懸掛式快捷貨物運(yùn)輸列車輪軌關(guān)系探討

林 麗，計(jì) 強(qiáng)

（中車資陽機(jī)車有限公司，四川資陽 641301）

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)鐵路貨運(yùn)的快捷性、經(jīng)濟(jì)性要求越來越高，都希望用最少的時(shí)間、最少的投入，獲得最大的經(jīng)濟(jì)利益，尤其是在大宗貨物的運(yùn)輸上顯得尤為迫切，如礦石、煤碳以及大港口貨物的運(yùn)輸?shù)?。在鐵路線路方面，如果新建一條傳統(tǒng)鐵路線路，其占地面積大、線路長、建設(shè)周期長，且耗費(fèi)大量的資金，如果該地方的貨物資源殆盡，鐵路線路也將荒廢。針對(duì)此問題，我公司設(shè)計(jì)了一款懸掛式快捷貨物運(yùn)輸列車，該列車由若干個(gè)動(dòng)力車和拖車組成。與列車相匹配的是空中軌道，該軌道梁用鋼筋水泥梁支撐于地面之上，軌道及轉(zhuǎn)向架位于空中軌道箱形梁內(nèi)，車體吊于轉(zhuǎn)向架下方，位于箱形梁外面?？罩熊壍揽煽s短站與站之間的距離，提高運(yùn)輸效率。因此，此種懸掛式空中軌道貨物運(yùn)輸方式具有占地少、建設(shè)周期短、成本低、快捷、噪聲低的特點(diǎn)。

1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

懸掛式空中軌道貨物運(yùn)輸列車（以下簡稱貨運(yùn)列車）由動(dòng)力車和拖車組成，動(dòng)力車和拖車的轉(zhuǎn)向架上均安裝有走行輪、導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪，以實(shí)現(xiàn)列車的牽引、制動(dòng)、導(dǎo)向、穩(wěn)定功能。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，轉(zhuǎn)向架的主要參數(shù)見表1。

表1 轉(zhuǎn)向架主要參數(shù)

圖1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)簡圖

2 輪軌關(guān)系探討

2.1 輪軌結(jié)構(gòu)分析

輪軌關(guān)系是輪軌交通方式所特有的接觸關(guān)系，輪軌的匹配影響著行車安全和列車的運(yùn)行品質(zhì)。

傳統(tǒng)輪軌關(guān)系中，車輪有踏面和輪緣，鋼軌為“工”字型結(jié)構(gòu)。該車輪軌關(guān)系中，由于有導(dǎo)向輪的存在，走行輪不發(fā)揮導(dǎo)向的作用，因此，走行輪無輪緣，鋼軌為“┻”字型結(jié)構(gòu)，軌頭形狀采用簡單的直線加圓弧形式，為使輪對(duì)在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)中，將左右兩鋼軌的安裝面設(shè)置一定的錐度，使鋼軌上平面成“V”型。穩(wěn)定輪可以使列車在運(yùn)行過程中，不發(fā)生蛇行失穩(wěn)。

列車在運(yùn)行中，更小的運(yùn)行阻力消耗更少的能源，走行輪材料的選擇是影響運(yùn)行阻力的因素之一。走行輪采用橡膠輪與鋼性輪時(shí)，其運(yùn)行阻力的對(duì)比見表2，從對(duì)比結(jié)果來看，走行輪采用鋼性材料，運(yùn)行阻力最小。

表2 平直道上不同輪軌接觸面材料的運(yùn)行阻力對(duì)比

2.2 輪軌接觸面分析

傳統(tǒng)鐵路機(jī)車車輛在直線軌道上運(yùn)行時(shí)，存在輪對(duì)的蛇行運(yùn)動(dòng)，在正常的蛇行運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，輪對(duì)中心的橫向偏移量一般不超過4 mm，輪軌接觸點(diǎn)在踏面上±4 mm的范圍內(nèi)移動(dòng)。在鋼軌上，如果接觸點(diǎn)的位置變化范圍較小，將造成鋼軌的局部過快磨耗。因此，應(yīng)保證車輪踏面與鋼軌的接觸面不集中在一點(diǎn)或一個(gè)小的范圍內(nèi)。

以公司生產(chǎn)的傳統(tǒng)機(jī)車為例，機(jī)車采用JM 3型踏面，匹配中國鐵路60 kg/m鋼軌，在動(dòng)力學(xué)計(jì)算中，其接觸位置關(guān)系如圖2所示，車輪橫向位移±10 mm時(shí)，輪軌接觸面在較寬的范圍內(nèi)變化，不會(huì)造成鋼軌的局部磨耗［1］。

圖2 60 kg/m鋼軌與JM 3型踏面的接觸幾何關(guān)系

貨運(yùn)列車輪軌形狀如圖3所示，經(jīng)動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算，其輪軌接觸幾何關(guān)系如圖4所示。

圖3 貨運(yùn)列車輪軌形狀

對(duì)比圖2和圖4，貨運(yùn)列車車輪橫向位移±10 mm時(shí)，鋼軌上的接觸面長度均約占鋼軌總寬度的50%，與傳統(tǒng)鐵路鋼軌接觸面長度基本相當(dāng)，說明該車輪軌匹配關(guān)系能保證鋼軌的均勻磨損。

圖4 貨運(yùn)列車鋼軌和車輪踏面接觸幾何關(guān)系[2]

2.3 輪緣磨耗分析

根據(jù)我國鐵路行業(yè)長期的輪軌磨耗統(tǒng)計(jì)研究證明：2點(diǎn)接觸是造成輪軌非正常磨耗的主要原因。由于車輛曲線通過時(shí)，車輪的輪緣將貼靠鋼軌一側(cè)，車輪與鋼軌出現(xiàn)2點(diǎn)接觸，2點(diǎn)中至少有1點(diǎn)在滾動(dòng)過程中夾雜著滑動(dòng)，輪緣出現(xiàn)不同程度的磨耗。貨運(yùn)列車的導(dǎo)向機(jī)理與傳統(tǒng)鐵路機(jī)車車輛導(dǎo)向機(jī)理不同，該車依靠導(dǎo)向輪導(dǎo)向，車輪踏面上不設(shè)置輪緣，因此，不存在輪緣磨耗的問題。

2.4 運(yùn)行穩(wěn)定性分析

合理的輪軌接觸關(guān)系匹配，不僅與輪軌磨耗有關(guān)，也決定著車輛的臨界速度。

根據(jù)動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析，動(dòng)力車的非線性臨界速度為110 km/h，拖車空車的非線性臨界速度為100 km/h，拖車重車的非線性臨界速度為120 km/h，均大于最高設(shè)計(jì)速度65 km/h，因此貨運(yùn)列車不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的蛇行運(yùn)動(dòng)。

2.5 曲線通過能力分析

2.5.1 自由輪對(duì)的曲線通過能力

自由輪對(duì)通過曲線時(shí)，由于踏面具有斜度，當(dāng)輪對(duì)向左橫移時(shí)，左輪滾動(dòng)圓半徑增大，右輪滾動(dòng)圓半徑減小，反之亦然。自由輪對(duì)純滾動(dòng)線偏移量y0越小，說明車輛輪對(duì)滑動(dòng)量越小。根據(jù)《機(jī)車總體及轉(zhuǎn)向架》公式16-31：［3］，計(jì)算貨運(yùn)列車與傳統(tǒng)機(jī)車自由輪對(duì)純滾動(dòng)線偏移量，見表3。

表3 自由輪對(duì)純滾動(dòng)線偏移量

通過表3可以看出，在通過相同半徑的曲線時(shí)，貨運(yùn)列車的自由輪對(duì)純滾動(dòng)線偏移量為傳統(tǒng)機(jī)車的0.24倍，即貨運(yùn)列車的自由輪對(duì)曲線通過能力強(qiáng)于傳統(tǒng)機(jī)車。

2.5.2 列車曲線通過能力

為評(píng)價(jià)貨運(yùn)列車的曲線通過能力，將貨運(yùn)列車曲線通過時(shí)的輪軌橫向力、脫軌系數(shù)與公司生產(chǎn)的普通兩軸轉(zhuǎn)向架機(jī)車進(jìn)行對(duì)比，見表4。計(jì)算和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)按照TB/T 2360—1993《鐵道機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

從表4可以看出，貨運(yùn)列車的輪軌橫向力和脫軌系數(shù)均在限度值以內(nèi)，除貨運(yùn)列車中的拖車空車和拖車重的脫軌系數(shù)β略差于兩軸轉(zhuǎn)向架機(jī)車外，其余的限度值與計(jì)算值的比值均優(yōu)于兩軸轉(zhuǎn)向架機(jī)車，說明貨運(yùn)列車的曲線通過能力優(yōu)于一般的兩軸轉(zhuǎn)向架機(jī)車。

表4 曲線通過時(shí)動(dòng)力學(xué)性能對(duì)比

3 結(jié)語

通過以上分析、計(jì)算得出，貨運(yùn)列車輪軌匹配具有較好的輪軌接觸面，能保證鋼軌與車輪的均勻磨損；非線性臨界速度為100 km/h，大于最高設(shè)計(jì)速度65 km/h，因此不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的蛇行運(yùn)動(dòng)；曲線通過能力優(yōu)于一般的兩軸轉(zhuǎn)向架機(jī)車。因此，該輪軌匹配關(guān)系能滿足貨物運(yùn)輸列車快捷、經(jīng)濟(jì)、可靠的運(yùn)用需要。