什么是轮轨相互作用?

[拼音]：lungui xianghu zuoyong

[外文]：interaction between wheel and rail

机车车辆在铁路线路上运行时，受线路不平顺的影响产生振动；机车车辆的重力和运行中产生的其他载荷通过车轮作用在钢轨上，又引起钢轨d性变形和轨道下沉，从而使线路的不平顺加剧。机车车辆车轮和线路钢轨间的这种相互作用，对于机车车辆的运行平稳性、车轮和钢轨的磨耗、机车车辆和线路维修费用，以及列车运行安全等有直接的影响。随着机车车辆重量的增大，以及列车运行速度的提高，这种影响越发显著。研究机车车辆在线路上的运动和运动中轮轨间的相互作用力，以及消除它们的有害影响也就更加重要。为研究方便起见，通常把机车车辆的运动和轮轨作用力按垂向和横向分别研究。

轨道垂向不平顺引起的机车车辆的垂向振动在轮轨间产生垂向动作用力。轨道的垂向不平顺，可用近似于钢轨接头下沉状态的余弦曲线来表示，也可用有代表性的轨道实测所得随机干扰函数来表示。机车车辆垂向振动和对轨道的动作用力，与转向架一系和二系d簧悬挂装置的d簧刚度和阻尼系数有关。适当选择这两个参数，可使车体振动加速度达到最小。车轮对轨道的动作用力除此以外，还取决于转向架的簧下质量。因此机车车辆都要减轻簧下质量，高速机车车辆更为必要。

机车车辆在直线线路上运行，由于踏面锥形（见轮对）产生蛇行运动及在通过曲线线路时，车轮和钢轨间产生横向作用力。机车车辆蛇行运动时，左右轮缘不断打击钢轨，这不仅会恶化机车车辆的运行平稳性，严重时甚至会造成脱轨事故。蛇行运动是机车车辆提高运行速度的主要障碍。

20世纪60年代以来，对轮轨几何关系和蠕滑的理论认识不断深化，加上电子计算机的应用和测试技术的发展，使轮轨间横向作用力的研究取得重大进展。

锥形或凹形车轮踏面的轮对在横移时，左右车轮接触点的位置、滚动半径差、轮轨接触点切线和水平面的夹角（接触角）等都发生变化。车轮踏面外形对蛇行稳定性有重要作用。对于凹形踏面不能如锥形踏面一样用斜度来表示其几何特征，而只能用等效斜度来表示。等效斜度λ定义为：

式中 Δr为左右轮滚动半径差；Δy为轮对横移量。λ与轮轨接触位置有关，对蛇行稳定性和曲线通过性能有很大影响。

轮对横移时，由于左右接触角不等，接触角所确定的法向反力的方向和大小也是不等的，各法向反力的横向分力的合力具有使轮对复原至中央位置的作用，有利于轮对的横向稳定性。此复原力与轮对横移量之比称为重力刚度。

当轮对沿钢轨滚动并自正中位置横移或偏转时，轮轨间在纵向、横向和垂直于接触平面的回转方向产生相对位移。这种相对位移称为蠕滑，属于d性滑动，是介于纯滚动和纯滑动之间的一种中间形式。蠕滑的程度用蠕滑率表示：

蠕滑现象引起轮轨间的纵向和横向蠕滑力，其大小为蠕滑率的函数，如图所示。蠕滑率较小时，蠕滑力与蠕滑率呈线性关系，其比例系数称为蠕滑系数。由滚动体d性接触理论可以确定蠕滑系数的值，它与正压力、d性模量、泊松比、接触半径有关。蠕滑率较大时，蠕滑力与蠕滑率的关系是非线性的，其极限值为摩擦力。理论上计算得到的蠕滑系数适用于接触面完全洁净的条件，实际上轮轨表面常有异物，蠕滑系数只有理论值的一半左右。

作用于轮轨接触面的蠕滑力和重力在接触面内的分力，对机车车辆横向运动有重要的影响。

随着运行速度的提高，机车车辆的蛇行运动逐渐趋向剧烈，以致横向振动丧失稳定，这时的运行速度称为临界速度。计算临界速度、探讨影响临界速度的各因素和寻求提高临界速度的措施，是横向稳定性的研究内容。在初步研究中通常采用线性理论，即假定蠕滑力与蠕滑率的关系是线性的，轮轨几何参数与轮对横移量的关系是线性的，转向架悬挂元件的特性是线性的，并且不考虑轮缘接触，把在刚性平直轨道上以一定速度运行的机车车辆看作是一个线性自激系统，列出它的运动微分方程式，从方程式的解的形式判别系统是否稳定，并确定其临界速度。改变系统的参数，临界速度就有变化，借此来研究参数的影响。

轨道横向随机不平顺引起机车车辆的横向随机振动，称为机车车辆对线路不平顺的响应。机车车辆实际的蛇行临界速度比稳定性理论计算值要低一些。研究机车车辆的响应是要确定在一定的线路上以不同速度运行时车体的横向加速度和轮对、转向架构架、车体各部分的相对位移。机车车辆的稳定性越好，通常它的响应越小。

机车车辆曲线通过性能与走行部的设计有关。曲线通过性能差的机车车辆要靠轮缘导向。轮缘导向在通过曲线线路时会产生很大的轮轨横向力，使轮缘和钢轨侧面严重磨耗，线路展宽，还可能使轮缘爬越钢轨而造成脱轨事故。

长期以来，机车车辆曲线通过理论是以下列假定为基础的：

（1）车轮踏面为圆柱形，忽略踏面锥度的影响；

（2）各轴保持平行，无相对转动，即一系悬挂回转刚度极大；

（3）各轮在滚动的同时绕一个中心回转，在轮轨间产生阻挠曲线通过的摩擦力。机车车辆各轮对中必然有一根轴或几根轴的一侧轮缘与钢轨接触，借钢轨作用于轮缘的横向力来平衡轮轨之间的摩擦力和作用于机车车辆在通过曲线线路时因超高不足而产生的未被平衡的离心力。这就是轮缘导向。现代高速机车车辆的轮对和转向架之间都用d性定位，通过曲线时各轴可以相对于构架偏转而不再平行。理论研究和试验都证明，踏面锥度对曲线通过性能有很大的影响，不能忽视。60年代后期，出现了曲线通过的新理论，考虑到轮对的d性定位和踏面的锥度，并根据蠕滑理论分析车轮踏面上纵向和横向蠕滑力的方向和大小，认为在轴箱纵向定位刚度较低、曲线半径较大的情况下，机车车辆实际上可以完全靠蠕滑力导向，轮缘不与钢轨接触。这就是蠕滑导向。实现蠕滑导向要满足两个条件：一是轮对在曲线上的横移量不超过轮轨间隙，否则轮缘必然与钢轨接触而成为轮缘导向；二是车轮踏面上横向和纵向蠕滑力的合力应小于轮轨间的最大摩擦力，否则车轮在轨面上将产生滑行而导致轮缘接触。因此只有在较大半径的曲线线路上，合理选择机车车辆的悬挂参数，才有可能实现蠕滑导向。在中等半径和小半径的曲线线路上，轮缘总要和钢轨接触，产生轮缘力来导向。至于曲线半径小到何种程度，轮缘才开始与钢轨接触，则取决于车辆结构。

改善机车车辆曲线通过性能的措施有：

（1）减小一系和二系悬挂回转刚度；

（2）减小一系横向刚度；

（3）减小轴距；

（4）增大踏面锥度。可是这些措施恰恰就是造成蛇行不稳定的因素，所以机车车辆的蛇行稳定性和曲线通过性能是互相矛盾的。这就要求转向架的设计应在保证蛇行稳定性的条件下，尽量改善曲线通过性能。

在曲线半径较小的线路上，为减少轮缘和钢轨的磨耗，可采取如下措施：减小轮缘力，减小轮缘和钢轨侧面的摩擦系数，降低轮缘和钢轨侧面的摩擦速度。为了减小或消除轮缘力，须改进转向架的设计，并且尽可能扩大蠕滑导向的工作范围。为了降低轮缘和钢轨侧面的摩擦系数，可以对钢轨侧面或对轮缘进行润滑。轮缘和钢轨侧面的摩擦速度受车轮对钢轨的冲角的影响，冲角越大，轮缘磨耗愈烈。径向转向架的冲角几乎为零，轮缘磨耗可大大减少。各国铁路目前广泛采用凹形踏面，凹形踏面不仅能在较长时间内保持踏面的基本形状，而且使轮轨在曲线上只有一点接触，因此轮轨磨耗大为降低。