车轮表面形状与行车安全

2014-07-08张桥平吴庆国

机械工程师 2014年9期

张桥平，吴庆国

(武汉铁路司机学校，武汉 430012)

0 引言

汽车转向靠的是方向盘，方向盘由司机操纵。所以汽车转向很灵活，且随司机的意志而定。而火车没有方向盘，司机不能控制列车的转向。但列车运行时不可能一直走直线，因为铁道的实际线路既有直线也有曲线。那么在曲线线路上列车是怎样转向的呢？同时铁道车辆轮轨宽度都很窄，不同于道路交通的汽车，路面很宽。火车车轮在宽度很窄的轨道上运行，为何能够始终保持轮轨之间的良好位置关系而不发生脱轨事故?这与车轮的表面的形状有着密切的联系。下面我们就来看看车轮的表面形状到底是怎样的，这种形状对车辆的直线运行和曲线运行有何好处，同时又是怎样保证车轮不发生脱轨事故的。

1 火车运行情况分析

车辆在直线区段运行时，2 根钢轨是2 条平行的直线，长度相等。车辆轮对左右车轮的直径也是相等的，那么车轮每转动1 圈的弧长也是相等的。同时左右车轮通过车轴连成一个整体，2 轮转动的角度始终相同。这样看来，车辆在直线区段运行似乎没有什么问题。但实际则不然。因为车轮的设计尺寸虽然相同，但由于存在制造误差，再加上运行过程中轮轨之间不断地磨耗会改变车轮直径。而1 个轮对2 个车轮由于磨耗而使直径变小的情况也不可能完全一致。所以在直线上运行时，车轮会在钢轨上产生一定的方向上的偏差。这样长距离运行，偏差积累到一定程度就会发生脱轨事故。

车辆在曲线区段运行时，2 根钢轨是2 根同心不同径的弧。在圆心角相同时，弧长一定不等。那么车轮运行在曲线上时会更快地脱轨。如何解决这些问题呢？这就需要在车轮上做文章。通过前面的分析可知，车轮直径如果是固定不变的，是不能满足车辆在钢轨上安全运行要求的。车轮在直线上运行发生左右偏差时如果适当改变左右车轮的直径，使偏离方向上车轮的直径增大（如果车辆向左侧偏离，就适当增大左侧的车轮直径；如果车辆向右侧偏离，就适当增大右侧的车轮直径），另一个车轮上的直径减小，就能逐渐修正偏离，使轮对中心与线路中心趋向一致；车轮在曲线上运行时，如果外侧钢轨上车轮的直径比内侧钢轨上车轮的直径大，并且大的幅度与线路弧长的差相匹配，就能保证车轮安全顺利地通过曲线而不发生脱轨事故。

2 火车车轮的特殊设计

如前所述,要实现火车的安全稳定运行,火车车轮的直径就不能是固定不变的。那么如何改变车轮直径，并且按需要实现有时左侧大于右侧，有时右侧大于左侧呢？解决的办法是将车轮表面形状沿宽度方向（轴向）做成锥形的，且内大外小。那么当车轮中心与线路中心发生偏差时，2 个车轮在钢轨上滚动的半径就不相同。并且是偏离方向上的车轮滚动半径大，另一侧车轮的滚动半径小。这样会使车轮中心在滚动的过程中逐渐趋向线路中心，使偏差得到修复。车轮踏面形状如图1 所示。

图1 车辆轮对结构及踏面形状

由于车轮轮辋的宽度只有135 mm 宽。为了更好地保证车轮运行的安全性，实际的车轮在踏面的一侧还设计了1 个凸起的轮缘。从图1 可以看出，轮缘只在轮辋的一侧，而且是在轮辋的内侧。为什么轮缘只设计1 个，不做2个？又为什么要设计在轮辋的内侧？

首先假设每个车轮都设计成2 个轮缘，那么在车轮有脱轨趋势时，如果左右2 个车轮上的轮缘都与钢轨产生作用，共同分担横向载荷，当然是好事。但这是不可能的。因为当右侧车轮上的内侧轮缘与钢轨接触并产生作用力时，左侧车轮上的外侧轮缘很难再与钢轨接触，更难分担右侧车轮与钢轨的横向力。同样，当左侧车轮的某个轮缘与钢轨接触并产生横向作用力时，右侧车轮的2 个轮缘也很难再与钢轨接触并产生横向力。即使出现左右2 个车轮轮缘同时与钢轨接触并且都与钢轨有横向作用力的情况，也只是瞬间的事情。绝大多数情况下是只有1个轮缘与钢轨接触。所以如果在1 个车轮上设计成2 个轮缘只会增加车轮的复杂性和重量。更重要的是给道岔的设计提出了难题。由此看来，车轮上只设计1 个轮缘是合理的。理论计算和运用实践也证明1 个轮缘强度是足够的，车辆运行安全是有保证的。

那么，1 个轮缘设计在轮辋的内侧好还是设计在轮辋的外侧好呢？从图1 我们看到实际车轮轮缘是在轮辋的内侧。轮缘设在轮辋内侧主要考虑了以下几个因素：

1）由于踏面锥度的原因使车轮内侧直径大，外侧直径小。将轮缘设在内侧，也就是设在直径大的这一侧，可以减少应力集中。反之，若设在外侧，就会增加应力集中。这主要是锐角和钝角的原因。

2）在列车过曲线时，轮对中心会向线路中心外侧移动。曲线半径越小，这种移动就越明显。当这种移动到一定程度时，轮缘就会接触钢轨，甚至有爬轨的趋势。将轮缘设在内侧，将会是外钢轨上的车轮轮缘与钢轨接触；若将轮缘设在外侧，这时将会是内轨上的车轮轮缘与钢轨接触。是内侧车轮轮缘爬轨还是外侧轮缘爬轨，对车轮是否脱轨的影响是截然相反的。如果是外侧钢轨上的车轮轮缘出现爬轨，会急剧地加大左右车轮滚动圆半径差，而这种滚动圆半径差的增大是将车轮的运行导向安全的。反之，如果是内侧钢轨上的车轮轮缘出现爬轨，就会使内外侧钢轨上车轮滚动圆半径差出现反位，即在爬轨前是外轨上的车轮的滚动圆半径大，内轨上的车轮的滚动圆半径小。但轮缘爬轨后变成外轨上的车轮的滚动圆半径小，内轨上的车轮的滚动圆半径大。这样会帮助轮缘迅速爬上钢轨而掉道。

3）车辆运行在曲线上时，1 个轮对上的2 个车轮会发生载荷的转移，即内侧车轮减载，外侧车轮增载。增载车轮的轮缘与钢轨接触比减载车轮的轮缘与钢轨接触更安全。

因为它会阻碍轮缘爬轨和获得更大的向心力而使车辆安全顺利地通过曲线。轮缘爬轨时的受力情况如图2 所示。

4）轮缘能防止脱轨是由于轮缘与钢轨之间横向力的作用。轮缘受钢轨作用力的方向对轮、轴之间的结合情况会产生影响。车轮与车轴的结合方式是过盈配合。即靠车轴与车轮轮毂孔之间的过盈力而结合成一个整体。车轴与车轮配合的部位叫轮座。轮座不是一个圆柱体，而是一个带有锥度1∶300 的圆锥体，锥度的方向是内大外小，轮轴压装时是将车轮从车轴的两端向内压。那么当过曲线时，车轮受到钢轨的作用力是指向内侧的，就不会对轮轴的结合产生不利影响。反之，车轮受到钢轨的作用力若是指向外侧的，就可能对轮轴的结合产生不利影响。严重时会造成轮轴的松脱从而威胁行车安全。显然，只有将轮缘设在内侧，才可能使车轮受到钢轨向内的作用力，而设在外侧就受到钢轨向外的作用力。