[拼音]：lungui xianghu zuoyong

[外文]：interaction between wheel and rail

機(jī)車車輛在鐵路線路上運(yùn)行時(shí)，受線路不平順的影響產(chǎn)生振動；機(jī)車車輛的重力和運(yùn)行中產(chǎn)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。機(jī)車車輛車輪和線路鋼軌間的這種相互作用，對于機(jī)車車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性、車輪和鋼軌的磨耗、機(jī)車車輛和線路維修費(fèi)用，以及列車運(yùn)行安全等有直接的影響。隨著機(jī)車車輛重量的增大，以及列車運(yùn)行速度的提高，這種影響越發(fā)顯著。研究機(jī)車車輛在線路上的運(yùn)動和運(yùn)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(jī)車車輛的運(yùn)動和輪軌作用力按垂向和橫向分別研究。

垂向運(yùn)動

軌道垂向不平順引起的機(jī)車車輛的垂向振動在輪軌間產(chǎn)生垂向動作用力。軌道的垂向不平順，可用近似于鋼軌接頭下沉狀態(tài)的余弦曲線來表示，也可用有代表性的軌道實(shí)測所得隨機(jī)干擾函數(shù)來表示。機(jī)車車輛垂向振動和對軌道的動作用力，與轉(zhuǎn)向架一系和二系彈簧懸掛裝置的彈簧剛度和阻尼系數(shù)有關(guān)。適當(dāng)選擇這兩個(gè)參數(shù)，可使車體振動加速度達(dá)到最小。車輪對軌道的動作用力除此以外，還取決于轉(zhuǎn)向架的簧下質(zhì)量。因此機(jī)車車輛都要減輕簧下質(zhì)量，高速機(jī)車車輛更為必要。

橫向運(yùn)動

機(jī)車車輛在直線線路上運(yùn)行，由于踏面錐形（見輪對）產(chǎn)生蛇行運(yùn)動及在通過曲線線路時(shí)，車輪和鋼軌間產(chǎn)生橫向作用力。機(jī)車車輛蛇行運(yùn)動時(shí)，左右輪緣不斷打擊鋼軌，這不僅會惡化機(jī)車車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐擅撥壥鹿省Ｉ咝羞\(yùn)動是機(jī)車車輛提高運(yùn)行速度的主要障礙。

20世紀(jì)60年代以來，對輪軌幾何關(guān)系和蠕滑的理論認(rèn)識不斷深化，加上電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和測試技術(shù)的發(fā)展，使輪軌間橫向作用力的研究取得重大進(jìn)展。

輪軌幾何關(guān)系

錐形或凹形車輪踏面的輪對在橫移時(shí)，左右車輪接觸點(diǎn)的位置、滾動半徑差、輪軌接觸點(diǎn)切線和水平面的夾角（接觸角）等都發(fā)生變化。車輪踏面外形對蛇行穩(wěn)定性有重要作用。對于凹形踏面不能如錐形踏面一樣用斜度來表示其幾何特征，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(guān)，對蛇行穩(wěn)定性和曲線通過性能有很大影響。

輪對橫移時(shí)，由于左右接觸角不等，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(fù)原至中央位置的作用，有利于輪對的橫向穩(wěn)定性。此復(fù)原力與輪對橫移量之比稱為重力剛度。

蠕滑

當(dāng)輪對沿鋼軌滾動并自正中位置橫移或偏轉(zhuǎn)時(shí)，輪軌間在縱向、橫向和垂直于接觸平面的回轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生相對位移。這種相對位移稱為蠕滑，屬于彈性滑動，是介于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(xiàn)象引起輪軌間的縱向和橫向蠕滑力，其大小為蠕滑率的函數(shù)，如圖所示。蠕滑率較小時(shí)，蠕滑力與蠕滑率呈線性關(guān)系，其比例系數(shù)稱為蠕滑系數(shù)。由滾動體彈性接觸理論可以確定蠕滑系數(shù)的值，它與正壓力、彈性模量、泊松比、接觸半徑有關(guān)。蠕滑率較大時(shí)，蠕滑力與蠕滑率的關(guān)系是非線性的，其極限值為摩擦力。理論上計(jì)算得到的蠕滑系數(shù)適用于接觸面完全潔凈的條件，實(shí)際上輪軌表面常有異物，蠕滑系數(shù)只有理論值的一半左右。

作用于輪軌接觸面的蠕滑力和重力在接觸面內(nèi)的分力，對機(jī)車車輛橫向運(yùn)動有重要的影響。

橫向穩(wěn)定性

隨著運(yùn)行速度的提高，機(jī)車車輛的蛇行運(yùn)動逐漸趨向劇烈，以致橫向振動喪失穩(wěn)定，這時(shí)的運(yùn)行速度稱為臨界速度。計(jì)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(wěn)定性的研究內(nèi)容。在初步研究中通常采用線性理論，即假定蠕滑力與蠕滑率的關(guān)系是線性的，輪軌幾何參數(shù)與輪對橫移量的關(guān)系是線性的，轉(zhuǎn)向架懸掛元件的特性是線性的，并且不考慮輪緣接觸，把在剛性平直軌道上以一定速度運(yùn)行的機(jī)車車輛看作是一個(gè)線性自激系統(tǒng)，列出它的運(yùn)動微分方程式，從方程式的解的形式判別系統(tǒng)是否穩(wěn)定，并確定其臨界速度。改變系統(tǒng)的參數(shù)，臨界速度就有變化，借此來研究參數(shù)的影響。

軌道橫向隨機(jī)不平順引起機(jī)車車輛的橫向隨機(jī)振動，稱為機(jī)車車輛對線路不平順的響應(yīng)。機(jī)車車輛實(shí)際的蛇行臨界速度比穩(wěn)定性理論計(jì)算值要低一些。研究機(jī)車車輛的響應(yīng)是要確定在一定的線路上以不同速度運(yùn)行時(shí)車體的橫向加速度和輪對、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、車體各部分的相對位移。機(jī)車車輛的穩(wěn)定性越好，通常它的響應(yīng)越小。

曲線通過

機(jī)車車輛曲線通過性能與走行部的設(shè)計(jì)有關(guān)。曲線通過性能差的機(jī)車車輛要靠輪緣導(dǎo)向。輪緣導(dǎo)向在通過曲線線路時(shí)會產(chǎn)生很大的輪軌橫向力，使輪緣和鋼軌側(cè)面嚴(yán)重磨耗，線路展寬，還可能使輪緣爬越鋼軌而造成脫軌事故。

長期以來，機(jī)車車輛曲線通過理論是以下列假定為基礎(chǔ)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(zhuǎn)動，即一系懸掛回轉(zhuǎn)剛度極大；

（3）各輪在滾動的同時(shí)繞一個(gè)中心回轉(zhuǎn)，在輪軌間產(chǎn)生阻撓曲線通過的摩擦力。機(jī)車車輛各輪對中必然有一根軸或幾根軸的一側(cè)輪緣與鋼軌接觸，借鋼軌作用于輪緣的橫向力來平衡輪軌之間的摩擦力和作用于機(jī)車車輛在通過曲線線路時(shí)因超高不足而產(chǎn)生的未被平衡的離心力。這就是輪緣導(dǎo)向?，F(xiàn)代高速機(jī)車車輛的輪對和轉(zhuǎn)向架之間都用彈性定位，通過曲線時(shí)各軸可以相對于構(gòu)架偏轉(zhuǎn)而不再平行。理論研究和試驗(yàn)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年代后期，出現(xiàn)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，并根據(jù)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(rèn)為在軸箱縱向定位剛度較低、曲線半徑較大的情況下，機(jī)車車輛實(shí)際上可以完全靠蠕滑力導(dǎo)向，輪緣不與鋼軌接觸。這就是蠕滑導(dǎo)向。實(shí)現(xiàn)蠕滑導(dǎo)向要滿足兩個(gè)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(dǎo)向；二是車輪踏面上橫向和縱向蠕滑力的合力應(yīng)小于輪軌間的最大摩擦力，否則車輪在軌面上將產(chǎn)生滑行而導(dǎo)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(jī)車車輛的懸掛參數(shù)，才有可能實(shí)現(xiàn)蠕滑導(dǎo)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(chǎn)生輪緣力來導(dǎo)向。至于曲線半徑小到何種程度，輪緣才開始與鋼軌接觸，則取決于車輛結(jié)構(gòu)。

改善機(jī)車車輛曲線通過性能的措施有：

（1）減小一系和二系懸掛回轉(zhuǎn)剛度；

（2）減小一系橫向剛度；

（3）減小軸距；

（4）增大踏面錐度?？墒沁@些措施恰恰就是造成蛇行不穩(wěn)定的因素，所以機(jī)車車輛的蛇行穩(wěn)定性和曲線通過性能是互相矛盾的。這就要求轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)應(yīng)在保證蛇行穩(wěn)定性的條件下，盡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，可采取如下措施：減小輪緣力，減小輪緣和鋼軌側(cè)面的摩擦系數(shù)，降低輪緣和鋼軌側(cè)面的摩擦速度。為了減小或消除輪緣力，須改進(jìn)轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)，并且盡可能擴(kuò)大蠕滑導(dǎo)向的工作范圍。為了降低輪緣和鋼軌側(cè)面的摩擦系數(shù)，可以對鋼軌側(cè)面或?qū)喚夁M(jìn)行潤滑。輪緣和鋼軌側(cè)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(zhuǎn)向架的沖角幾乎為零，輪緣磨耗可大大減少。各國鐵路目前廣泛采用凹形踏面，凹形踏面不僅能在較長時(shí)間內(nèi)保持踏面的基本形狀，而且使輪軌在曲線上只有一點(diǎn)接觸，因此輪軌磨耗大為降低。

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