320t混鐵車通過小半徑曲線的異常磨耗造成車軸劣化的探究分析

任峰 王靜 方鳴

摘? 要：320t混鐵車自重大，載重量大，車體重心高，通過小半徑曲線上的輪軌異常磨耗非常嚴重，異常的受力情況通過轉換傳導，作用于走行部、連接部、傾翻部而形成附加力，其中對輪對、車軸傷害加深、疲勞強度下降、縮短使用壽命。影響行車安全并造成鐵路線路和冶金車輛維修成本的增加。為降低小半徑曲線的異常磨耗對320 t混鐵車輪對、車軸質量的影響，對輪緣與鐵軌接觸面受力分析、對輪對軸頸受力分析、應力集中大小分析、軸承過盈配合等分析，提出相關改進措施將對車軸通過小半徑曲線的異常受力影響降到最低

關鍵字：輪對車軸;剪力;彎矩;應力集中;軸承

320 t混鐵車是鋼廠鐵水運輸的重點車輛，運輸載重量大，運轉次數頻繁，車軸的質量是車輛能否安全運行的重要保障，高頻次通過小半徑曲線上的異常受力，易破壞了車軸表面形態，加重了車軸自身的受力狀態，從而影響了車軸的質量。

1 小半徑曲線異常磨耗的探究

1.1 輪對輪緣磨耗

車輛通過小半徑曲線、軌縫和道岔時，輪軌之間將要發生沖擊振動。輪對過大的橫移會導致輪緣和鋼軌內側發生貼靠時，輪軌之間就要發生兩點接觸，如圖1所示。考慮到輪對的左右輪受到剛性較大的軸約束作用，由于較大的載荷，除了使軌道發生變形或高頻振動外，針對輪緣接觸點進行有限元受力分析，車輪和鋼軌接觸表面附近材料因較大的接觸應力產生彈塑性變形、磨損和龜裂，如圖2所示。

1.2 軸頸受力分析

由于輪緣的異常受力情況，致使車軸軸頸受力也隨之改變，根據車軸軸頸受力圖（圖3）實際情況，輪對兩側軸頸部位受異常荷載，對左邊軸頸進行局部受力分析，簡化圖如圖5。

圖5中FS為剪切力，M為彎矩。由于F合力將近20t（實際測量）與軸頸自重相差很大，可以忽略不計，因此將軸頸看做懸臂梁進行剪力和彎矩受力分析，如圖5和圖6所示。

由剪力圖和彎矩圖可以發現，從軸頸外側至內側剪力和彎矩不斷增大。說明在異常外界作用力下對軸的性能影響也是從外到里逐步加深，對軸的的傷害也是逐步加大，會加深外力對軸的傷害，從而影響軸的使用年限，加大磨耗，并且會造成投入更多的費用去檢修與修復。

1.3 車軸階梯式應力集中

由于軸頸的受力的異常增加，會導致軸肩部應力集中，二次加深車軸傷害。由于構件截面尺寸忽然變化而引起應力局部增大的現象，稱為應力集中。如圖8，在等截面構件中，應力是均勻分布的。若構件上有孔、溝槽、凸肩等，使截面尺寸發生忽然變化時，在截面發生變化的部位，應力不再是均勻分布，在四周小范圍內，應力將局部增大。正應力，且為平均分布[2]，計算公式為：

當外力F保持異常增大時，橫截面面積A減小時，正應力會局部放大，然而輪對車軸是階梯式，輪座軸徑大于軸頸軸徑，在其過度部位會有橫截面面積突然減小，從而產生較大的應力，造成應力集中。會對軸造成很大的傷害，減少使用壽命。

1.4 軸承內圈應力集中

車軸通過小半徑曲線的異常受力會加劇出現軸承應力集中現象。軸頸與軸承過盈配合，會使軸承內圈邊緣產生較大的應力集中。軸承內圈在軸表面產生的壓應力[2]為：

式中，E為軸的彈性模量，MPa;D1為裝配前軸的直徑，mm;D2為裝配后軸的實際直徑，mm。

從式子中可以看出D1、D2如果大小相同，則壓應力為零，但是軸與軸承內圈采用過盈配合，D1一定要大于D2。這時必然會使軸產生壓應力，從而在接觸區與非接觸區之間的過渡區域（內圈邊緣）產生極大的拉應力。然而根據材料抗拉強度分析，在沒有超過限界之前，變形都是均勻的，所以在邊緣處軸會產生更大的壓應力去抵抗拉應力，這樣在橫截面積不變的條件下，增大了壓應力，從而使變形一致。因此，內圈邊緣區域會產生很大的應力，從而產生相對明顯的應力集中，顯著降低軸的彎曲疲勞強度，一旦軸承松動打轉，軸承內圈邊緣會產生高溫破壞車軸自身內部結構，造成車輛運行安全隱患。

2? 針對車軸的劣化采取相關措施

2.1合理設置外軌超高

列車在曲線上行駛對軌道產生離心力，使外軌承受較大的壓力，如果超高度不適合。超高過大或過小都會引起鋼軌的偏載和輪軌不正常的接觸。超高過大， 則車輛的重量偏載于里股鋼軌， 使里股鋼軌的垂直磨耗和里股鋼軌一側輪緣磨耗加大同時對外軌的側面磨耗也不利。超高過小， 離心力不能被平衡車輛運行的橫向力偏于外股鋼軌， 使外股鋼軌的垂直磨耗和同側側輪緣磨耗加大同時對里軌的側面磨耗也不利。而在曲線超高的設置過程中也應當嚴格控制超高順坡率。超高順坡率涉及到車輛懸浮脫軌的問題，在這里暫且就不做說明。（在小半徑曲線上應設置緩和曲線，設置不同的超高順坡。鑒于緩和曲線終端脫軌危險性最大，應設置較小的超高順坡率，從終端起5-10m范圍內按δ≤1.5‰設置，剩余超高可采用δ≤2‰的順坡率在其余長度的緩和曲線內順完）

2.2 軌底坡的設置

由于車輪踏面與鋼軌頂面主要接觸部分有一定的傾斜度，軌道鋪設時需將鋼軌向內側傾斜，使軌底與軌道平面之間形成一個橫向坡度，即為軌底坡。軌底坡取值適當，能使輪軌接觸集中于軌頂及車輪踏面的中部，鋼軌軸心受力，橫向偏壓受力較小，軌腰部位產生的附加彎曲應力較小，提高鋼軌的橫向穩定性能。適當的軌底坡使輪軌接觸面最大，一方面降低接觸應力，減少輪軌疲勞損傷，降低輪軌偏磨提高輪軌使用壽命，并使列車運行更穩定;另一方面還可以增大牽引黏著力，獲得最佳運行效率。軌底坡取值適當，還可以減輕軌頭及踏面不均勻磨耗，減少鋼軌打磨量及旋輪成本，延長鋼軌及車輪使用壽命;減少鋼軌旁側因磨耗產生的金屬粉末，使軌道結構更干凈，減少雜散電流。

2.3 減小摩擦系數與減弱應力集中

車輛在運行過程中，輪緣與軌道接觸產生摩擦，輪緣表面產生磨耗，受力如圖9所示：F為輪緣力，輪緣與鋼軌的沖角α，β 為輪緣角，摩擦系數為μ，N為法向應力，得出

因此根據輪緣力F跟摩擦力μN的關系得出，為了減少輪緣磨耗，可以減少摩擦系數μ，可以采取輪緣表面涂油潤滑等方式。從而減輕車軸異常壓力，減弱應力集中現象。實際運用中減少應力集中的辦法是盡量使車軸軸肩的外形圓滑過渡，例如使用倒圓，可明顯降低局部應力集中。

3 結 論

通過對320t混鐵車通過小半徑曲線異常磨耗分析，針對車軸在運用過程中所出現的問題進行改善，減少軸座過渡區和軸承內圈邊緣區域應力集中的二次傷害、減小車軸受外力產生剪切力、彎矩的二次傷害和使用超聲波探傷對車軸是否產生裂紋進行預判。極大提高了車軸的使用壽命，降低了事故的發生

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