重载货车车轮踏面优化研究

摘要

发展重载运输，大幅度地提高列车载重量是铁路扩大运输能力、提高运输效率的有效途径。同样，这也已成为我国铁路货运的发展方向，我国国情路况的必然产物。然而，由于列车载重量增大，编组长度增加、轴重加大，列车运行中的牵引力及制动力加大，导致货物及车辆设备损坏增多、线路变形以及养护维修工作量增大、轮轨磨耗加剧等，这些已成为重载铁路运输中的突出问题。
　　当车轮在钢轨上运行时，轮轨磨耗是不可避免的。运量增加，轮轨磨损必然加剧。优化车轮踏面外形的设计，改善轮轨接触状态和轮轨作用力，既能获得良好的运行平稳性、安全性，又有利于减轻轮轨磨耗，延长车轮的使用寿命，从而获得最佳的经济效益和社会效益。本文在给定了车辆系统结构和轮轨系统结构的情况下，选择最优的轮轨几何型面匹配参数，即在现有LM磨耗型踏面的基础上，系统研究、优化出一种适合75kg/m钢轨的重载货车车轮踏面外形。
　　本文通过分析国内外轮轨磨耗研究现状以及对磨耗预测的模型，总结出适用于重载货车车轮磨耗评定的轮轨磨耗模型--磨耗功磨耗模型和Archard磨耗模型，采用计算多体系统动力学软件SIMPACK建立32.5t轴重重载货车模型，分析LM磨耗型踏面分别与60kg/m、75kg/m钢轨匹配的轮轨接触几何关系，以及运用两种磨耗模型评定车轮磨耗情况，即采用磨耗指数、轮对冲角、整车磨耗功率、轮轨接触应力、单个接触斑内的磨耗深度、纵横向蠕滑力等指标分别进行评定。结果表明，不论在直线上还是曲线上，32.5t轴重重载货车模型中，LM磨耗型踏面与75kg/m钢轨匹配运行的车轮磨耗量，尤其是在车轮踏面上的磨耗量，要比与60kg/m钢轨匹配的严重。
　　优化与75kg/m钢轨外形匹配的车轮踏面外形可减轻轮轨磨耗、延长轮轨的使用寿命，对重载运输有着实质的意义。根据车轮踏面及轮缘接触位置上的不同磨耗情况，可知重点优化车轮踏面的区域。本文重点优化车轮踏面名义滚动圆附近的踏面位置，即滚动圆左右-2.5mm～7.5mm的范围。在此前提下，本文提出了四种踏面外形的优化方案，分别与75k咖钢轨进行匹配运行，分析车轮的磨耗量，从中优化出了一种理想的踏面外形。优化研究结果表明，优化后的踏面与75kg/m钢轨匹配运行时，车轮磨耗得到显著改善，同时其它各项动力学性能良好。