轮轴一体式轮对与钢轨在曲线轨道上的关系探讨

张 伟

（国能朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西忻州 034100）

0 引言

朔黄线运行的车辆大部分是轮轴一体式敞车，即车轮与车轴通过热盈配工艺组合，在通过曲线（即曲线轨道）时，受离心力作用，车体向曲线外侧运动。由于车轮踏面为锥形形状，车轮轮缘将贴靠钢轨上股内侧工作边运动，车轮踏面最大直径位于曲线上股滚动、较小直径则在曲线下股滚动。轮轴一体式轮对的两轮转动圈数相同，这使得同一个轮对在曲线上的滚动距离出现长度差，由于曲线的上、下股钢轨同样有长度差，这样车轮的锥形踏面就有了差速器的作用。车辆差速器是驱动桥的主件，其作用就是在向两边半轴传递动力的同时，允许两侧半轴以不同的转速旋转，满足两侧车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。

1 轮轴一体轮对对曲线的影响

1.1 上/下股波磨

曲线上/下股钢轨长度的比例，与车轮最大直径/最小直径的比例不尽相同，曲线半径越小，两股钢轨长度差越大；曲线半径越大，长度差越小（当为直线时，则没有长度差）；曲线全长越长，长度差越大，反之则越小，但是在直线钢轨上两车轮滚动总长相近。但车轮的大/小直径差很小，这样当大直径轮沿小半径曲线上股运行时，下股车轮会出现超前运行情况（或上股车轮滞后）。由于台车框架中十字拉杆部件的轮对位置限定功能，导致这个力传递给车轴、像上了发条一样。当“发条”的力积蓄到超过一定值就会释放（这个值即是该车辆的轴重），车轮会产生一定角度的空转现象，就会与钢轨产生摩擦。虽然空转角度非常小，但这个力却非常大。

由于每列车的新/旧车轮磨耗不同、直径不同，所以列车在由直线驶入曲线后，当运行到上、下股钢轨的某个长度差距离上时，不同直径的车轮在自己的空转位置上产生少量空转，增加了该点的钢轨顶面磨耗。由于朔黄线的车辆成批次上线，车型种类较少，运量类似、运行里程类似，所以车轮磨耗类似，导致大部分车轮直径也类似。最大区别是新、旧车轮的直径不同，所以大量直径相似的车轮在相近位置产生空转，产生摩擦；而直径较大或较小的车轮会在这一点超前少许或滞后一点的地方产生空转、摩擦。这样中间磨耗较深，两边磨耗较浅，一个波浪谷形成了。当车轮的“发条力”释放后，它会重新积蓄产生新的“发条力”，在下一个长度单位释放。重车轴重大直接对轨面造成了破坏，而空车的轴重不足以破坏轨面，所以慢慢积累为波浪形磨耗。

1.2 轨顶面剥离

运行一段时间后，钢轨上线的轨顶面会出现“光带”，钢轨断开后会看到这层“光带”向下延伸（最多2～3 mm），这其实是钢轨在车轮高压碾压下形成的一层冷锻层，其硬度与耐磨度明显增加，但脆性也增加（图1）。

图1 波浪形磨耗造成的枕端长距离泛白

车轮在向前运行的过程时，会推动钢轨表层的部分一起向前运动，所以普通线路接头处会有向前碾长的“肥边”。钢轨表层向前运动的部分与冷锻层是同时慢慢形成的，所以冷锻层会有列车运行方向的纹路，称之为“鱼鳞纹”，而上、下股钢轨的鱼鳞纹正好形成“八字形”。就是说，鱼鳞纹的纹路是因车轮运行的方向产生的。列车直线行驶时，车轮正常运行，并不会使钢轨产生剥离掉块。进入曲线后，由于车轮“发条力”的释放，产生反向空转现象或反向运转的势能，那么曲线钢轨的表面就会产生反方向的鱼鳞纹。在方向相反的两个力的作用下，裂纹迅速放大，同时在车轮的粘带作用下，剥离的小碎块被带离钢轨。

图2 中裂纹呈S 形，说明轨面受到了方向相反的作用力，同时也从侧面证实了车轮逆向力的猜想。

图2 轨面剥离的裂纹与鱼鳞纹呈现S 形

通过多年对曲线钢轨顶面剥离现象的观察发现，曲线钢轨顶面破坏、剥离现象多数情况下发生在曲线下股，较少发生在上股。分析后认为，曲线半径为一个整数，而超高也是一个5 的整倍数，所以超高的值是有误差的。朔黄线为货运专线，整体车速偏低，所以多数情况下超高设置是偏小的。当超高偏小时，列车通过曲线时车体会有一个向外侧倾斜的势能，上股车轮所受压力会加大、下股车轮所受压力减小，这时车轴内的“发条力”会在下股车轮释放，下股车轮会产生一定空转现象。反之，超高设置偏大则上股车轮会边滚动边滑行一段距离去追赶超前运行的下股车轮。所以，在曲线隧道作业的工人，有时可以看见车轮与钢轨摩擦产生的火星，通常会误认为是闸瓦抱轮产生的。

1.3 侧磨

列车进入曲线后，下股车轮的超前运动使得轮对尽量以直线方向运行，阻止上股车轮转向，这就造成上股车轮轮缘切割上股钢轨内侧工作边。车轴内积聚的扭力越大、切割越严重，当车轴内的扭力释放后车轮就会正常转向。所以，曲线内的侧磨会忽大忽小，磨耗量并不相同。而侧磨越大的位置，其轨顶踏面越窄、受压面积越小，使得其所受压强越大、磨耗越快，所以侧磨大的部位其垂磨也大。切断严重侧磨的钢轨后从断面上可以看到，钢轨侧工作边的下部（钢轨侧工作边低于轮缘的部位）会有卷起的肥边，这明显是轮缘切割钢轨侧工作边后挤压到轮缘下方的轨头部分。

通过多年的线路磨耗检查记录发现，上行重车线半径R 不小于1000 m 的曲线侧磨状态良好，而R 不大于800 m 的曲线则侧磨非常严重。如果侧磨是因离心力产生的，那么其将与曲线半径无关，区别只是磨耗大小的不同。但现场并非如此，而且理论上超高完全可以用抵消离心力的影响，可见曲线侧磨是由于轮缘切割造成的。

2 线路大方向对轮缘偏磨的影响

对于固定在大方向左转（或右转）的铁路上运行的机车、车辆，因为在线路全长内左转曲线总长大于右转曲线总长（反之亦然），所以其在曲线上股运行较多的一侧车轮的磨损情况较另一侧严重。

在朔黄铁路原平分公司管内的小半径曲线，左、右转曲线长度合计分别为34 825.05 m 和31 318.52 m，左转的比右转的多出3 506.53 m、高出约10%～15%，则一侧车轮比另一侧车轮也应多磨耗10%～15%。

3 结论

朔黄开行大轴重车后，重车对轮轴施加的压力远大于空车，这使得重车车轴出现“发条效应”、比空车轴积蓄了更多的扭力，上股车轮更难转向，增大了轴温，加大了车轴裂纹、伤损，甚至是切轴的风险，加速钢轨的各种磨耗；增加车体的振动，降低车辆与线路设备的使用寿命；增加轨道线路的养护难度与设备的维护费用，产生噪声污染等。应对措施主要有4 个：

（1）对于线路波磨处所，采用钢轨铣磨车或打磨车进行病害整治。但铣磨两次之后，发现铣磨量加钢轨自身垂磨量，使线上钢轨与新钢轨有了高度差，并且铣磨钢轨表面只能治标、不能治本。

（2）轮轴分离能从根本上解决问题，所以在轮、轴间加入轴承。

（3）增大轮锥比例后，会影响列车在直线上的“蛇形运动”，所以可以加大车轮锥度。另外，为迎合加大的轮锥角度，可以加大轨底坡。例如，观察发现，上行重车线R 不小于1000 m 的曲线侧磨状态良好，而R 不大于800 m 的曲线则侧磨非常严重，由此推断现在轮锥的锥度可以匹配R 不小于1000 m 的曲线而不能匹配R 不大于800 m 的曲线。因为线上R 为800 m 的曲线数量较多，而水大于800 m 的数量大幅减少。如果能将R 为800 m 的曲线大幅降低磨耗，则在钢轨与车轮上产生的效益也很可观。因此，未来可以研究是否将轮锥锥度加大20%，以匹配R 为800 m 的曲线。

（4）如果车轮踏面比轨面宽，则有可能会出现以下3 种情况：①经常在轨面上走行的车轮部分，其磨耗大于轨头光带外侧的车轮；②刹车时闸瓦的抱轮位置，正好是车轮踏面的走行部分；③延展性是金属的主要特性，碾压区的车轮表面会有向非碾压区延展的现象。这样轮对在曲线上运行时，就会弱化上/下股车轮的差速功能。

因此，应有计划地进行机车、车辆调头和车轮工作面外形的恢复性铣磨，以尽量改善车轮与钢轨的接触状态、延长设备使用寿命。