輪軌相互作用，機車車輛在鐵路線路上運行時，受線路不平順的影響產生振動；機車車輛的重力和運行中產生的其他載荷通過車輪作用在鋼軌上，又引起鋼軌彈性變形和軌道下沉，從而使線路的不平順加劇。
基本介紹
- 中文名：輪軌相互作用
- 外文名：The interaction between wheel and rail
- 拼音：lunguixianghuzuoyong
- 解釋：機車車輛車輪和線路鋼軌間作用
簡介,作用形式,輪軌歷史,假定基礎,改進措施,
簡介
機車車輛車輪和線路鋼軌間的這種相互作用，對於機車車輛的運行平穩性、車輪和鋼軌的磨耗、機車車輛和線路維修費用，以及列車運行安全等有直接的影響。隨著機車車輛重量的增大,以及列車運行速度的提高，這種影響越發顯著。研究機車車輛線上路上的運動和運動中輪軌間的相互作用力，以及消除它們的有害影響也就更加重要。為研究方便起見，通常把機車車輛的運動和輪軌作用力按垂向和橫向分別研究。
作用形式
垂向運動 軌道垂向不平順引起的機車車輛的垂向振動在輪軌間產生垂向動作用力。軌道的垂向不平順,可用近似於鋼軌接頭下沉狀態的餘弦曲線來表示，也可用有代表性的軌道實測所得隨機干擾函式來表示。機車車輛垂向振動和對軌道的動作用力，與轉向架一系和二系彈簧懸掛裝置的彈簧剛度和阻尼係數有關。適當選擇這兩個參數，可使車體振動加速度達到最小。車輪對軌道的動作用力除此以外，還取決於轉向架的簧下質量。因此機車車輛都要減輕簧下質量，高速機車車輛更為必要。
橫向運動 機車車輛在直線線路上運行，由於踏面錐形（見輪對）產生蛇行運動及在通過曲線線路時，車輪和鋼軌間產生橫向作用力。機車車輛蛇行運動時，左右輪緣不斷打擊鋼軌，這不僅會惡化機車車輛的運行平穩性，嚴重時甚至會造成脫軌事故。蛇行運動是機車車輛提高運行速度的主要障礙。
橫向運動 機車車輛在直線線路上運行，由於踏面錐形（見輪對）產生蛇行運動及在通過曲線線路時，車輪和鋼軌間產生橫向作用力。機車車輛蛇行運動時，左右輪緣不斷打擊鋼軌，這不僅會惡化機車車輛的運行平穩性，嚴重時甚至會造成脫軌事故。蛇行運動是機車車輛提高運行速度的主要障礙。
輪軌歷史
20世紀60年代以來，對輪軌幾何關係和蠕滑的理論認識不斷深化，加上電子計算機的套用和測試技術的發展，使輪軌間橫向作用力的研究取得重大進展。
輪軌幾何關係 錐形或凹形車輪踏面的輪對在橫移時，左右車輪接觸點的位置、滾動半徑差、輪軌接觸點切線和水平面的夾角（接觸角）等都發生變化。車輪踏面外形對蛇行穩定性有重要作用。對於凹形踏面不能如錐形踏面一樣用斜度來表示其幾何特徵，而只能用等效斜度來表示。等效斜度λ定義為：式中 Δr為左右輪滾動半徑差；Δy為輪對橫移量。λ與輪軌接觸位置有關，對蛇行穩定性和曲線通過性能有很大影響。
輪對橫移時，由於左右接觸角不等，接觸角所確定的法向反力的方向和大小也是不等的，各法向反力的橫向分力的合力具有使輪對復原至中央位置的作用，有利於輪對的橫向穩定性。此復原力與輪對橫移量之比稱為重力剛度。
蠕滑 當輪對沿鋼軌滾動並自正中位置橫移或偏轉時，輪軌間在縱向、橫向和垂直於接觸平面的迴轉方向產生相對位移。這種相對位移稱為蠕滑，屬於彈性滑動，是介於純滾動和純滑動之間的一種中間形式。蠕滑的程度用蠕滑率表示：蠕滑現象引起輪軌間的縱向和橫向蠕滑力，其大小為蠕滑率的函式,如圖所示。蠕滑率較小時,蠕滑力與蠕滑率呈線性關係，其比例係數稱為蠕滑係數。由滾動體彈性接觸理論可以確定蠕滑係數的值，它與正壓力、彈性模量、泊松比、接觸半徑有關。蠕滑率較大時，蠕滑力與蠕滑率的關係是非線性的，其極限值為摩擦力。理論上計算得到的蠕滑係數適用於接觸面完全潔淨的條件，實際上輪軌表面常有異物，蠕滑係數只有理論值的一半左右。 作用於輪軌接觸面的蠕滑力和重力在接觸面內的分力，對機車車輛橫向運動有重要的影響。
橫向穩定性 隨著運行速度的提高，機車車輛的蛇行運動逐漸趨向劇烈，以致橫向振動喪失穩定，這時的運行速度稱為臨界速度。計算臨界速度、探討影響臨界速度的各因素和尋求提高臨界速度的措施，是橫向穩定性的研究內容。在初步研究中通常採用線性理論，即假定蠕滑力與蠕滑率的關係是線性的，輪軌幾何參數與輪對橫移量的關係是線性的，轉向架懸掛元件的特性是線性的，並且不考慮輪緣接觸，把在剛性平直軌道上以一定速度運行的機車車輛看作是一個線性自激系統，列出它的運動微分方程式，從方程式的解的形式判別系統是否穩定，並確定其臨界速度。改變系統的參數，臨界速度就有變化，藉此來研究參數的影響。
軌道橫向隨機不平順引起機車車輛的橫向隨機振動，稱為機車車輛對線路不平順的回響。機車車輛實際的蛇行臨界速度比穩定性理論計算值要低一些。研究機車車輛的回響是要確定在一定的線路上以不同速度運行時車體的橫向加速度和輪對、轉向架構架、車體各部分的相對位移。機車車輛的穩定性越好，通常它的回響越小。
曲線通過 機車車輛曲線通過性能與走行部的設計有關。曲線通過性能差的機車車輛要靠輪緣導向。輪緣導向在通過曲線線路時會產生很大的輪軌橫向力，使輪緣和鋼軌側面嚴重磨耗，線路展寬，還可能使輪緣爬越鋼軌而造成脫軌事故。
輪軌幾何關係 錐形或凹形車輪踏面的輪對在橫移時，左右車輪接觸點的位置、滾動半徑差、輪軌接觸點切線和水平面的夾角（接觸角）等都發生變化。車輪踏面外形對蛇行穩定性有重要作用。對於凹形踏面不能如錐形踏面一樣用斜度來表示其幾何特徵，而只能用等效斜度來表示。等效斜度λ定義為：式中 Δr為左右輪滾動半徑差；Δy為輪對橫移量。λ與輪軌接觸位置有關，對蛇行穩定性和曲線通過性能有很大影響。
輪對橫移時，由於左右接觸角不等，接觸角所確定的法向反力的方向和大小也是不等的，各法向反力的橫向分力的合力具有使輪對復原至中央位置的作用，有利於輪對的橫向穩定性。此復原力與輪對橫移量之比稱為重力剛度。
蠕滑 當輪對沿鋼軌滾動並自正中位置橫移或偏轉時，輪軌間在縱向、橫向和垂直於接觸平面的迴轉方向產生相對位移。這種相對位移稱為蠕滑，屬於彈性滑動，是介於純滾動和純滑動之間的一種中間形式。蠕滑的程度用蠕滑率表示：蠕滑現象引起輪軌間的縱向和橫向蠕滑力，其大小為蠕滑率的函式,如圖所示。蠕滑率較小時,蠕滑力與蠕滑率呈線性關係，其比例係數稱為蠕滑係數。由滾動體彈性接觸理論可以確定蠕滑係數的值，它與正壓力、彈性模量、泊松比、接觸半徑有關。蠕滑率較大時，蠕滑力與蠕滑率的關係是非線性的，其極限值為摩擦力。理論上計算得到的蠕滑係數適用於接觸面完全潔淨的條件，實際上輪軌表面常有異物，蠕滑係數只有理論值的一半左右。 作用於輪軌接觸面的蠕滑力和重力在接觸面內的分力，對機車車輛橫向運動有重要的影響。
橫向穩定性 隨著運行速度的提高，機車車輛的蛇行運動逐漸趨向劇烈，以致橫向振動喪失穩定，這時的運行速度稱為臨界速度。計算臨界速度、探討影響臨界速度的各因素和尋求提高臨界速度的措施，是橫向穩定性的研究內容。在初步研究中通常採用線性理論，即假定蠕滑力與蠕滑率的關係是線性的，輪軌幾何參數與輪對橫移量的關係是線性的，轉向架懸掛元件的特性是線性的，並且不考慮輪緣接觸，把在剛性平直軌道上以一定速度運行的機車車輛看作是一個線性自激系統，列出它的運動微分方程式，從方程式的解的形式判別系統是否穩定，並確定其臨界速度。改變系統的參數，臨界速度就有變化，藉此來研究參數的影響。
軌道橫向隨機不平順引起機車車輛的橫向隨機振動，稱為機車車輛對線路不平順的回響。機車車輛實際的蛇行臨界速度比穩定性理論計算值要低一些。研究機車車輛的回響是要確定在一定的線路上以不同速度運行時車體的橫向加速度和輪對、轉向架構架、車體各部分的相對位移。機車車輛的穩定性越好，通常它的回響越小。
曲線通過 機車車輛曲線通過性能與走行部的設計有關。曲線通過性能差的機車車輛要靠輪緣導向。輪緣導向在通過曲線線路時會產生很大的輪軌橫向力，使輪緣和鋼軌側面嚴重磨耗，線路展寬，還可能使輪緣爬越鋼軌而造成脫軌事故。
假定基礎
長期以來，機車車輛曲線通過理論是以下列假定為基礎的:①車輪踏面為圓柱形,忽略踏面錐度的影響；②各軸保持平行，無相對轉動，即一系懸掛迴轉剛度極大；③各輪在滾動的同時繞一個中心迴轉，在輪軌間產生阻撓曲線通過的摩擦力。機車車輛各輪對中必然有一根軸或幾根軸的一側輪緣與鋼軌接觸，借鋼軌作用於輪緣的橫向力來平衡輪軌之間的摩擦力和作用於機車車輛在通過曲線線路時因超高不足而產生的未被平衡的離心力。這就是輪緣導向。現代高速機車車輛的輪對和轉向架之間都用彈性定位，通過曲線時各軸可以相對於構架偏轉而不再平行。理論研究和試驗都證明，踏面錐度對曲線通過性能有很大的影響，不能忽視。60年代後期，出現了曲線通過的新理論，考慮到輪對的彈性定位和踏面的錐度，並根據蠕滑理論分析車輪踏面上縱向和橫向蠕滑力的方向和大小，認為在軸箱縱向定位剛度較低、曲線半徑較大的情況下，機車車輛實際上可以完全靠蠕滑力導向，輪緣不與鋼軌接觸。這就是蠕滑導向。實現蠕滑導向要滿足兩個條件：一是輪對在曲線上的橫移量不超過輪軌間隙，否則輪緣必然與鋼軌接觸而成為輪緣導向；二是車輪踏面上橫向和縱向蠕滑力的合力應小於輪軌間的最大摩擦力，否則車輪在軌面上將產生滑行而導致輪緣接觸。因此只有在較大半徑的曲線線路上，合理選擇機車車輛的懸掛參數，才有可能實現蠕滑導向。在中等半徑和小半徑的曲線線路上，輪緣總要和鋼軌接觸，產生輪緣力來導向。至於曲線半徑小到何種程度，輪緣才開始與鋼軌接觸，則取決於車輛結構。
改進措施
改善機車車輛曲線通過性能的措施有：①減小一系和二系懸掛迴轉剛度；②減小一系橫向剛度；③減小軸距；④增大踏面錐度。可是這些措施恰恰就是造成蛇行不穩定的因素，所以機車車輛的蛇行穩定性和曲線通過性能是互相矛盾的。這就要求轉向架的設計應在保證蛇行穩定性的條件下，儘量改善曲線通過性能。
在曲線半徑較小的線路上，為減少輪緣和鋼軌的磨耗，可採取如下措施：減小輪緣力，減小輪緣和鋼軌側面的摩擦係數，降低輪緣和鋼軌側面的摩擦速度。為了減小或消除輪緣力，須改進轉向架的設計，並且儘可能擴大蠕滑導向的工作範圍。為了降低輪緣和鋼軌側面的摩擦係數，可以對鋼軌側面或對輪緣進行潤滑。輪緣和鋼軌側面的摩擦速度受車輪對鋼軌的沖角的影響，沖角越大,輪緣磨耗愈烈。徑向轉向架的沖角幾乎為零,輪緣磨耗可大大減少。各國鐵路廣泛採用凹形踏面，凹形踏面不僅能在較長時間內保持踏面的基本形狀，而且使輪軌在曲線上只有一點接觸，因此輪軌磨耗大為降低。
在曲線半徑較小的線路上，為減少輪緣和鋼軌的磨耗，可採取如下措施：減小輪緣力，減小輪緣和鋼軌側面的摩擦係數，降低輪緣和鋼軌側面的摩擦速度。為了減小或消除輪緣力，須改進轉向架的設計，並且儘可能擴大蠕滑導向的工作範圍。為了降低輪緣和鋼軌側面的摩擦係數，可以對鋼軌側面或對輪緣進行潤滑。輪緣和鋼軌側面的摩擦速度受車輪對鋼軌的沖角的影響，沖角越大,輪緣磨耗愈烈。徑向轉向架的沖角幾乎為零,輪緣磨耗可大大減少。各國鐵路廣泛採用凹形踏面，凹形踏面不僅能在較長時間內保持踏面的基本形狀，而且使輪軌在曲線上只有一點接觸，因此輪軌磨耗大為降低。
