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磨耗因摩擦而受損。輪軌磨耗是影響重載鐵路運輸安全性和經濟性的重要因素, 一直受到國內外學者的關注和研究。重載是中國鐵路貨物運輸的主要發展方向, 而輪軌磨耗在重載運輸中尤其嚴重。[1]
目錄
重載鐵路輪軌磨耗及其對安全運行的影響
介紹了國內外重載鐵路發展現狀和運用情況。詳細論述了重載鐵路在運營過程中輪軌典型的磨耗情況，主要有車輪輪緣磨耗、車輪踏面凹坑磨耗、車輪橢圓磨耗、車輪偏心磨耗、鋼軌軌角側磨、鋼軌波浪形磨損以及輪軌擦傷。關於重載鐵路輪軌磨損的研究主要分兩個方面：輪軌的力學行為和基於輪軌行為對輪軌磨耗的機理、發展規律、主要影響因素和降磨措施。討論了輪軌磨耗對輪軌接觸載荷、車輛和軌道動力學行為、運行安全和穩定性的影響。提出了輪軌磨耗狀態下重載列車脫軌安全問題的研究方法與技術路線，以期通過數值仿真計算，研究輪軌磨耗狀態下重載列車脫軌機理和關鍵影響因素及其規律。[2]
輪軌磨耗狀態對重載列車安全運行影響
重載列車-軌道耦合大系統，包括車輛子系統、車間懸掛子系統、輪軌接觸子系統、軌道子系統。
試驗研究是掌握重載列車服役性能的直接手段。試驗測試技術已相對成熟，振動加速度、位移測試用於掌握列車關鍵部件的振動特性，評價列車運行穩定性及平穩性；動應力測試用於監測構架、車體等部件的動態應力； 輪軌力利用測力輪對完成，以評價列車脫軌安全性，並輔助分析輪軌傷損及磨耗特性。輪軌磨耗狀態在線監測技術尚不成熟，主要利用軌檢車在停車狀態完成，以保證精確測量，測試內容包括車輪型面磨耗、車輪周向磨耗和鋼軌型面磨耗狀態及鋼軌波磨特性等。為了研究輪軌磨耗狀態對重載列車安全運行影響，在試驗研究過程中應全面掌握不同運行時期列車關鍵部件振動特性和輪軌磨耗狀態，獲得輪軌磨耗演變規律，研究不同輪軌磨耗狀態下的列車動態運行特性，找出影響重載列車安全運行的輪軌磨耗限值，包括車輪非圓化、踏面凹陷、輪徑差、輪緣磨耗等。
重載列車-軌道耦合大系統
重載列車-軌道耦合大系統，包括車輛子系統、車間懸掛子系統、輪軌接觸子系統、軌道子系統。
提出的基本思路： 一是建立單節整車 /軌道耦合動力學動態脫軌計算模型，仿真分析輪軌不同磨耗程度與現有脫軌評價指標和系統動態響應之間的相互關係，提出新的適用於重載列車動態脫軌評判準則； 二是建立整列車 /軌道空間耦合大系統動力學模型，考慮車間連接參數、列車編組和牽引特性以及車輛軌道關鍵部件非線性，研究不同線路區段和輪軌磨耗狀態下，重載列車的動態響應及其脫軌安全性，揭示重載列車脫軌發生髮展機理和關鍵影響因素及其規律性問題，並提出重載列車脫軌安全域。
根據現場跟蹤實測的輪軌型面數據，研究時考慮：
(1) 不同磨耗狀態，包括車輪的圓周磨耗、凹形磨耗、輪緣磨耗，鋼軌的曲線外軌側磨、內軌壓潰，波磨，輪軌磨耗引起的輪徑差等；
(2) 輪軌匹配關係： 原始輪與原始軌，原始輪與磨耗軌，磨耗輪與原始軌，磨耗輪與磨耗軌；
(3) 分析指標考慮：輪軌相互作用力、輪對位移和加速度、車體位移和加速度。 研究分析重載列車在直線和曲線上的動力響應、動態臨界脫軌及影響因素． 最後定義重載列車動態脫軌安全域和擬定重載列車動態脫軌評判準則及危險狀態下重載列車的安全控制措施。
鐵道車輛非理想狀態下的車輪磨耗行為
鐵道車輛在非理想狀態下的車輪磨耗行為，以 C80 型貨車為例在 SIMPACK 中建立車輛-軌道系統動力學模型，基於輪軌半赫茲接觸模型、KALKER 簡化理論和 ZOBORY 磨耗模型編制車輪磨耗仿真程序，對具有輪對安裝偏轉角和輪差時的車輪磨耗行為進行仿真，得到車輪磨耗後的踏面形狀、圓周磨耗和輪緣厚度，最後從車輪磨耗的角度分析轉向架結構對車輛非理想狀態的適應性。
有輪對安裝偏轉角時的車輪磨耗行為
當理想狀態下的車輛在直線上運行時，同一輪對左右車輪磨耗後的踏面形狀隨運行里程的變化時。理想輪對直線上運行時，左右車輪的磨耗範圍均分布在−40～45 mm，且磨耗後的車輪形狀幾乎一致；當運行 12×105 km 後，左輪的輪徑為 828.8 mm，右輪的輪徑為 828.2 mm，輪徑差為 0.6 mm。
當輪對安裝偏轉角 ψ0=3 mrad 時，同一輪對左右車輪磨耗後的形狀隨運行里程的變化時，可見車輪出現了偏磨現象，左輪出現輪緣磨耗，磨耗分布在−45～35 mm 範圍內，而右輪上的磨耗只發生在踏面上，沒有輪緣磨耗出現，分布範圍為−25～45 mm；車輛運行 6.8×104 km 後，左輪輪徑為829.5 mm，右輪為 830.5 mm，輪徑差為 1 mm。
不同輪對安裝偏轉角下同一輪對左右車輪的圓周磨耗深度和輪緣厚度隨運行里程的變化時。可以看出：輪對安裝偏轉角 ψ0 導致車輪磨耗速度急劇上升，車輛在直線上運行時，在理想狀態下運行 97×104 km 後圓周磨耗深度達到段修限度，而 ψ0=1 mrad 時只需要運行 34.9×104 km，ψ0=2 mrad時為 13.4×104 km，ψ0=30 mrad 時為 6.5×104 km，段修磨耗壽命分別減少了 64%、86.2%和 93.3%；左右側車輪圓周磨耗深度較為接近，段修限度內的最大輪徑差為 0.94 mm；ψ0 越大，輪緣厚度差越大，理想狀態下的輪緣厚度差最大為 1.58 mm，ψ0=1 mrad時為 2.1 mm，ψ0=2 mrad 時為 2.5 mm，ψ0=3 mrad時為 3.0 mm，說明 ψ0 越大，車輪偏磨越嚴重。
有輪徑差時的車輪磨耗行為
車輛在直線上運行時，輪徑差分別為 4 mm 和8 mm 時車輪磨耗後的踏面形狀隨運行里程的變化時。當輪對存在輪徑差時，車輪出現了嚴重的偏磨現象，具體表現為輪徑較小一側的車輪以輪緣磨耗為主，輪徑較大一側車輪以踏面磨耗為主；ΔD=4 mm 時，左側車輪磨耗分布在−45～37 mm 範圍內，右側車輪分布在−27～47 mm範圍內，ΔD=8 mm 時，左側車輪磨耗分布在−50～32 mm 範圍內，右側車輪分布在−24～54 mm 範圍內，說明輪徑差越大，左右車輪磨耗分布範圍相差越大，同時輪徑較小一側的車輪輪緣磨耗越嚴重。
不同輪徑差下同一輪對左右車輪圓周磨耗深度和輪緣厚度隨運行里程的變化時。可以看出：輪徑差導致車輪磨耗速度迅速增大，車輛在直線上運行時，理想狀態下運行 97×104 km 後圓周磨耗深度達到車輪段修限度，ΔD=2 mm 時只需要運行73.7×104 km，ΔD =4 mm 時為45.6×104 km，ΔD=6 mm 時為36.8×104 km，ΔD=8 mm 時為26.5×104 km，段修磨耗壽命分別減少了 24%、52.9%、62.1%和72.7%；左右側車輪圓周磨耗深度不同，輪徑較大一側的磨耗主要發生在踏面上，導致圓周磨耗深度較大，最終導致左右輪的輪徑差減小，其中初始輪徑差為8 mm 的輪對在運行31.5×104 km 後輪徑差減小到 5.7 mm；左側車輪輪緣厚度隨里程增大逐漸增加，而右側車輪輪緣厚度逐漸較小，說明出現偏磨現象，而且輪徑越大，左右側車輪輪緣厚度相差越大。