悬挂式快捷货物运输列车轮轨关系探讨

林 丽，计 强

（中车资阳机车有限公司，四川资阳 641301）

随着经济的不断发展，人们对铁路货运的快捷性、经济性要求越来越高，都希望用最少的时间、最少的投入，获得最大的经济利益，尤其是在大宗货物的运输上显得尤为迫切，如矿石、煤碳以及大港口货物的运输等。在铁路线路方面，如果新建一条传统铁路线路，其占地面积大、线路长、建设周期长，且耗费大量的资金，如果该地方的货物资源殆尽，铁路线路也将荒废。针对此问题，我公司设计了一款悬挂式快捷货物运输列车，该列车由若干个动力车和拖车组成。与列车相匹配的是空中轨道，该轨道梁用钢筋水泥梁支撑于地面之上，轨道及转向架位于空中轨道箱形梁内，车体吊于转向架下方，位于箱形梁外面。空中轨道可缩短站与站之间的距离，提高运输效率。因此，此种悬挂式空中轨道货物运输方式具有占地少、建设周期短、成本低、快捷、噪声低的特点。

1 转向架结构及主要参数

悬挂式空中轨道货物运输列车（以下简称货运列车）由动力车和拖车组成，动力车和拖车的转向架上均安装有走行轮、导向轮、稳定轮，以实现列车的牵引、制动、导向、稳定功能。其结构简图如图1所示，转向架的主要参数见表1。

表1 转向架主要参数

图1 转向架结构简图

2 轮轨关系探讨

2.1 轮轨结构分析

轮轨关系是轮轨交通方式所特有的接触关系，轮轨的匹配影响着行车安全和列车的运行品质。

传统轮轨关系中，车轮有踏面和轮缘，钢轨为“工”字型结构。该车轮轨关系中，由于有导向轮的存在，走行轮不发挥导向的作用，因此，走行轮无轮缘，钢轨为“┻”字型结构，轨头形状采用简单的直线加圆弧形式，为使轮对在运行过程中实现对中，将左右两钢轨的安装面设置一定的锥度，使钢轨上平面成“V”型。稳定轮可以使列车在运行过程中，不发生蛇行失稳。

列车在运行中，更小的运行阻力消耗更少的能源，走行轮材料的选择是影响运行阻力的因素之一。走行轮采用橡胶轮与钢性轮时，其运行阻力的对比见表2，从对比结果来看，走行轮采用钢性材料，运行阻力最小。

表2 平直道上不同轮轨接触面材料的运行阻力对比

2.2 轮轨接触面分析

传统铁路机车车辆在直线轨道上运行时，存在轮对的蛇行运动，在正常的蛇行运动范围内，轮对中心的横向偏移量一般不超过4 mm，轮轨接触点在踏面上±4 mm的范围内移动。在钢轨上，如果接触点的位置变化范围较小，将造成钢轨的局部过快磨耗。因此，应保证车轮踏面与钢轨的接触面不集中在一点或一个小的范围内。

以公司生产的传统机车为例，机车采用JM 3型踏面，匹配中国铁路60 kg/m钢轨，在动力学计算中，其接触位置关系如图2所示，车轮横向位移±10 mm时，轮轨接触面在较宽的范围内变化，不会造成钢轨的局部磨耗［1］。

图2 60 kg/m钢轨与JM 3型踏面的接触几何关系

货运列车轮轨形状如图3所示，经动力学分析计算，其轮轨接触几何关系如图4所示。

图3 货运列车轮轨形状

对比图2和图4，货运列车车轮横向位移±10 mm时，钢轨上的接触面长度均约占钢轨总宽度的50%，与传统铁路钢轨接触面长度基本相当，说明该车轮轨匹配关系能保证钢轨的均匀磨损。

图4 货运列车钢轨和车轮踏面接触几何关系[2]

2.3 轮缘磨耗分析

根据我国铁路行业长期的轮轨磨耗统计研究证明：2点接触是造成轮轨非正常磨耗的主要原因。由于车辆曲线通过时，车轮的轮缘将贴靠钢轨一侧，车轮与钢轨出现2点接触，2点中至少有1点在滚动过程中夹杂着滑动，轮缘出现不同程度的磨耗。货运列车的导向机理与传统铁路机车车辆导向机理不同，该车依靠导向轮导向，车轮踏面上不设置轮缘，因此，不存在轮缘磨耗的问题。

2.4 运行稳定性分析

合理的轮轨接触关系匹配，不仅与轮轨磨耗有关，也决定着车辆的临界速度。

根据动力学计算分析，动力车的非线性临界速度为110 km/h，拖车空车的非线性临界速度为100 km/h，拖车重车的非线性临界速度为120 km/h，均大于最高设计速度65 km/h，因此货运列车不会出现失稳的蛇行运动。

2.5 曲线通过能力分析

2.5.1 自由轮对的曲线通过能力

自由轮对通过曲线时，由于踏面具有斜度，当轮对向左横移时，左轮滚动圆半径增大，右轮滚动圆半径减小，反之亦然。自由轮对纯滚动线偏移量y0越小，说明车辆轮对滑动量越小。根据《机车总体及转向架》公式16-31：［3］，计算货运列车与传统机车自由轮对纯滚动线偏移量，见表3。

表3 自由轮对纯滚动线偏移量

通过表3可以看出，在通过相同半径的曲线时，货运列车的自由轮对纯滚动线偏移量为传统机车的0.24倍，即货运列车的自由轮对曲线通过能力强于传统机车。

2.5.2 列车曲线通过能力

为评价货运列车的曲线通过能力，将货运列车曲线通过时的轮轨横向力、脱轨系数与公司生产的普通两轴转向架机车进行对比，见表4。计算和评价标准按照TB/T 2360—1993《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》进行。

从表4可以看出，货运列车的轮轨横向力和脱轨系数均在限度值以内，除货运列车中的拖车空车和拖车重的脱轨系数β略差于两轴转向架机车外，其余的限度值与计算值的比值均优于两轴转向架机车，说明货运列车的曲线通过能力优于一般的两轴转向架机车。

表4 曲线通过时动力学性能对比

3 结语

通过以上分析、计算得出，货运列车轮轨匹配具有较好的轮轨接触面，能保证钢轨与车轮的均匀磨损；非线性临界速度为100 km/h，大于最高设计速度65 km/h，因此不会出现失稳的蛇行运动；曲线通过能力优于一般的两轴转向架机车。因此，该轮轨匹配关系能满足货物运输列车快捷、经济、可靠的运用需要。