轮轨形面和硬度匹配技术研究

金属及化学研究所轮轨形面和硬度匹配技术研究中国铁道科学研究院金化所周清跃2012.5金属及化学研究所目录一、轮轨接触状态的理想目标二、国内外轮轨形面匹配三、轮轨匹配不良带来的危害四、改善轮轨匹配的技术措施五、下一步需要做的工作六、轮轨硬度匹配问题七、结论和建议金属及化学研究所一、轮轨接触状态的理想目标•什么是轮轨接触状态的理想目标？金属及化学研究所轮轨接触可以按照三个接触区域(如图1-1所示)来进行讨论：(1)轨顶和车轮踏面中心接触区(区域A)；(2)钢轨轨距角和车轮轮缘根部接触区(区域B)；(3)钢轨和车轮外侧接触区(区域C)。1.1轮轨接触状态一、轮轨接触状态的理想目标金属及化学研究所图1-1轮轨接触功能区一、轮轨接触的理想目标1.1轮轨接触状态金属及化学研究所轮轨接触在区域A接触，具有轮轨接触应力最小，横向蠕滑率/力很小等特点，是轮轨形面设计所追求的，也是铁路运行所期望的，是轮轨接触的理想状态之一。1.2区域A接触一、轮轨接触的理想目标金属及化学研究所当轮轨在区域B接触(钢轨轨距角和车轮轮缘根部接触区)时，有三种形式：即两点接触、一点接触和共形接触，如图1-2所示。1.3区域B接触一、轮轨接触状态的理想目标两点接触单点接触共形接触图1-2区域B接触时的三种形式金属及化学研究所当车辆通过小半径曲线、或轨距发生变化、或轨面出现不连续(如道岔、接头、擦伤)等情况时，轮轨往往会在区域B接触。轮轨在该区域接触，可能使轮轨出现早期伤损以及影响车辆的导向性能和稳定性，是轮轨形面设计力求避免的。1.3区域B接触一、轮轨接触状态的理想目标金属及化学研究所两点接触：列车在曲线上运行，当轮轨在区域B接触时，通常会产生轮缘力和横向蠕滑，随之导致大的滑动和磨耗，并加速轮缘磨耗，直到轮缘形状与钢轨形状一致为止。列车在曲线上运行出现两点接触时会加速钢轨的侧磨，也是多年来车轮形面设计所刻意避免的。但两点接触会避免或减少轨距角出现裂纹和剥离掉块。1.3区域B接触一、轮轨接触状态的理想目标金属及化学研究所单点接触：区域B处的单点接触对车辆和轨道的损害最大，在大蠕滑条件下高接触应力会导致钢轨轨距角的疲劳破坏，轻则产生钢轨裂纹，重则造成剥离掉块(图1-3)。伴随出现的大的纵向蠕滑导致钢轨材料的塑性流变，更危险的情况是导致车辆蛇行失稳，并由此引发钢轨交替侧磨。1.3区域B接触一、轮轨接触状态的理想目标图1-3轨距角剥离掉块金属及化学研究所造成轮轨单点接触的原因主要有以下三个方面：1）不正确的轮轨形面匹配；2）钢轨服役后轨头变平，如图1-4所示；3）车轮踏面过于凹陷，如图1-5所示。图1-4凹形车轮与扁平轨头接触图1-5车轮踏面凹陷造成的单点接触1.3区域B接触一、轮轨接触状态的理想目标金属及化学研究所共形接触在一定条件下，当轨距角与轮缘磨合到一个共同形面的时候就会发生共形轮缘接触。显然，在轨距角部位形成与轮缘共形接触，与其他接触状态相比，接触应力最低，这种接触状态是轮轨形面设计所追求的，也是铁路运行所希望出现的。1.3区域B接触一、轮轨接触状态的理想目标金属及化学研究所在一些特殊情况下，轮轨接触会发生在区域C(钢轨和车轮外侧接触区)。这种情况会导致车轮形面外侧产生高的接触应力(图1-6)；或者在远离车轮边缘接触，将导致车轮踏面外侧出现假性轮缘。这两种情况经常同时发生，此时将产生如图7所示的接触状态，从而出现大的接触应力和纵向蠕滑，恶化车轮导向性能，加速轮缘磨耗。1.4区域C接触二、轮轨接触状态的理想目标金属及化学研究所图1-6车轮外侧与下股钢轨接触图1-7两种高应力接触状态的结合1.4区域C接触一、轮轨形面匹配的理想目标金属及化学研究所综上所述，无论是高速、重载还是普通铁路，在直线和大半经曲线上运行时，轮轨应在区域A接触，即轨顶踏面中心区和车轮踏面中心区接触。在曲线上运行时，最好是与轮缘形成共形接触。这是轮轨接触的理想状态，也是轮轨形面匹配追求的目标。一、轮轨接触状态的理想目标1.5轮轨接触状态的理想目标金属及化学研究所一、轮轨接触状态的理想目标•轮轨的形面及硬度匹配，对轮轨接触是否达到理想状态具有重要的作用。轮轨初始的形面匹配，即新轮新轨的形面匹配，直接影响轮轨的接触状态，轮轨的硬度匹配则间接影响轮轨接触状态。•轮轨接触不良或者状态不好，不仅影响轮轨使用寿命，还将影响列车运行的舒适度甚至行车安全。金属及化学研究所一、轮轨接触状态的理想目标•轮轨接触是否达到理想状态，不仅与轮轨形面和硬度匹配有关，同时与轮轨关系参数，包括轨底坡、轮背内侧距等有关。金属及化学研究所一、轮轨接触状态的理想目标从车轮形面来看，目前世界上有锥形和磨耗型车轮两种。最初均采用锥形车轮，后来逐渐研发出磨耗型车轮。关于车轮踏面的锥度。锥型踏面的锥度为一恒定值，当轮对沿轴向出现横向位移时，锥度不变化；而磨耗型踏面的锥度随着轮对轴向位移的变化而变化，这种变化是非线性的。随着位移增大，锥度的增加量会越来越大，因此在较小的轮对横向位移下，就可以得到较大的滚动圆半径差，因此，等效锥度较大的踏面具有较好的曲线通过性能。金属及化学研究所一、轮轨接触状态的理想目标•一般，需要通过较小曲线半径铁路的车轮，需要较大的等效锥度。如我国LM车轮形面的等效锥度就较大。但从动力学角度讲，锥度越大，车辆的临界速度越低。因此，对高速铁路而言，车轮形面的等效锥度不能太大。金属及化学研究所一、轮轨接触状态的理想目标•基于此，我国设计的高速铁路的客车车轮形面LMA，其等效锥度比LM小，但是由于LMA锥度变化小，曲线通过性能稍差，不适合在半径太小的线路上运行。金属及化学研究所钢轨为日本JISE1101-2001车轮为日本JP-ARC轨底坡1/40图2-1日本高速铁路轮轨形面匹配情况按轨底坡、轮轨踏面实际尺寸、以轮对居中和贴靠钢轨两种情况作图，进行轮轨几何形面的匹配，结果如图2-1所示。由此可见，日本轮轨接触圆弧半径较大，车轮等效锥度小，新轮新轨形面匹配良好。二、国内外铁路轮轨匹配情况2.1日本高速铁路金属及化学研究所钢轨为欧洲60E1车轮为S1002轨底坡：20图2-2法国高速铁路轮轨形面匹配情况二、国内外铁路轮轨匹配情况2.2法国高速铁路法国高速铁路轮轨形面匹配情况，如图2-2所示。金属及化学研究所钢轨形面：德国高速铁路，初期铺设UIC60钢轨（60E1）。2003年后，德国研制了具有新轨头形面的钢轨断面（60E2），并在高速铁路上铺设使用。车轮形面：德国铁路也采用S1002磨耗型车轮踏面。二、国内外铁路轮轨匹配情况2.3德国高速铁路金属及化学研究所图2-3德国采用60E1钢轨断面时的轨形面匹配情况二、国内外铁路轮轨匹配情况2.3德国高速铁路德国高速铁路轮轨形面匹配情况，如图2-3和图2-4所示。金属及化学研究所钢轨为60E2车轮为S1002轨底坡1/40图2-4德国采用60E2钢轨后的轮轨形面匹配情况2.3德国高速铁路三、钢轨轨头廓形优化研究金属及化学研究所钢轨形面：我国既有铁路采用的钢轨轨型为50、60和75kg/m。轨头形面均不相同。其中，50kg/m钢轨的轨头由R300和R13等圆弧组成，60kg/m钢轨轨头由R300、R80和R13等圆弧组成，75kg/m钢轨由R500、R80和R15等圆弧组成。二、国内外铁路轮轨匹配情况2.4我国普通铁路轮轨匹配金属及化学研究所我国车轮形面：我国铁路早期使用的车轮形面为锥型踏面TB车轮，上个世纪80年代，开展了磨耗型车轮踏面的研发工作，随后，大部分采用磨耗型LM车轮踏面。二、国内外铁路轮轨匹配情况2.4我国普通铁路轮轨匹配金属及化学研究所换言之，我国既有铁路货车和客车用磨耗型车轮踏面LM是根据20世纪80年代我国铁路车轮的实际磨耗情况设计出来的，其出发点是减少车轮的磨耗以及提高曲线的通过性能。显然，与刚铺设上道的新钢轨形面是不匹配的，见图2-5和图2-6。二、国内外铁路轮轨匹配情况2.4我国普通铁路轮轨匹配金属及化学研究所钢轨为国产60轨车轮为货运LM车轮轨底坡1/40图2-5我国普通铁路车轮LM与60kg/m钢轨形面明显不匹配二、国内外铁路轮轨匹配情况金属及化学研究所图2-6我国75kg/m钢轨与LM车轮形面明显不匹配二、国内外铁路轮轨匹配情况金属及化学研究所我国在高速铁路上，主要运行4种动车组，即CRH1、CRH2、CRH3和CRH5。其中，CRH1（庞巴迪原型车）和CRH2（日本原型车），车轮形面采用我国的LMA；CRH3(德国原型车)车轮形面为S1002G;CRH5（法国原型车）车轮形面为XP55。XP55车轮实际上是一个锥形车轮，具有5.5%的锥度，适合在1：20轨底坡的铁路上运行使用。二、国内外铁路轮轨匹配情况2.5我国高速铁路轮轨匹配金属及化学研究所图2-7我国高速铁路用CRH1和CRH2动车组与60kg/m钢轨轮轨形面匹配情况二、国内外铁路轮轨匹配情况金属及化学研究所图2-8我国CRH3(S1002g)动车组车轮与60kg/m钢轨匹配情况二、国内外铁路轮轨匹配情况金属及化学研究所图2-9我国CRH5动车组车轮（XP55）与60kg/m钢轨匹配情况二、国内外铁路轮轨匹配情况金属及化学研究所国别钢轨断面车轮形面轨距/mm轨底坡轮背距/mm日本高速JIS60JPARC1435±21:401360法国高速UIC60(60E1)S10021435±21:201360德国高速UIC60(60E1)或60E2S10021435+5;-01:401360中国CRH1TB60LMA14351:401353中国CRH2TB60LMA14351:401353中国CRH3TB60S100214351:401353中国CRH5TB60XP5514351:401353表2-1我国高速铁路轮轨关系参数与国外高速铁路对比二、国内外铁路轮轨匹配情况金属及化学研究所国外高速铁路轮轨匹配良好：•综上所述，日本、法国等高速铁路，只有一种轮轨形面，新轮新轨接触时，轮轨接触可以达到理想状态，即直线上运行时，轮轨在轨头踏面中心接触，车轮贴靠钢轨侧面时，形成共形接触。金属及化学研究所我国轮轨匹配存在的问题：•我国铁路的轮轨接触关系，由于轮轨参数与国外不完全相同，且存在多种车轮形面，新轮新轨均不够匹配，尤其对LM、S1002g车轮更为突出，表现为新轮新轨接触时，不在轨头踏面中心，车轮贴靠钢轨侧磨时，未形成共形接触。金属及化学研究所我国铁路采用1：40轨底坡，在刚铺设使用的新钢轨上，轮轨接触光带不在设计的轨头踏面中心。图3-1为已运行近1年（2007年4月开通，2008年1月测量）的西环线钢轨光带（钢轨未打磨）。图3-1西环线开通一年后轮轨接触光带和廓面外形三、轮轨匹配不良带来的危害金属及化学研究所在既有线上，由于轴重较大，一般情况下轮轨可以自然磨合，钢轨使用后轨面光洁，不会出现滚动接触疲劳伤损（RCF），见图3-2（成渝线）。图3-2U71Mn钢轨磨合后的轨面状态三、轮轨匹配不良带来的危害金属及化学研究所三、轮轨匹配不良带来的危害•但是，当钢轨难以通过自然磨耗而磨合时，如钢轨硬度太高或者钢轨轨面受到油脂等的污染，此时，轮轨形面不匹配，就会带来很大的问题。•在高速铁路上，轮轨自然磨耗困难，也会出现问题。金属及化学研究所图3-3既有线插入钢轨的光带，说明轮轨接触发生在轨距角金属及化学研究所图3-475kg/m钢轨使用两个月，出现明显的剥离掉块金属及化学研究所直线上铺设硬度较高的钢轨时，轮轨间不能通过自然磨耗而磨合，由于轮轨不匹配，造成轮轨长期在轨距角接触，轨距角部位出现严重的剥离掉块或斜裂纹。图3-5~图3-11为浙赣线成段铺设的进口热处理钢轨，在通过总重约4亿吨后因踏面R80部位出现严重的滚动接触疲劳伤损而下道。三、轮轨匹配不良带来的危害3.1高硬度热处理钢轨出现的RCF金属及化学研究所图3-5进口热处理钢轨轨距角剥离掉块三、轮轨匹配不良带来的危害3.1高硬度热处理钢轨出现的RCF钢轨为国产60轨车轮为货运LM车轮轨底坡1/40金属及化学研究所