,如图1所示。
因此,轮轨侧磨是重载铁路曲线区段的最主要磨损类型,尤其在小半径大坡道地段,轮缘和外轨侧面磨耗特别快。
重载铁路轴重增加对钢轨伤损严重,对侧磨影响也较大。
在曲线上,轮对冲角基本不变,但轴重的增加会导致导向力加大,这无疑会加大钢轨的侧磨122。
轮轨磨损轮轨侧磨车轮踏面磨损钢轨轨头压溃剥离掉块波状磨耗车轮踏面剥离踏面擦伤图1 踏面磨耗和轮缘磨耗对轮轨磨耗的影响轮轨踏面剥离产生的主要原因是大轴重造成的接触切应力过大,若轮轨接触应力超出轮轨材料的屈服极限值,材料就会发生塑性变形,在反复载荷作用下,塑性变形会累积增加,在材料的表面和次表面形成微观裂纹。
微观裂纹在较大法向和切向应力作用下,将扩大并形成鱼鳞状裂纹分布在钢轨表面,即/龟裂0现象。
若出现龟裂后,不及时处理,则表面裂纹将向钢轨体内沿着运动方向扩展,然后大块剥离132。
因此,滚动接触疲劳是重载铁路车轮踏面剥离的主要原因。
第28卷第4期2008年8月铁道机车车辆RAILWAY LOC OMOTIVE &CAR Vol 128 No 14Aug 1 2008滚动接触疲劳的发展经过许多塑性流动循环,当车轮表面的应力超过了用于制造车轮材料的屈服极限时,车轮表面便出现开裂,之后,萌生的裂纹将扩展到踏面上,进而在应力作用下,出现车轮踏面的剥离现象;列车的制动及车轮空转也会引起车轮表面擦伤,最后造成车轮踏面剥离142。
钢轨压溃是重载线路钢轨的主要磨损类型,它是由于钢轨连续的塑性变形所导致的。
特别是重载线路的曲线区段,常常会发生钢轨表层的塑性流动,即压溃现象,形成肥边122。
值得一提的是钢轨波状磨耗的萌生及发展是产生在轮轨接触界面上,它是机车车辆系统和轨道系统相互作用的结果,涉及到的因素很多,凡是可能的影响因素都成为研究波状磨耗的出发点,轴重是引起钢轨波状磨耗的因素之一,但迄今为止仍未能提出一种广泛认同的理论来解释各种波磨现象152。
2 重载铁路轮轨磨损机理分析轮轨关系是铁路区别于其他运输方式的主要特征。
轮轨关系包括轮轨相互接触的几何关系和轮轨之间的相互作用力,因此,影响轮轨磨损的因素很多。
从上述的轮轨磨损类型看,重载铁路轮轨磨损与轮轨接触应力、轮轨接触几何关系、踏面形状、轴重、运行速度、车轮和钢轨材质、转向架的动力学性能等关系紧密。
(1)轮轨接触应力轮轨接触应力的计算是研究轮轨关系的基础,也是进一步研究车辆的运行性能及轮轨磨耗等问题的理论依据162。
轮轨接触的基础是赫兹(Hertz)接触力学,根据赫兹接触理论关于弹性体接触斑几何尺寸关系,轮轨之间的接触可以看成是两个任意曲面弹性体的接触,其接触斑为椭圆形,这时的轮轨接触应力按半椭图2 轮轨接触斑球体分布,如图2所示,各点接触应力为:R =3P 2P #a #b1-(x a )2-(yb)2(1)式中a 、b 分别是椭圆接触斑的长、短半轴,其值为:a =m(3P (1-v 2)E #(A +B ))13,b =n(3P(1-v 2)E #(A +B))13=n ma;m 、n 的值可由下式计算:cos H =B -A B +A =Q11-Q 12+Q 21Q 11+Q 12-Q 21,磨耗型踏面车轮cos H =B -A B +A =Q 11-Q 12-Q 21Q 11+Q 12+Q 21,锥型踏面车轮(2)由上面(2)式计算出cos H 的值,根据相关的椭圆接触参数表即可得到m 、n 值。
式中P 为车轮轴重;M 为钢的泊桑比,一般轮轨材质取为M =0125~013;E 为钢的弹性模量,一般取E =2106@105N/mm 2;Q 11、Q 12、Q 21、Q 22分别为轮轨接触点处轮轨主曲率,对应下面的各半径;R 11、R 12、R 21、R 22分别为接触点处车轮的滚动圆半径、钢轨轨顶面横向半径、车轮踏面横向曲率半径、钢轨纵向曲率半径(R 22y ])。
从(1)式中可以得到,在接触斑的中心,即x =y =0的原点处接触应力最大为:R ma x =3P 2P #a #b=115R 0(3)式中R 0为平均接触应力,R 0=PP #a #b 。
轮轨接触时,在钢轨内产生相应的应力场,但钢轨处于同向且多方受压的状态,一般不会在内部产生破损,使钢轨产生破坏的力是切应力,由应力圆可求出最大切应力,其位置位于距轮轨接触面深度为z 处172。
S max =01315R max ,z =0141a(4)由上面公式计算出不同轮轨接触条件下的最大接触应力R max (MPa)、最大切应力S max (MPa)如表1所示。
据密赛斯(Von-Mises)屈服准则,R S =3#S S(5)轮轨安定极限为R >23#S S U 3146S S(6)式中R S 为钢轨材料的拉伸屈服极限(MPa);S S 为钢轨材料的剪切屈服极限(MPa)。
根据安定极限,若钢轨承受的应力大于2R S ,钢轨将出现连续而累积的塑性变形,加速钢轨磨损与破损。
根据我国重载钢轨用60kg/m 的材料特性,钢轨的塑性变形的安定极限约为1400MPa 。
从表1中可以看出,当前我国重载铁路采用的<840mm 轮径在25t 轴重情况下,在轨顶300mm 半径处,采用锥型踏面的轮轨接触应力很接近钢轨的安定极限值,而采用LM 磨耗型踏面的轮轨接触应力值安定余量较多。
但在轨顶80mm 半径处,两种轮轨型面接触匹配的接触应力都大于2000MPa,均超过了钢轨的/安定极限0值,很容易产生塑性变形。
这也是小半径曲线钢轨表面产生剥离掉块病害多发生在80mm 半径区的原因,也加第4期重载铁路轮轨磨损原因探讨13重了钢轨的侧磨。
尽管在钢轨13、15mm半径小圆角处接触应力很大,但车轮踏面接触钢轨小圆角的机会不多,主要是轮缘接触钢轨小圆角,由于轮缘是凹形曲面,接触应力相对较小。
同时,从上面的计算公式及结果可以看到:增大轨顶及小圆角半径会降低轮轨接触应力。
表1轮轨接触应力理论计算接触状态计算条件P/kN R11/mm R12/mm R21/mmRmax/MPa S m ax/MPa锥型踏面新轮与新轨(60kg/m)接触105840300]1285122404185 125840300]1362113429107 135840300]1397152440122 125840500]1141107359144 12584080]2223169700146 12584015]46681411470155 12584013]49841241570104LM磨耗型踏面新轮与新轨(60kg/m)接触105840300500964140303179 1258403005001021190321190 1358403005001048144330126LM磨耗型踏面新轮与新轨(75kg/m)接触105840500500716185225181 125840500500759174239132 135840500500779148245153LM磨耗型踏面新轮与新轨(60kg/m)接触时轮径变化的影响1257603005001066175336103 1258403005001021190321190 125915300500986101310159 1251050300500932180293183LM磨耗型踏面新轮与新轨的轨头圆角接触时1058401350046501741464198 1258401350049291021552164 1258401550045981001448137 125840805002076181654120(2)轮轨接触几何关系轮轨接触几何关系是轮轨系统的最基本问题之一,也是影响轮轨磨损的主要因素之一。
选择最优的轮轨接触几何参数是降低轮轨接触应力,从而减小轮轨磨损量最为经济、有效的方法。
对轮轨接触应力值影响较大的几何接触参数主要为车轮轮径、车轮与钢轨廓形、线路参数等因素。
从表1知道,随着轮径的增加,接触应力降低,如轮径<915与<840相比较,接触应力可以降低9%,则加大车轮轮径可以降低轮轨接触应力,但加大车轮直径,会增加车轮质量,对轮轨之间的动态作用力带来负面影响。
在相同的条件下,磨耗型车轮和锥形车轮与钢轨接触,最大接触应力降低了24198%。
众多的文献18-102介绍了线路参数如轨距、轨底坡、曲线超高等对轮轨磨损的影响。
也提出了相应的措施,在本文中不做进一步探讨。
在直线轨道上轮轨接触时,由于车轮踏面(等效)锥度的存在,当轮对受到横向激扰偏离线路中心线运行时,则左右车轮的滚动半径就不再相同,用接触几何关系分析可知道,其运动方程为正弦函数关系,故在直线轨道上车轮是以正弦形轨迹运行172,即蛇行运动。