磨耗

因摩擦而受损

轮轨磨耗是影响重载铁路运输安全性和经济性的重要因素, 一直受到国内外学者的关注和研究。重载是中国铁路货物运输的主要发展方向, 而轮轨磨耗在重载运输中尤其严重。

重载铁路轮轨磨耗及其对安全运行的影响

介绍了国内外重载铁路发展现状和运用情况。详细论述了重载铁路在运营过程中轮轨典型的磨耗情况，主要有车轮轮缘磨耗、车轮踏面凹坑磨耗、车轮椭圆磨耗、车轮偏心磨耗、钢轨轨角侧磨、钢轨波浪形磨损以及轮轨擦伤。关于重载铁路轮轨磨损的研究主要分两个方面：轮轨的力学行为和基于轮轨行为对轮轨磨耗的机理、发展规律、主要影响因素和降磨措施。讨论了轮轨磨耗对轮轨接触载荷、车辆和轨道动力学行为、运行安全和稳定性的影响。提出了轮轨磨耗状态下重载列车脱轨安全问题的研究方法与技术路线，以期通过数值仿真计算，研究轮轨磨耗状态下重载列车脱轨机理和关键影响因素及其规律。

轮轨磨耗状态对重载列车安全运行影响

重载列车-轨道耦合大系统，包括车辆子系统、车间悬挂子系统、轮轨接触子系统、轨道子系统。

试验研究是掌握重载列车服役性能的直接手段。试验测试技术已相对成熟，振动加速度、位移测试用于掌握列车关键部件的振动特性，评价列车运行稳定性及平稳性；动应力测试用于监测构架、车体等部件的动态应力；轮轨力利用测力轮对完成，以评价列车脱轨安全性，并辅助分析轮轨伤损及磨耗特性。轮轨磨耗状态在线监测技术尚不成熟，主要利用轨检车在停车状态完成，以保证精确测量，测试内容包括车轮型面磨耗、车轮周向磨耗和钢轨型面磨耗状态及钢轨波磨特性等。为了研究轮轨磨耗状态对重载列车安全运行影响，在试验研究过程中应全面掌握不同运行时期列车关键部件振动特性和轮轨磨耗状态，获得轮轨磨耗演变规律，研究不同轮轨磨耗状态下的列车动态运行特性，找出影响重载列车安全运行的轮轨磨耗限值，包括车轮非圆化、踏面凹陷、轮径差、轮缘磨耗等。

重载列车-轨道耦合大系统

重载列车-轨道耦合大系统，包括车辆子系统、车间悬挂子系统、轮轨接触子系统、轨道子系统。

提出的基本思路：一是建立单节整车 /轨道耦合动力学动态脱轨计算模型，仿真分析轮轨不同磨耗程度与现有脱轨评价指标和系统动态响应之间的相互关系，提出新的适用于重载列车动态脱轨评判准则；二是建立整列车 /轨道空间耦合大系统动力学模型，考虑车间连接参数、列车编组和牵引特性以及车辆轨道关键部件非线性，研究不同线路区段和轮轨磨耗状态下，重载列车的动态响应及其脱轨安全性，揭示重载列车脱轨发生发展机理和关键影响因素及其规律性问题，并提出重载列车脱轨安全域。

根据现场跟踪实测的轮轨型面数据，研究时考虑： ( 1) 不同磨耗状态，包括车轮的圆周磨耗、凹形磨耗、轮缘磨耗，钢轨的曲线外轨侧磨、内轨压溃，波磨，轮轨磨耗引起的轮径差等； ( 2) 轮轨匹配关系：原始轮与原始轨，原始轮与磨耗轨，磨耗轮与原始轨，磨耗轮与磨耗轨； ( 3) 分析指标考虑：轮轨相互作用力、轮对位移和加速度、车体位移和加速度。研究分析重载列车在直线和曲线上的动力响应、动态临界脱轨及影响因素．最后定义重载列车动态脱轨安全域和拟定重载列车动态脱轨评判准则及危险状态下重载列车的安全控制措施。

铁道车辆非理想状态下的车轮磨耗行为

铁道车辆在非理想状态下的车轮磨耗行为，以 C80 型货车为例在 SIMPACK 中建立车辆-轨道系统动力学模型，基于轮轨半赫兹接触模型、KALKER 简化理论和 ZOBORY 磨耗模型编制车轮磨耗仿真程序，对具有轮对安装偏转角和轮差时的车轮磨耗行为进行仿真，得到车轮磨耗后的踏面形状、圆周磨耗和轮缘厚度，最后从车轮磨耗的角度分析转向架结构对车辆非理想状态的适应性。

有轮对安装偏转角时的车轮磨耗行为

当理想状态下的车辆在直线上运行时，同一轮对左右车轮磨耗后的踏面形状随运行里程的变化时。理想轮对直线上运行时，左右车轮的磨耗范围均分布在−40～45 mm，且磨耗后的车轮形状几乎一致；当运行 12×105 km 后，左轮的轮径为 828.8 mm，右轮的轮径为 828.2 mm，轮径差为 0.6 mm。

当轮对安装偏转角 ψ0=3 mrad 时，同一轮对左右车轮磨耗后的形状随运行里程的变化时，可见车轮出现了偏磨现象，左轮出现轮缘磨耗，磨耗分布在−45～35 mm 范围内，而右轮上的磨耗只发生在踏面上，没有轮缘磨耗出现，分布范围为−25～45 mm；车辆运行 6.8×104 km 后，左轮轮径为829.5 mm，右轮为 830.5 mm，轮径差为 1 mm。

不同轮对安装偏转角下同一轮对左右车轮的圆周磨耗深度和轮缘厚度随运行里程的变化时。可以看出：轮对安装偏转角 ψ0 导致车轮磨耗速度急剧上升，车辆在直线上运行时，在理想状态下运行 97×104 km 后圆周磨耗深度达到段修限度，而 ψ0=1 mrad 时只需要运行 34.9×104 km，ψ0=2 mrad时为 13.4×104 km，ψ0=30 mrad 时为 6.5×104 km，段修磨耗寿命分别减少了 64%、86.2%和 93.3%；左右侧车轮圆周磨耗深度较为接近，段修限度内的最大轮径差为 0.94 mm；ψ0 越大，轮缘厚度差越大，理想状态下的轮缘厚度差最大为 1.58 mm，ψ0=1 mrad时为 2.1 mm，ψ0=2 mrad 时为 2.5 mm，ψ0=3 mrad时为 3.0 mm，说明 ψ0 越大，车轮偏磨越严重。

有轮径差时的车轮磨耗行为

车辆在直线上运行时，轮径差分别为 4 mm 和8 mm 时车轮磨耗后的踏面形状随运行里程的变化时。当轮对存在轮径差时，车轮出现了严重的偏磨现象，具体表现为轮径较小一侧的车轮以轮缘磨耗为主，轮径较大一侧车轮以踏面磨耗为主；ΔD=4 mm 时，左侧车轮磨耗分布在−45～37 mm 范围内，右侧车轮分布在−27～47 mm范围内，ΔD=8 mm 时，左侧车轮磨耗分布在−50～32 mm 范围内，右侧车轮分布在−24～54 mm 范围内，说明轮径差越大，左右车轮磨耗分布范围相差越大，同时轮径较小一侧的车轮轮缘磨耗越严重。

不同轮径差下同一轮对左右车轮圆周磨耗深度和轮缘厚度随运行里程的变化时。可以看出：轮径差导致车轮磨耗速度迅速增大，车辆在直线上运行时，理想状态下运行 97×104 km 后圆周磨耗深度达到车轮段修限度，ΔD=2 mm 时只需要运行73.7×104 km，ΔD =4 mm 时为45.6×104 km，ΔD=6 mm 时为36.8×104 km，ΔD=8 mm 时为26.5×104 km，段修磨耗寿命分别减少了 24%、52.9%、62.1%和72.7%；左右侧车轮圆周磨耗深度不同，轮径较大一侧的磨耗主要发生在踏面上，导致圆周磨耗深度较大，最终导致左右轮的轮径差减小，其中初始轮径差为8 mm 的轮对在运行31.5×104 km 后轮径差减小到 5.7 mm；左侧车轮轮缘厚度随里程增大逐渐增加，而右侧车轮轮缘厚度逐渐较小，说明出现偏磨现象，而且轮径越大，左右侧车轮轮缘厚度相差越大。

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