重载铁路轮轨磨损原因探讨_许金国

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 #b

1-(x a )2-(y

b

)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 m

a;m 、n 的值可由下式计算:

cos H =B -A B +A =Q

11-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 21

Q 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=P

P #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

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