铁道机车车辆轮对应用可靠性探讨

铁道机车车辆轮对应用可靠性探讨

吴迪

中车大连机车车辆有限公司     辽宁大连    116022

摘要：铁路机车运行中，轮对是至关重要的组成部件，机车运行中的所有载荷都经由车轮支撑结构传递到钢轨上，并利用轮轨和钢轨之间的黏着力进行牵引力与制动力的传递，其中，轮轴承担着复杂的来自各个方向的高频交变载荷。在机车运行中，如果轮对出现了失效问题，极易引发列车脱轨等重大安全事故。所以，文章分析了铁道机车轮对车辆运行稳定性的影响，给出了提升轮对应用可靠性的方式，旨在保证铁路机车车辆行车安全性。

关键词：铁道机车；车辆轮对；可靠性

  铁路机车走形中，轮对是必不可少的构件，一旦出现失效问题，势必会引发一系列的故障，比如，车轮滚动接触疲劳失效、轮轴在持续交变载荷作用下的疲劳失效等问题，不仅会较大程度地影响车辆行车的稳定性，还会威胁到旅客的乘车安全。所以，文章针对铁路机车车辆轮对应用中的失效问题展开了分析研究，并给出了有针对性的处理措施，这对轮对实际应用可靠性的提升具有重要意义。

1铁道机车车辆轮对车辆运行稳定性的影响

1.1踏面锥度带来的影响

为发挥自导向作用，轮对踏面都会设计出相应的锥度。轮对在运行中，其中心部位稍有横向移动，其左右轮会利用两个直径不同的滚动轨迹运行在钢轨上，车轮与轨道之间形成的润滑导向力会促使轮对出现蛇行振动。在机车行进加速后，车轮与轨道之间的阻尼就会慢慢变小，在超出一定速度界限时，阻尼值为正，蛇行振动加剧，引发轮缘打击钢的情况[1]。

  通常情况下，机车应用的是等效锥度不高的踏面，比如，我国铁路专用的LMA型号机车踏面等。锥度下降，蛇行运行频率会渐渐接近机车二系横向频率，导致系统阻尼比值下降，从而造成车体发生大幅度晃动。在踏面等效锥度过低时，阻尼比急速下降，导致轮对踏面出现蛇型磨损，所以踏面锥度，应统筹兼顾机车一次蛇行运行稳定性要求。

1.2轮轨接触斑形态的影响

这种疲劳主要有两种类型，即应力与应变疲劳剥离。应力疲劳剥离主要是在滚动接触压力与牵引制动切向力的协同施加下出现的，因牵引导致的表层应变速度不高，常常小于车轮常规磨损，所以不会有这种剥离的发生。但车轮在出现滑动时，车轮与轨道之间的摩擦温度就会加速提升，在其大于400℃时，屈服应力迅速下降，在接触应力施加下，车轮外部塑性形变就会增加，由此可知，机车在低速行驶时轮轨滑动会大幅度提高轮轨踏面温度。

2提升轮对应用可靠性的方式

2.1车轮疲劳强度评价

铁路机车车轮疲劳强度根据国际铁路联盟(UIC)规程510-5标准实施的，针对车轮的轴对称结构，把多轴应力投影为沿最大主应力方向的单轴应力。车轮疲劳多出现在辐条和轮毂的衔接位置，主要是因曲线和道岔利用施加在车轮的横向弯矩导致的辐板交变的拉伸和压缩应力所引起，其产生的应力方向属于径向。

国际铁路联盟(UIC)规程510-5标准是根据车轮裂纹产生在最大拉应力方向假定条件下获得的。对等效单轴应力幅进行计算时，利用把多轴应力顺着最大拉应力走向投影所得到的。但在机车轮毂过于薄弱或过盈量超出标准过多时，在辐条和轮毂的衔接位置出现较大程度的周向拉应力，这种拉应力常常会大于辐条的拉应力[2]。如果这种情况下依旧基于最大拉应力方向进行投影，所取得的就是周向最大应力与最小应力的差值，但周向应力通常是因过盈量生成的静应力，其最大应力与最小应力的差值不超多径向最大应力与最小应力的差值，这时针对车轮强度制定的评价将会向危险接近。所以，在这种情况下想要取得径向最大应力与最小应力的差值，就必须应用顺着最小主应力方向进行投影的等效方式。

通过相关计算结果显示，顺着最小主应力方向的投影最大应力与最小应力的差值要高于顺着最大主应力方向的投影。所以，在选用国际铁路联盟(UIC)规程510-5标准对车轮强度进行评价时，需要共同顺着最小与最大主应力方向进行投影。

2.2车轴的优化设计

机车车轮的轮座和轴身衔接的圆弧形直接影响着二者的疲劳强度。这种衔接的圆弧形曲率倒数过小，更容易减缓轮座的应力集中，由此提高轮座具有的疲劳强度。然而，过小的圆弧曲率倒数会造成衔接位置圆弧区域的应力集中系数上升。车轮轮座和轴身衔接位置的最适宜形状就需要确保轴身与轮座的应力集中系数保持在最小，同时拥有一致的疲劳寿命。

2.3增加微动磨损疲劳寿命

铁路机车在走形中，轮对会承受旋转弯曲力矩施加的作用力，出现具有周期性质的轴向拉伸与压缩变形。当车轮轮轴过盈配合后，其边缘因为刚度突然变化造成轮轴变形不同，由此出现极小的相对滑动，在此情况下，轮轴疲劳寿命迅速降低，也就形成了微动磨损疲劳。

提高这种疲劳寿命的方式有如下几种：其一，车轮轮轴出现过盈配后处，轮毂表面需要凸悬在轮座的外部，这对缩小轮轴间的微动幅值极为有利。其二，提高轮轴刚度[3]。轮轴刚度提升的同时也在减弱轮轴的弯曲变形程度，并缩减轮轴间的微动磨损幅值。其三，增强轮座滚压。这种滚压增强的处理能够进一步增加轮座外表硬度、光度与生成残余压应力，这对轮座疲劳强度的提升都极为有利。其四，做好轮座外表喷钼处理。在轮座外表喷施的钼层，拥有较高的硬度以及抗粘附磨损性能，可以有效避免轮轴微动磨损，据相关实验研究显示：这种喷钼处理方式能够促使轮轴疲劳极限得到充分提升。

3结束语

综上所述，想要提升机车轮对实际运用的可靠性，首次，在设计轮对踏面时，其等效锥度不可太低。不然会导致轮对蛇行频率和接车二系横向频率形成耦合，引起车体晃动，轮对蛇行运动加剧，车轮损耗增加。其次，轮轨接触椭圆斑长轴应该与车轴平行，这对轮轨滑动摩擦温度控制以及踏面剥离的抑制都极为有利。再次，轮毂过于薄弱时，其与辐条衔接位置会生成过大的周向拉应力。如果相应的按标准依旧选择沿主应力方向进行投影，无法得到该位置的最大应力与最小应力的最大差值。所以，车轮疲劳强度评价在顾及到沿最大主应力方向进行投影时，需要兼顾沿最小主应力方向进行投影。最后，轮座和轴身衔接位置圆弧应该确保轴身和轮座的疲劳寿命保持一致，并以此制定优化方式。

参考文献

[1]王晨,马卫华,罗世辉,等.轮径差对地铁车辆轮对磨耗的研究[J].铁道机车车辆,2013(S1):55-56.

[2]李国芳,岳鹏,丁旺才,等.轮对柔性对车辆动态曲线通过性能的影响研究[J].铁道标准设计,2019(09):78-79.

[3]石俊杰,崔涛,高峰,等.柔性轮对的轮轨静态接触和车辆动态性能研究[J].铁道机车车辆,2020(04):80-80.