钢轨侧磨的主要影响因素

钢轨侧磨的主要影响因素

1轮缘接触与轮轨接触在列车正常运行期间，有两种类型的车轮之间的接触：单向接触和单向接触。单点接触是钢轨顶面与车轮踏面的接触,如图1所示,单点接触时可以认为车轮全部荷载作用于同一点。但在运行中,由于轮对的蛇形运动,有时钢轨的侧面会被轮缘贴靠,形成两点接触如图2所示。车轮在进入曲线后,车辆第一轮对的外侧轮缘与外轨有一个冲击角并与钢轨侧面接触,形成两点接触,轮缘与钢轨侧面接触形成的导向力迫使转向架转向。从轮轨接触条件看,轮轨的冲击角和两点接触是导致曲线钢轨侧磨的主要因素。根据国内外大量的观测统计资料显示,曲线半径<800m时,钢轨的侧磨随半径的减小而激剧增大,当曲线半径>1200m时,曲线地段钢轨的侧磨量与直线地段相当。本文通过探讨曲线上轮对的运行行为,说明曲线地段半径为1200m和800m时产生钢轨侧磨的异同。2轮对调整的半径差车轮通过曲线时,其真实的前进速度并不等于其滚动的前进速度,车轮相对于钢轨会产生微小的弹性滑动,即蠕滑,如图3示,图中V为列车运行速度,ω为轮对运行的角速度,rR为各轮对外轮实际运行半径,rL为各轮对内轮实际运行半径,FRx、FRx′为外轮蠕滑力(因蠕滑方向不同,力的方向不同),FLx、FLx′为内轮蠕滑力(因蠕滑方向不同,力的方向不同),SR为同一圆心角对应的外轨弧长,SL为同一圆心角对应的内轨弧长,轮对在曲线上运行时,由于轨道上内轨与外轨在同一角度内存在弧长差,因此内轮与外轮在同一时间、同一角度内走行的弧长不相等,内轮实际的走行长度要比外轮短。如果曲线半径为R,假设内轮走行一周的长度为SL,则外轮需要走行的长度为SR=SL/R(R+ΔR),外轮与内轮走行的长度差为ΔS=SR-SL=[SL/R(R+ΔR)]-SL=ΔRSL/R。即:ΔS=ΔRSL/R,ΔR为轮对的两个车轮与钢轨面接触点之间的距离,取1500mm,可以看出,ΔR、SL都是一定的,半径越小,内、外轮走行一周的弧长差越大。轮对是一个刚性结构,内、外轮的名义滚动半径r是一致的。但在曲线上的实际运行中由于车轮踏面的锥形自动调整效应(见图4),内、外车轮踏面与轨面的接触部位不同,内轮踏面的外缘部分与轨面接触,其对应的滚动半径为rL;外轮踏面的内缘部分与轨面接触,其对应的滚动半径为rR。rR>rL,通过轮对锥形踏面的自动调整特性,轮对相对于线路中心线发生横移,实现内外轮滚动半径差异,从而实现内、外轮在内外轨上的走行弧长差。基于上述分析,对于轮对的运行行为,有如下计算公式:外轮实际走行弧长SL′=2πrL内轮实际走行弧长,SR′=2πrR,有ΔS′=SR′-SL′=2πrR-2πrL=2π(rR-rL)=2πΔr,轮对可调整的半径差Δr=(rR-rL),即:内外轮实际走行的弧长差ΔS′的计算公式:ΔS′=2πΔr(1)ΔS′=2πΔr(1)综合ΔS=ΔRSL/R曲线弧长差与式(1),轮对在曲线上滚动的条件是:ΔRSL/R=2πΔr(2)ΔRSL/R=2πΔr(2)在曲线上,内轮与外轮发生纯滚动而不发生蠕滑的前提是式(2)成立,轮径差导致车轮行程差等于曲线内外轨弧线差。从式(2)可以看出:ΔR、SL、2π都是常数,曲线半径R、轮对可调整的半径差Δr是可变的。因此,轮对可调整的半径差Δr可以适应一定范围的曲线半径R。也就是说,轮对的锥度越大,相应的Δr越大,适应不同曲线半径的能力越强。事实上,目前我国轮对的锥度为1∶20～1∶40,因此依靠增大踏面锥度,调整轮径差的空间很小。由于轮对的锥度适应不同曲线半径的能力有限,轮对在曲线上不可能出现纯滚动,轮轨之间必然出现蠕滑,从而产生蠕滑力:当外轮实际滚动半径大于纯滚动所需的半径,滚动一周所走行的距离相对于纯滚动时的位置是超前的;相反,当内轮实际滚动半径小于纯滚动所需的半径,滚动一周所走行的距离相对于纯滚动时的位置是滞后的,此时,外轮必将向后滑动,蠕滑力向前;内轮必将向前滑动,蠕滑力向后。同理,会出现与上述相反的情况。不论怎样,外轮与内轮上的纵向蠕滑力总是相反的,一般情况下大小近似相等,形成一个蠕滑力偶。当实设超高处于合理的位置时,离心力可以被车辆的重力分力以及轮轨间的横向力平衡。导向力依靠轮缘以及蠕滑力偶来平衡。当曲线半径较小时,根据ΔS=ΔRSL/R,车轮走行一周对应的内外轨弧线差较大,轮径差使内、外轮行程差难以平衡内外轨弧线差,这时,由于轮对锥形踏面的自动调整特性,轮对相对于线路中心线发生横移量达到最大,外轮实际滚动半径达到最大,但仍小于纯滚动所需的半径,滚动一周所走行的距离相对于纯滚动时的位置是滞后的,此时,外轮必将向前滑动,蠕滑力向后;内轮实际滚动半径达到最小,但大于纯滚动所需的半径,滚动一周所走行的距离相对于纯滚动时的位置是超前的,内轮必将向后滑动,蠕滑力向前。外轮向后的蠕滑力与内轮向前的蠕滑力形成一个与列车转向方向相反的蠕滑力偶(如图4)。这个与列车转向方向相反的蠕滑力偶,导致轮轨两点接触作用加大,加剧了轮缘对于钢轨侧面的摩擦和切削(如图5),致使钢轨侧面产生塑性变形,反复作用下发生断裂而脱离钢轨母材,就形成了钢轨轨头侧面的磨耗。当曲线半径较大时,车轮走行1周对应的内外轨弧线差较小,轮径差导致内外轮行程差能够适应内外轨弧线差,这时,由于轮对锥形踏面的自动调整特性,轮对相对于线路中心线发生相应的横移量,外轮实际滚动半径大于纯滚动所需的半径,滚动一周所走行的距离相对于纯滚动时的位置是超前的,此时,外轮必将向后滑动,蠕滑力向前;内轮实际滚动半径小于纯滚动所需的半径,滚动1周所走行的距离相对于纯滚动时的位置是滞后的,内轮必将向前滑动,蠕滑力向后。外轮向前的蠕滑力与内轮向后的蠕滑力形成一个与列车转向方向相同的蠕滑力偶,这个与列车转向方向相同的蠕滑力偶,有利于轮对转向并趋向于纯滚动运动,减小轮缘导向力的作用,甚至完全实现轮踏面的蠕滑导向,从而减小甚至消除轮缘对于钢轨侧面的摩擦和切削作用(蠕滑力偶的示意正好与图4相反)。3侧磨的有效手段从工务养护的角度来解决侧磨问题,常用的办法是调整曲线超高、钢轨涂油、调整内轨轨底坡等