320t混铁车通过小半径曲线的异常磨耗造成车轴劣化的探究分析

任峰 王静 方鸣

摘  要：320t混铁车自重大，载重量大，车体重心高，通过小半径曲线上的轮轨异常磨耗非常严重，异常的受力情况通过转换传导，作用于走行部、连接部、倾翻部而形成附加力，其中对轮对、车轴伤害加深、疲劳强度下降、缩短使用寿命。影响行车安全并造成铁路线路和冶金车辆维修成本的增加。为降低小半径曲线的异常磨耗对320 t混铁车轮对、车轴质量的影响，对轮缘与铁轨接触面受力分析、对轮对轴颈受力分析、应力集中大小分析、轴承过盈配合等分析，提出相关改进措施将对车轴通过小半径曲线的异常受力影响降到最低

关键字：轮对车轴;剪力;弯矩;应力集中;轴承

320 t混铁车是钢厂铁水运输的重点车辆，运输载重量大，运转次数频繁，车轴的质量是车辆能否安全运行的重要保障，高频次通过小半径曲线上的异常受力，易破坏了车轴表面形态，加重了车轴自身的受力状态，从而影响了车轴的质量。

1 小半径曲线异常磨耗的探究

1.1 轮对轮缘磨耗

车辆通过小半径曲线、轨缝和道岔时，轮轨之间将要发生冲击振动。轮对过大的横移会导致轮缘和钢轨内侧发生贴靠时，轮轨之间就要发生两点接触，如图1所示。考虑到轮对的左右轮受到刚性较大的轴约束作用，由于较大的载荷，除了使轨道发生变形或高频振动外，针对轮缘接触点进行有限元受力分析，车轮和钢轨接触表面附近材料因较大的接触应力产生弹塑性变形、磨损和龟裂，如图2所示。

1.2 轴颈受力分析

由于轮缘的异常受力情况，致使车轴轴颈受力也随之改变，根据车轴轴颈受力图（图3）实际情况，轮对两侧轴颈部位受异常荷载，对左边轴颈进行局部受力分析，简化图如图5。

图5中FS为剪切力，M为弯矩。由于F合力将近20t（实际测量）与轴颈自重相差很大，可以忽略不计，因此将轴颈看做悬臂梁进行剪力和弯矩受力分析，如图5和图6所示。

由剪力图和弯矩图可以发现，从轴颈外侧至内侧剪力和弯矩不断增大。说明在异常外界作用力下对轴的性能影响也是从外到里逐步加深，对轴的的伤害也是逐步加大，会加深外力对轴的伤害，从而影响轴的使用年限，加大磨耗，并且会造成投入更多的费用去检修与修复。

1.3 车轴阶梯式应力集中

由于轴颈的受力的异常增加，会导致轴肩部应力集中，二次加深车轴伤害。由于构件截面尺寸忽然变化而引起应力局部增大的现象，称为应力集中。如图8，在等截面构件中，应力是均匀分布的。若构件上有孔、沟槽、凸肩等，使截面尺寸发生忽然变化时，在截面发生变化的部位，应力不再是均匀分布，在四周小范围内，应力将局部增大。正应力，且为平均分布[2]，计算公式为：

当外力F保持异常增大时，横截面面积A减小时，正应力会局部放大，然而轮对车轴是阶梯式，轮座轴径大于轴颈轴径，在其过度部位会有横截面面积突然减小，从而产生较大的应力，造成应力集中。会对轴造成很大的伤害，减少使用寿命。

1.4 轴承内圈应力集中

车轴通过小半径曲线的异常受力会加剧出现轴承应力集中现象。轴颈与轴承过盈配合，會使轴承内圈边缘产生较大的应力集中。轴承内圈在轴表面产生的压应力[2]为：

式中，E为轴的弹性模量，MPa;D1为装配前轴的直径，mm;D2为装配后轴的实际直径，mm。

从式子中可以看出D1、D2如果大小相同，则压应力为零，但是轴与轴承内圈采用过盈配合，D1一定要大于D2。这时必然会使轴产生压应力，从而在接触区与非接触区之间的过渡区域（内圈边缘）产生极大的拉应力。然而根据材料抗拉强度分析，在没有超过限界之前，变形都是均匀的，所以在边缘处轴会产生更大的压应力去抵抗拉应力，这样在横截面积不变的条件下，增大了压应力，从而使变形一致。因此，内圈边缘区域会产生很大的应力，从而产生相对明显的应力集中，显著降低轴的弯曲疲劳强度，一旦轴承松动打转，轴承内圈边缘会产生高温破坏车轴自身内部结构，造成车辆运行安全隐患。

2  针对车轴的劣化采取相关措施

2.1合理设置外轨超高

列车在曲线上行驶对轨道产生离心力，使外轨承受较大的压力，如果超高度不适合。超高过大或过小都会引起钢轨的偏载和轮轨不正常的接触。超高过大， 则车辆的重量偏载于里股钢轨， 使里股钢轨的垂直磨耗和里股钢轨一侧轮缘磨耗加大同时对外轨的侧面磨耗也不利。超高过小， 离心力不能被平衡车辆运行的横向力偏于外股钢轨， 使外股钢轨的垂直磨耗和同侧侧轮缘磨耗加大同时对里轨的侧面磨耗也不利。而在曲线超高的设置过程中也应当严格控制超高顺坡率。超高顺坡率涉及到车辆悬浮脱轨的问题，在这里暂且就不做说明。（在小半径曲线上应设置缓和曲线，设置不同的超高顺坡。鉴于缓和曲线终端脱轨危险性最大，应设置较小的超高顺坡率，从终端起5-10m范围内按δ≤1.5‰设置，剩余超高可采用δ≤2‰的顺坡率在其余长度的缓和曲线内顺完）

2.2 轨底坡的设置

由于车轮踏面与钢轨顶面主要接触部分有一定的倾斜度，轨道铺设时需将钢轨向内侧倾斜，使轨底与轨道平面之间形成一个横向坡度，即为轨底坡。轨底坡取值适当，能使轮轨接触集中于轨顶及车轮踏面的中部，钢轨轴心受力，横向偏压受力较小，轨腰部位产生的附加弯曲应力较小，提高钢轨的横向稳定性能。适当的轨底坡使轮轨接触面最大，一方面降低接触应力，减少轮轨疲劳损伤，降低轮轨偏磨提高轮轨使用寿命，并使列车运行更稳定;另一方面还可以增大牵引黏着力，获得最佳运行效率。轨底坡取值适当，还可以减轻轨头及踏面不均匀磨耗，减少钢轨打磨量及旋轮成本，延长钢轨及车轮使用寿命;减少钢轨旁侧因磨耗产生的金属粉末，使轨道结构更干净，减少杂散电流。

2.3 减小摩擦系数与减弱应力集中

车辆在运行过程中，轮缘与轨道接触产生摩擦，轮缘表面产生磨耗，受力如图9所示：F为轮缘力，轮缘与钢轨的冲角α，β 为轮缘角，摩擦系数为μ，N为法向应力，得出

因此根据轮缘力F跟摩擦力μN的关系得出，为了减少轮缘磨耗，可以减少摩擦系数μ，可以采取轮缘表面涂油润滑等方式。从而减轻车轴异常压力，减弱应力集中现象。实际运用中减少应力集中的办法是尽量使车轴轴肩的外形圆滑过渡，例如使用倒圆，可明显降低局部应力集中。

3 结 论

通过对320t混铁车通过小半径曲线异常磨耗分析，针对车轴在运用过程中所出现的问题进行改善，减少轴座过渡区和轴承内圈边缘区域应力集中的二次伤害、减小车轴受外力产生剪切力、弯矩的二次伤害和使用超声波探伤对车轴是否产生裂纹进行预判。极大提高了车轴的使用寿命，降低了事故的发生

参考文献：

[1]严隽耄，傅茂海，车辆工程.3版.北京：中国铁道出版社，2011.

[1]郑文纬，吴克坚.机械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，1997.

[2]刘鸿文.材料力学[M].4版.北京：高等教育出版社，2004.

[3]罗高作，王平.ANSYS及结构分析应用，黄石高等专科学校学报，2002.