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分析地铁车辆轮缘润滑对车轮磨耗的影响

发表时间：2020/12/31 来源：《基层建设》2020年第24期作者：陈泉

[导读] 摘要：为了研究轮缘润滑对车轮磨耗的影响效果，对国内某地铁线路安装轮缘润滑器的列车和未安装轮缘润滑器的列车的车轮磨耗进行了跟踪测试。

        中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东省青岛市 266000
        摘要：为了研究轮缘润滑对车轮磨耗的影响效果，对国内某地铁线路安装轮缘润滑器的列车和未安装轮缘润滑器的列车的车轮磨耗进行了跟踪测试。结合笔者的实践经验，本文主要探讨了地铁车辆轮缘润滑对车轮磨耗的影响，以供广大学者和读者朋友参考。
        关键词：地铁车辆；轮缘润滑；车轮磨耗；影响
        引言：本文介绍了实际磨耗钢轨的实测结果、轮轨与实际接触对应的应力分析以及磨损模拟的实验室试验结果。通过残余应力测试和显微观察，对尖轨曲线钢轨磨耗进行了研究。采用三维弹塑性有限元模型估算了轮轨接触应力，研究了载荷和接触几何对轮轨磨损过程的影响。利用大型滚动接触机进行了试验性磨损模拟，估算了轮轨的实际磨损情况，阐明了材料硬度和接触几何对轮轨轨距面磨损的影响。
        1.高速钢轨在尖轨曲线上的疲劳和磨损问题
        车轮轮缘和轨距面的磨损是影响钢轨维修的主要因素之一。为了减少轮缘和轨规面的磨损，一般采用润滑、磨削等维修技术。多年来，通过实地考察和实验室试验，对轮轨的磨损进行了广泛的研究，并对轮轨的多种模态及相应的磨损机理进行了探讨。然而，与实地调查的结果相比，仍然存在一定的困难。本文的主要工作是尝试用虚拟仿真试验来预测轮轨的磨损情况，期望实验室的磨损试验能够模拟轮轨的实际接触。一个重要的因素是轨距面磨损量，因为预防性磨削可以非常有效地减少称为凹坑的滚动接触疲劳缺陷。润滑是另一个重要因素，本研究也对其进行了研究，因为润滑对量规表面磨损的影响还不清楚。即使是低轨的润滑也只有少量的研究。然而，润滑对轮缘爬升脱轨的影响一直是人们关注的焦点。调查集中在两个新干线站点的标准轨距和窄轨轨道上。结果表明，在弯道轮轨相互作用中，轮轨摩擦系数是非常重要的。车轮和钢轨的温度、湿度和表面条件都有影响。对不同工况下轮轨粘着性能的研究还有待进一步深入。为了研究蜗杆和变形表层的塑性流动和材料硬化，用光学显微镜观察了钢轨在纵向截面上的微观特征，结果说明了钢轨的塑性流动层与量头的差异。在规范角处，在平行于塑性流动的表面层中，形成了大量的塑性流动，并发现了许多长度为0.5~3mm的微裂纹。在这里，只观察到一种相对较轻的塑料流动，而且它的流动方向与表角相反。当这种反馈具有阻尼特性时，系统运动不再发散，轮对具有自动对中功能。但当运行速度超出某临界值时，上述的反馈使系统运动发散，产生自激蛇形震动。这种现象是由不同的切力引起的，在接触位置的变轮直径。[1]

        图1 蠕滑机理反馈系统
        2.有限元分析结果
        采用三维轮轨接触模型模拟轮轨接触.采用弹塑性有限元法（FEM）对轮轨不同截面组合进行了应力分析，估算了实际轮轨接触情况下的应力分布。接触模型的典型应力分布，其中车轮载荷为75 kN，侧向载荷为30 kn。结果表明，轮轨剖面对最大压应力和接触补片有显著影响。在图中，虽然车轮或钢轨的磨损轮廓可降低最大接触应力，但接触补片有向轮缘顶部移动的趋势，从而可能导致滑移速度的提高。一般来说，磨损量取决于接触应力状态和轮轨的轮廓。然而，轮轨的外形在磨损过程中逐渐发生变化。在评价轮轨磨损性能时，既要考虑应力状态，又要考虑齿形变化。[2]
        3.实验结果
        在分析车辆稳定性和材料完整性（如轮缘和轨距面磨损）时，了解车辆通过急弯道时车辆与轨道的相互作用具有重要意义。轮轨间的攻角和侧向力作为控制车辆/轨道相互作用的参数一直是人们关注的焦点。在这项研究中，在一条试验轨道和一条收入铁路线的运营区段的尖锐曲线上进行了轨道位置测量，以研究润滑对车辆/轨道相互作用的影响。同时，通过与轨道位置测量值的比较，评估车辆动力学仿真模型的充分性，以评估润滑对不同车辆和轨道条件下车辆/轨道相互作用的影响。[3]
        结果表明，仿真模型估算的侧向力和攻角与现场实测结果吻合较好。本文描述了轨道现场测量的详细设置和结果，以及建立车辆动力学仿真模型来研究润滑对车辆/轨道相互作用的影响的可能性。在大型双盘试验机上进行了实验室磨损试验.钢轨和轮式试件都是用与铁路使用的商业钢轨和车轮相同的材料制成的。轮轨试件直径分别为500 mm和350 mm。试验中采用的热载荷和推力载荷分别为23 kN和9.1kN。它们对应于75 kN的足尺车轮载荷和34 kN的横向载荷。参照铁路采用的钢种，将钢轨的硬度设置为三种等级。轮盘和钢轨盘的磨损量随钢轨盘初始硬度的变化而变化。钢轨盘和轮盘的磨损量分别为30x10*和21x10“。在此图形中，在轮盘硬度恒定的情况下，轨盘的规面磨损随钢轨盘硬度的增加而显著降低。同时，轮缘作为钢轨磨损的对应物，其磨损没有增加的趋势，但也有下降的趋势。造成这一现象的原因是钢轨硬度的增加限制了钢轨的轮廓范围，使钢轨的接触保持在较低的滑移率的位置。此外，由于轮盘被设置为驱动侧，所以轮盘的磨损量远低于钢轨盘的磨损量。[4]
        4.实验结论
        （1）对于实际磨损的钢轨，轨距角和轨头在残余应力和塑性流动上存在显著差异，其残余应力和塑性流动均大于钢轨头，这说明轨距角比钢轨头承受更严重的应力状态。
        （2）对轮轨接触进行了模拟。结果表明，轮轨的应力状态取决于所施加的载荷和轮轨的外形。磨损的型材可能会引起接触，有加速的趋势。
        （3）提高钢轨盘的初始硬度，可以提高轮缘/轨距角的耐磨性。轮缘的磨损与钢轨的齿形变化有关。
        结束语：结果表明，轮缘润滑对车轮的轮缘厚度、轮缘高度及踏面磨耗速率影响较小，但能极大地减缓踏面为LM32的动车和拖车车轮轮缘磨耗。安装轮缘润滑器，减磨效果能达到24%，而在整列车（包含动车和拖车）安装轮缘润滑器时，减磨效果则能达到36%。
        参考文献：
        [1]温邦.地铁车轮踏面滚动接触疲劳形成机理及对策研究[D].四川：西南交通大学，2017.
        [2]张杏蔓，鲁工圆.基于视频图像分析的地铁列车车辆拥挤度识别方法研究[J].交通运输工程与信息学报，2020，18（3）：142-152.DOI：10.3969/j.issn.1672-4747.2020.03.017.
        [3]付丽，丛培城，马兰.地铁车辆牵引系统干扰计轴器问题的故障分析和解决方案[J].铁道车辆，2020，58（8）：26-28，31.
        [4]卜征，李莉，刘存真，等.基于模态贡献量分析方法的地铁车辆结构降噪优化研究[J].城市轨道交通研究，2020，23（3）：131-135.DOI：10.16037/j.1007-869x.2020.03.030.