左维琦（陕西铁路工程职业技术学院  陕西渭南  714000）

摘 要：本文研究了轴重与横移量对轮轨粘着特性的影响，研究表明轴重是影响钢轨粘着的重要因素。在轴重确定的情况下，横移量的变化会引起接触斑面积的变化，粘着区与滑动区的面积也会随之变化。轴重的增加使轮轨接触斑增大，从而导致钢轨磨损加剧。随着轴重的增加，蠕滑力/力矩的大小会随之增长，轮轨接触表面的损伤也随之上升。

关键词：轴重；横移量；蠕滑力；蠕滑率；接触斑

一、引言

随着铁路行业的迅猛发展，高速重载已经成为一种趋势，在方便生活的同时也带来了巨大的经济效益。高速重载铁路也让轮轨滚动接触粘着^[1]问题愈发严重，直接影响列车运行成本，甚至危及列车与人身安全。研究影响轮轨粘着的影响因素^[2]，预防并有效减少轮轨的粘着，具有重要的意义。

本文研究轴重与横移量的变化对蠕滑力^[3、4]，蠕滑率以及接触斑的大小的影响，从而分析在轴重与横移量的变化对轮轨粘着特性的影响，本文选取300m的曲线半径，车轮半径r₀ =525mm；轮对中心横移量y=0～12mm；轮对摇头角=0.0°；轨底坡为1:40；标准轨距d=1435mm。分别分析轴重为16t、21t、25t、32t及不同横移量时轮轨接触斑的蠕滑力/率。

二、蠕滑率

图1是在曲线半径为300m的情况下，轴重为16t时左右轮轨的蠕滑率及蠕滑力矩的图像。图1(a)、(b)和(c)分别表示轮轨纵向、横向和自旋蠕滑率随轮对横移量的变化情况。当轮对向左侧横移时，左右轮轨的纵向蠕滑率方向相反，大小也不相等，随着横移量y的增大，右轮轨的纵向蠕滑率变化比较平缓，当y≥9mm时左轮轨纵向蠕滑率急剧增长，左侧轮缘发生贴靠导致钢轨和轮缘侧面磨损严重。刚开始，左右轮轨的横向蠕滑率大小几乎一样，随着横移量的增加，左右轮轨之间的横向蠕滑率以相等的趋势发生变化，但是左轮轨的横向蠕滑率随横移量的增加增长或减小的趋势要大于右轮轨，右轮轨总体变化比较平滑一点，左轮轨的总变化幅度较大。当轮对向左侧横移时，右轮轨之间的自旋蠕滑率基本保持不变，但是当y≥4mm时，左轮轨之间的自旋蠕滑率随着横移量的增加而增长，当y≥9mm时，左轮轨之间的自旋蠕滑率急剧增长，这是左轮轮缘与钢轨发生贴靠使轮轨之间接触角变化的结果。

     (a ) 纵向蠕滑率             (b) 横向蠕滑率           (c) 自旋蠕滑率

图1  轮对蠕滑率随横移量变化的情况

三、蠕滑力

图2(a)、(b)、(c)分别表示300m曲线半径工况时，轮对轴重分别为16t、21t、25t、32t时，左右轮轨纵向蠕滑力、横向蠕滑力、自旋蠕滑力矩随横移量的变化情况。图2(b)中曲线显示，当轮对向左横移(y＞0)时，左右轮轨纵向蠕滑力随着横移量的增加而分别向着相反的方向增大，且轴重越大，相对应工况的蠕滑力越大；当y≥4mm时，蠕滑力突然急剧增加至y=7mm时，此时各轴重下的蠕滑力均达到最大值，当y≥10mm时，左轮轮缘与钢轨贴靠，左轮轨纵向蠕滑力受到此影响发生波动。图2(a)中曲线显示，轴重一旦增加，两侧的横向蠕滑力同时增加；当y≤5mm时，左右两侧轮轨间的横向蠕滑力大小几乎一致，但方向完全相反，而这是由左右轮轨横向蠕滑率大小相等而方向相反带来的直接结果。从图2（a）中可明确看出，右轮轨的蠕滑力均在减小，左轮轨的都在增加，当y≥5mm时，左轮轨横向蠕滑力急剧增大，当y≥10mm时，左轮因接触角增大使得横向蠕滑力随着横移量的增加急剧减小，右轮轨的整体变化趋势相对左轮轨来说比较平稳。自旋蠕滑力矩如图2(c)所示，在y≥5mm时，右轮轨的蠕滑力跟之前相比变化方向相反，在y≥10mm时，左轮轨急剧下降。左轮轨整体变化趋势比较剧烈。轴重对轮轨纵向蠕滑力、横向蠕滑力与自旋蠕滑力矩影响明显，随着轴重的增加，基本都呈现线性变化的趋势。

  (a) 横向蠕滑力              (b) 纵向蠕滑力          （c） 自旋蠕滑力矩

图2  轮对蠕滑力随横移量变化的情况

四、轴重对接触斑总面积的影响

图3为曲线半径为300m，轴重与横移量对接触斑总面积的影响，图中明显看出两者呈正相关的变化趋势。同一轴重下，初始阶段，y≤6mm时，接触斑总面积都随着横移量的增加而呈增加趋势，当y≥6mm时，接触斑面积均突然变小，这是由于轮轨之间接触角发生变化，导致总接触面积减小。在y=11mm时，接触斑面积都减小到极小值。在y≥11mm后，各接触斑面积均有一定程度的增加。

图3  轴重对接触斑面积的影响

五、轴重与横移量对粘滑区的影响

图4分别显示在半径为300m时，横移量为0时，在16t、21t、25t、32t的轴重下接触斑面积的变化趋势，明显看出，轴重增加，磨斑变大，粘着区的面积增加，而滑移区的面积随粘着区面积变化而变化。

(a)16t                                    (b)21t

(c)25t                                    (d)32t

图4  轮轨接触斑粘滑区随轴重变化情况

六、总结

结果表明，轴重的增长带来了蠕滑力/力矩的增长，同时伴随着轮轨表面损伤的增长。在轮轨尚未贴靠时，横移量的变化对蠕滑力与蠕滑力矩几乎没有影响；当轮缘与钢轨开始发生贴靠后，蠕滑力与蠕滑力矩会发生明显变化，且变化趋势一致。但横移量发生变化时，蠕化率会一起变化，开始变化微弱，贴靠后，蠕滑率变化剧烈。轴重的增长会引起接触斑总面积的增长，轴重的增加导致接触斑切向作用力增大，钢轨粘着行为随之加重，钢轨粘着量增加。

参考文献：

[1]杨金英（铁道知识 1999年 第2卷 第2期）

[2]Norimichi KUMAGAI等.新干线及传统干线高速制动系统的开发.国外机车车辆工艺，1998.5:21~26

[3]Stone,Daniel.H,Moyer.Interpretive review of railway wheel shelling and spalling.Winter annual meeting of the Amerrican society of mechanical engineers.CA,USA,1992.5:97-103

[4]张斌、卢观健、付秀琴、张颍智、邢丽贤、刘彤蕾.铁道车轮、轮箍失效分析及伤损图谱.北京:中国铁道出版，2002

作者简介：

左维琦（1989--）女，讲师，硕士学位，目前主要从事机械工程、电气控制与PLC应用等方面的教学工作及轮轨摩擦与润滑方面的研究工作。

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