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(yán)重，異常的受力情況通過轉(zhuǎn)換傳導(dǎo)，作用于走行部、連接部、傾翻部而形成附加力，其中對(duì)輪對(duì)、車軸傷害加深、疲勞強(qiáng)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(duì)320 t混鐵車輪對(duì)、車軸質(zhì)量的影響，對(duì)輪緣與鐵軌接觸面受力分析、對(duì)輪對(duì)軸頸受力分析、應(yīng)力集中大小分析、軸承過盈配合等分析，提出相關(guān)改進(jìn)措施將對(duì)車軸通過小半徑曲線的異常受力影響降到最低

關(guān)鍵字：輪對(duì)車軸;剪力;彎矩;應(yīng)力集中;軸承

320 t混鐵車是鋼廠鐵水運(yùn)輸?shù)闹攸c(diǎn)車輛，運(yùn)輸載重量大，運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)頻繁，車軸的質(zhì)量是車輛能否安全運(yùn)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(tài)，加重了車軸自身的受力狀態(tài)，從而影響了車軸的質(zhì)量。

1 小半徑曲線異常磨耗的探究

1.1 輪對(duì)輪緣磨耗

車輛通過小半徑曲線、軌縫和道岔時(shí)，輪軌之間將要發(fā)生沖擊振動(dòng)。輪對(duì)過大的橫移會(huì)導(dǎo)致輪緣和鋼軌內(nèi)側(cè)發(fā)生貼靠時(shí)，輪軌之間就要發(fā)生兩點(diǎn)接觸，如圖1所示?？紤]到輪對(duì)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(fā)生變形或高頻振動(dòng)外，針對(duì)輪緣接觸點(diǎn)進(jìn)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(yīng)力產(chǎn)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(jù)車軸軸頸受力圖（圖3）實(shí)際情況，輪對(duì)兩側(cè)軸頸部位受異常荷載，對(duì)左邊軸頸進(jìn)行局部受力分析，簡(jiǎn)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(shí)際測(cè)量）與軸頸自重相差很大，可以忽略不計(jì)，因此將軸頸看做懸臂梁進(jìn)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(fā)現(xiàn)，從軸頸外側(cè)至內(nèi)側(cè)剪力和彎矩不斷增大。說明在異常外界作用力下對(duì)軸的性能影響也是從外到里逐步加深，對(duì)軸的的傷害也是逐步加大，會(huì)加深外力對(duì)軸的傷害，從而影響軸的使用年限，加大磨耗，并且會(huì)造成投入更多的費(fèi)用去檢修與修復(fù)。

1.3 車軸階梯式應(yīng)力集中

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

當(dāng)外力F保持異常增大時(shí)，橫截面面積A減小時(shí)，正應(yīng)力會(huì)局部放大，然而輪對(duì)車軸是階梯式，輪座軸徑大于軸頸軸徑，在其過度部位會(huì)有橫截面面積突然減小，從而產(chǎn)生較大的應(yīng)力，造成應(yīng)力集中。會(huì)對(duì)軸造成很大的傷害，減少使用壽命。

1.4 軸承內(nèi)圈應(yīng)力集中

車軸通過小半徑曲線的異常受力會(huì)加劇出現(xiàn)軸承應(yīng)力集中現(xiàn)象。軸頸與軸承過盈配合，會(huì)使軸承內(nèi)圈邊緣產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。軸承內(nèi)圈在軸表面產(chǎn)生的壓應(yīng)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(shí)際直徑，mm。

從式子中可以看出D1、D2如果大小相同，則壓應(yīng)力為零，但是軸與軸承內(nèi)圈采用過盈配合，D1一定要大于D2。這時(shí)必然會(huì)使軸產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而在接觸區(qū)與非接觸區(qū)之間的過渡區(qū)域（內(nèi)圈邊緣）產(chǎn)生極大的拉應(yīng)力。然而根據(jù)材料抗拉強(qiáng)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(huì)產(chǎn)生更大的壓應(yīng)力去抵抗拉應(yīng)力，這樣在橫截面積不變的條件下，增大了壓應(yīng)力，從而使變形一致。因此，內(nèi)圈邊緣區(qū)域會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，從而產(chǎn)生相對(duì)明顯的應(yīng)力集中，顯著降低軸的彎曲疲勞強(qiáng)度，一旦軸承松動(dòng)打轉(zhuǎn)，軸承內(nèi)圈邊緣會(huì)產(chǎn)生高溫破壞車軸自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)，造成車輛運(yùn)行安全隱患。

2? 針對(duì)車軸的劣化采取相關(guān)措施

2.1合理設(shè)置外軌超高

列車在曲線上行駛對(duì)軌道產(chǎn)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(huì)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(cè)輪緣磨耗加大同時(shí)對(duì)外軌的側(cè)面磨耗也不利。超高過小， 離心力不能被平衡車輛運(yùn)行的橫向力偏于外股鋼軌， 使外股鋼軌的垂直磨耗和同側(cè)側(cè)輪緣磨耗加大同時(shí)對(duì)里軌的側(cè)面磨耗也不利。而在曲線超高的設(shè)置過程中也應(yīng)當(dāng)嚴(yán)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(yīng)設(shè)置緩和曲線，設(shè)置不同的超高順坡。鑒于緩和曲線終端脫軌危險(xiǎn)性最大，應(yīng)設(shè)置較小的超高順坡率，從終端起5-10m范圍內(nèi)按δ≤1.5‰設(shè)置，剩余超高可采用δ≤2‰的順坡率在其余長(zhǎng)度的緩和曲線內(nèi)順完）

2.2 軌底坡的設(shè)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(shè)時(shí)需將鋼軌向內(nèi)側(cè)傾斜，使軌底與軌道平面之間形成一個(gè)橫向坡度，即為軌底坡。軌底坡取值適當(dāng)，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(chǎn)生的附加彎曲應(yīng)力較小，提高鋼軌的橫向穩(wěn)定性能。適當(dāng)?shù)能壍灼率馆嗆壗佑|面最大，一方面降低接觸應(yīng)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(yùn)行更穩(wěn)定;另一方面還可以增大牽引黏著力，獲得最佳運(yùn)行效率。軌底坡取值適當(dāng)，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(zhǎng)鋼軌及車輪使用壽命;減少鋼軌旁側(cè)因磨耗產(chǎn)生的金屬粉末，使軌道結(jié)構(gòu)更干凈，減少雜散電流。

2.3 減小摩擦系數(shù)與減弱應(yīng)力集中

車輛在運(yùn)行過程中，輪緣與軌道接觸產(chǎn)生摩擦，輪緣表面產(chǎn)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(shù)為μ，N為法向應(yīng)力，得出

因此根據(jù)輪緣力F跟摩擦力μN(yùn)的關(guān)系得出，為了減少輪緣磨耗，可以減少摩擦系數(shù)μ，可以采取輪緣表面涂油潤(rùn)滑等方式。從而減輕車軸異常壓力，減弱應(yīng)力集中現(xiàn)象。實(shí)際運(yùn)用中減少應(yīng)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(yīng)力集中。

3 結(jié) 論

通過對(duì)320t混鐵車通過小半徑曲線異常磨耗分析，針對(duì)車軸在運(yùn)用過程中所出現(xiàn)的問題進(jìn)行改善，減少軸座過渡區(qū)和軸承內(nèi)圈邊緣區(qū)域應(yīng)力集中的二次傷害、減小車軸受外力產(chǎn)生剪切力、彎矩的二次傷害和使用超聲波探傷對(duì)車軸是否產(chǎn)生裂紋進(jìn)行預(yù)判。極大提高了車軸的使用壽命，降低了事故的發(fā)生

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