輪軸一體式輪對(duì)與鋼軌在曲線軌道上的關(guān)系探討

張 偉

（國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西忻州 034100）

0 引言

朔黃線運(yùn)行的車(chē)輛大部分是輪軸一體式敞車(chē)，即車(chē)輪與車(chē)軸通過(guò)熱盈配工藝組合，在通過(guò)曲線（即曲線軌道）時(shí)，受離心力作用，車(chē)體向曲線外側(cè)運(yùn)動(dòng)。由于車(chē)輪踏面為錐形形狀，車(chē)輪輪緣將貼靠鋼軌上股內(nèi)側(cè)工作邊運(yùn)動(dòng)，車(chē)輪踏面最大直徑位于曲線上股滾動(dòng)、較小直徑則在曲線下股滾動(dòng)。輪軸一體式輪對(duì)的兩輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)相同，這使得同一個(gè)輪對(duì)在曲線上的滾動(dòng)距離出現(xiàn)長(zhǎng)度差，由于曲線的上、下股鋼軌同樣有長(zhǎng)度差，這樣車(chē)輪的錐形踏面就有了差速器的作用。車(chē)輛差速器是驅(qū)動(dòng)橋的主件，其作用就是在向兩邊半軸傳遞動(dòng)力的同時(shí)，允許兩側(cè)半軸以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，滿足兩側(cè)車(chē)輪盡可能以純滾動(dòng)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(duì)對(duì)曲線的影響

1.1 上/下股波磨

曲線上/下股鋼軌長(zhǎng)度的比例，與車(chē)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(zhǎng)度差越大；曲線半徑越大，長(zhǎng)度差越?。ó?dāng)為直線時(shí)，則沒(méi)有長(zhǎng)度差）；曲線全長(zhǎng)越長(zhǎng)，長(zhǎng)度差越大，反之則越小，但是在直線鋼軌上兩車(chē)輪滾動(dòng)總長(zhǎng)相近。但車(chē)輪的大/小直徑差很小，這樣當(dāng)大直徑輪沿小半徑曲線上股運(yùn)行時(shí)，下股車(chē)輪會(huì)出現(xiàn)超前運(yùn)行情況（或上股車(chē)輪滯后）。由于臺(tái)車(chē)框架中十字拉桿部件的輪對(duì)位置限定功能，導(dǎo)致這個(gè)力傳遞給車(chē)軸、像上了發(fā)條一樣。當(dāng)“發(fā)條”的力積蓄到超過(guò)一定值就會(huì)釋放（這個(gè)值即是該車(chē)輛的軸重），車(chē)輪會(huì)產(chǎn)生一定角度的空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，就會(huì)與鋼軌產(chǎn)生摩擦。雖然空轉(zhuǎn)角度非常小，但這個(gè)力卻非常大。

由于每列車(chē)的新/舊車(chē)輪磨耗不同、直徑不同，所以列車(chē)在由直線駛?cè)肭€后，當(dāng)運(yùn)行到上、下股鋼軌的某個(gè)長(zhǎng)度差距離上時(shí)，不同直徑的車(chē)輪在自己的空轉(zhuǎn)位置上產(chǎn)生少量空轉(zhuǎn)，增加了該點(diǎn)的鋼軌頂面磨耗。由于朔黃線的車(chē)輛成批次上線，車(chē)型種類(lèi)較少，運(yùn)量類(lèi)似、運(yùn)行里程類(lèi)似，所以車(chē)輪磨耗類(lèi)似，導(dǎo)致大部分車(chē)輪直徑也類(lèi)似。最大區(qū)別是新、舊車(chē)輪的直徑不同，所以大量直徑相似的車(chē)輪在相近位置產(chǎn)生空轉(zhuǎn)，產(chǎn)生摩擦；而直徑較大或較小的車(chē)輪會(huì)在這一點(diǎn)超前少許或滯后一點(diǎn)的地方產(chǎn)生空轉(zhuǎn)、摩擦。這樣中間磨耗較深，兩邊磨耗較淺，一個(gè)波浪谷形成了。當(dāng)車(chē)輪的“發(fā)條力”釋放后，它會(huì)重新積蓄產(chǎn)生新的“發(fā)條力”，在下一個(gè)長(zhǎng)度單位釋放。重車(chē)軸重大直接對(duì)軌面造成了破壞，而空車(chē)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(yùn)行一段時(shí)間后，鋼軌上線的軌頂面會(huì)出現(xiàn)“光帶”，鋼軌斷開(kāi)后會(huì)看到這層“光帶”向下延伸（最多2～3 mm），這其實(shí)是鋼軌在車(chē)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(zhǎng)距離泛白

車(chē)輪在向前運(yùn)行的過(guò)程時(shí)，會(huì)推動(dòng)鋼軌表層的部分一起向前運(yùn)動(dòng)，所以普通線路接頭處會(huì)有向前碾長(zhǎng)的“肥邊”。鋼軌表層向前運(yùn)動(dòng)的部分與冷鍛層是同時(shí)慢慢形成的，所以冷鍛層會(huì)有列車(chē)運(yùn)行方向的紋路，稱(chēng)之為“魚(yú)鱗紋”，而上、下股鋼軌的魚(yú)鱗紋正好形成“八字形”。就是說(shuō)，魚(yú)鱗紋的紋路是因車(chē)輪運(yùn)行的方向產(chǎn)生的。列車(chē)直線行駛時(shí)，車(chē)輪正常運(yùn)行，并不會(huì)使鋼軌產(chǎn)生剝離掉塊。進(jìn)入曲線后，由于車(chē)輪“發(fā)條力”的釋放，產(chǎn)生反向空轉(zhuǎn)現(xiàn)象或反向運(yùn)轉(zhuǎn)的勢(shì)能，那么曲線鋼軌的表面就會(huì)產(chǎn)生反方向的魚(yú)鱗紋。在方向相反的兩個(gè)力的作用下，裂紋迅速放大，同時(shí)在車(chē)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(shuō)明軌面受到了方向相反的作用力，同時(shí)也從側(cè)面證實(shí)了車(chē)輪逆向力的猜想。

圖2 軌面剝離的裂紋與魚(yú)鱗紋呈現(xiàn)S 形

通過(guò)多年對(duì)曲線鋼軌頂面剝離現(xiàn)象的觀察發(fā)現(xiàn)，曲線鋼軌頂面破壞、剝離現(xiàn)象多數(shù)情況下發(fā)生在曲線下股，較少發(fā)生在上股。分析后認(rèn)為，曲線半徑為一個(gè)整數(shù)，而超高也是一個(gè)5 的整倍數(shù)，所以超高的值是有誤差的。朔黃線為貨運(yùn)專(zhuān)線，整體車(chē)速偏低，所以多數(shù)情況下超高設(shè)置是偏小的。當(dāng)超高偏小時(shí)，列車(chē)通過(guò)曲線時(shí)車(chē)體會(huì)有一個(gè)向外側(cè)傾斜的勢(shì)能，上股車(chē)輪所受壓力會(huì)加大、下股車(chē)輪所受壓力減小，這時(shí)車(chē)軸內(nèi)的“發(fā)條力”會(huì)在下股車(chē)輪釋放，下股車(chē)輪會(huì)產(chǎn)生一定空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。反之，超高設(shè)置偏大則上股車(chē)輪會(huì)邊滾動(dòng)邊滑行一段距離去追趕超前運(yùn)行的下股車(chē)輪。所以，在曲線隧道作業(yè)的工人，有時(shí)可以看見(jiàn)車(chē)輪與鋼軌摩擦產(chǎn)生的火星，通常會(huì)誤認(rèn)為是閘瓦抱輪產(chǎn)生的。

1.3 側(cè)磨

列車(chē)進(jìn)入曲線后，下股車(chē)輪的超前運(yùn)動(dòng)使得輪對(duì)盡量以直線方向運(yùn)行，阻止上股車(chē)輪轉(zhuǎn)向，這就造成上股車(chē)輪輪緣切割上股鋼軌內(nèi)側(cè)工作邊。車(chē)軸內(nèi)積聚的扭力越大、切割越嚴(yán)重，當(dāng)車(chē)軸內(nèi)的扭力釋放后車(chē)輪就會(huì)正常轉(zhuǎn)向。所以，曲線內(nèi)的側(cè)磨會(huì)忽大忽小，磨耗量并不相同。而側(cè)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(qiáng)越大、磨耗越快，所以側(cè)磨大的部位其垂磨也大。切斷嚴(yán)重側(cè)磨的鋼軌后從斷面上可以看到，鋼軌側(cè)工作邊的下部（鋼軌側(cè)工作邊低于輪緣的部位）會(huì)有卷起的肥邊，這明顯是輪緣切割鋼軌側(cè)工作邊后擠壓到輪緣下方的軌頭部分。

通過(guò)多年的線路磨耗檢查記錄發(fā)現(xiàn)，上行重車(chē)線半徑R 不小于1000 m 的曲線側(cè)磨狀態(tài)良好，而R 不大于800 m 的曲線則側(cè)磨非常嚴(yán)重。如果側(cè)磨是因離心力產(chǎn)生的，那么其將與曲線半徑無(wú)關(guān)，區(qū)別只是磨耗大小的不同。但現(xiàn)場(chǎng)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(jiàn)曲線側(cè)磨是由于輪緣切割造成的。

2 線路大方向?qū)喚壠サ挠绊?/h2>

對(duì)于固定在大方向左轉(zhuǎn)（或右轉(zhuǎn)）的鐵路上運(yùn)行的機(jī)車(chē)、車(chē)輛，因?yàn)樵诰€路全長(zhǎng)內(nèi)左轉(zhuǎn)曲線總長(zhǎng)大于右轉(zhuǎn)曲線總長(zhǎng)（反之亦然），所以其在曲線上股運(yùn)行較多的一側(cè)車(chē)輪的磨損情況較另一側(cè)嚴(yán)重。

在朔黃鐵路原平分公司管內(nèi)的小半徑曲線，左、右轉(zhuǎn)曲線長(zhǎng)度合計(jì)分別為34 825.05 m 和31 318.52 m，左轉(zhuǎn)的比右轉(zhuǎn)的多出3 506.53 m、高出約10%～15%，則一側(cè)車(chē)輪比另一側(cè)車(chē)輪也應(yīng)多磨耗10%～15%。

3 結(jié)論

朔黃開(kāi)行大軸重車(chē)后，重車(chē)對(duì)輪軸施加的壓力遠(yuǎn)大于空車(chē)，這使得重車(chē)車(chē)軸出現(xiàn)“發(fā)條效應(yīng)”、比空車(chē)軸積蓄了更多的扭力，上股車(chē)輪更難轉(zhuǎn)向，增大了軸溫，加大了車(chē)軸裂紋、傷損，甚至是切軸的風(fēng)險(xiǎn)，加速鋼軌的各種磨耗；增加車(chē)體的振動(dòng)，降低車(chē)輛與線路設(shè)備的使用壽命；增加軌道線路的養(yǎng)護(hù)難度與設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，產(chǎn)生噪聲污染等。應(yīng)對(duì)措施主要有4 個(gè)：

（1）對(duì)于線路波磨處所，采用鋼軌銑磨車(chē)或打磨車(chē)進(jìn)行病害整治。但銑磨兩次之后，發(fā)現(xiàn)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(biāo)、不能治本。

（2）輪軸分離能從根本上解決問(wèn)題，所以在輪、軸間加入軸承。

（3）增大輪錐比例后，會(huì)影響列車(chē)在直線上的“蛇形運(yùn)動(dòng)”，所以可以加大車(chē)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(fā)現(xiàn)，上行重車(chē)線R 不小于1000 m 的曲線側(cè)磨狀態(tài)良好，而R 不大于800 m 的曲線則側(cè)磨非常嚴(yán)重，由此推斷現(xiàn)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?yàn)榫€上R 為800 m 的曲線數(shù)量較多，而水大于800 m 的數(shù)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(chē)輪上產(chǎn)生的效益也很可觀。因此，未來(lái)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(chē)輪踏面比軌面寬，則有可能會(huì)出現(xiàn)以下3 種情況：①經(jīng)常在軌面上走行的車(chē)輪部分，其磨耗大于軌頭光帶外側(cè)的車(chē)輪；②剎車(chē)時(shí)閘瓦的抱輪位置，正好是車(chē)輪踏面的走行部分；③延展性是金屬的主要特性，碾壓區(qū)的車(chē)輪表面會(huì)有向非碾壓區(qū)延展的現(xiàn)象。這樣輪對(duì)在曲線上運(yùn)行時(shí)，就會(huì)弱化上/下股車(chē)輪的差速功能。

因此，應(yīng)有計(jì)劃地進(jìn)行機(jī)車(chē)、車(chē)輛調(diào)頭和車(chē)輪工作面外形的恢復(fù)性銑磨，以盡量改善車(chē)輪與鋼軌的接觸狀態(tài)、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。