轮轨形面和硬度匹配技术研究.ppt

金属及化学研究所轮轨形面和硬度轮轨形面和硬度匹配技术研究匹配技术研究中国铁道科学研究院金化所中国铁道科学研究院金化所 周清跃2012.52012.5金属及化学研究所目录目录一一、轮轨接触状态的理想目标轮轨接触状态的理想目标 二、二、国内外轮轨形面匹配国内外轮轨形面匹配三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害四、四、改善轮轨匹配的技术措施改善轮轨匹配的技术措施 五、五、下一步需要做的工作下一步需要做的工作六、六、轮轨硬度匹配问题轮轨硬度匹配问题七、七、结论和建议结论和建议金属及化学研究所一、一、轮轨接触状态的理想目标轮轨接触状态的理想目标 什么是轮轨接触状态的理什么是轮轨接触状态的理想目标？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 1.1 轮轨接触状态轮轨接触状态一、轮轨接触状态的理想目标一、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、一、轮轨接触的理想目标轮轨接触的理想目标1.1 1.1 1.1 1.1 轮轨接触状态轮轨接触状态轮轨接触状态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 1.2 区域区域A A接触接触一、一、轮轨接触的理想目标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 1.3 区域区域B B接触接触一、一、轮轨接触状态的理想目标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 1.3 区域区域B B接触接触一、一、轮轨接触状态的理想目标轮轨接触状态的理想目标金属及化学研究所两点接触：两点接触：两点接触：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 1.3 区域区域B B接触接触一、一、轮轨接触状态的理想目标轮轨接触状态的理想目标金属及化学研究所单点接触：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 1.3 区域区域B B接触接触一、一、轮轨接触状态的理想目标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 1.3 区域区域B B接触接触一、一、轮轨接触状态的理想目标轮轨接触状态的理想目标金属及化学研究所共形接触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 1.3 区域区域B B接触接触一、一、轮轨接触状态的理想目标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 1.4 区域区域C C接触接触二、轮轨接触状态的理想目标二、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 1.4 区域区域C C接触接触一、一、轮轨形面匹配的理想目标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、一、轮轨接触状态的理想目标轮轨接触状态的理想目标1.5 1.5 轮轨接触状态的理想目标轮轨接触状态的理想目标金属及化学研究所一、一、轮轨接触状态的理想目标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、一、轮轨接触状态的理想目标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、一、轮轨接触状态的理想目标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、一、轮轨接触状态的理想目标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、一、轮轨接触状态的理想目标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二、国内外铁路轮轨匹配情况2.1 2.1 日本高速铁路日本高速铁路金属及化学研究所图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二、国内外铁路轮轨匹配情况2.2 2.2 法国高速铁路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钢钢钢轨轨轨轨形形形形面面面面：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：车轮形面：车轮形面：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二、国内外铁路轮轨匹配情况2.3 2.3 德国高速铁路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二、国内外铁路轮轨匹配情况2.3 2.3 德国高速铁路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 图2-4 德国采用60E2钢轨后的轮轨形面匹配情况2.3 2.3 德国高速铁路德国高速铁路三、钢轨轨头廓形优化研究三、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二、国内外铁路轮轨匹配情况2.4 2.4 我国普通铁路轮轨匹配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二、国内外铁路轮轨匹配情况2.4 2.4 我国普通铁路轮轨匹配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二、国内外铁路轮轨匹配情况2.4 2.4 我国普通铁路轮轨匹配我国普通铁路轮轨匹配金属及化学研究所图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75 kg/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二、国内外铁路轮轨匹配情况2.5 2.5 我国高速铁路轮轨匹配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二、国内外铁路轮轨匹配情况金属及化学研究所注：钢轨为国产60轨 车轮为s1002 轨底坡1：40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二、国内外铁路轮轨匹配情况金属及化学研究所注：钢轨为国产60轨 车轮为XP55 轨底坡1：40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JIS60JPARC143521:401360法国高速UIC60(60E1)S1002143521:201360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、三、轮轨匹配不良带来的危害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3-2 U71Mn钢轨磨合后的轨面状态 三、轮轨匹配不良带来的危害三、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3-4 75kg/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、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.1 3.1 高硬度热处理钢轨出现的高硬度热处理钢轨出现的RCFRCF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、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.1 3.1 高硬度热处理钢轨出现的高硬度热处理钢轨出现的RCFRCF金属及化学研究所图3-6 铺设在直线上的热处理钢轨由于轮轨长期难以磨合，在轨距角部位形成疲劳裂纹三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.1 3.1 高硬度热处理钢轨出现的高硬度热处理钢轨出现的RCFRCF金属及化学研究所图3-7 铺设在直线上的热处理钢轨由于轮轨长期难以磨合，在轨距角部位形成核伤（进口奥钢联热处理钢轨）三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.1 3.1 高硬度热处理钢轨出现的高硬度热处理钢轨出现的RCFRCF金属及化学研究所图3-8 铺设在直线上的热处理钢轨由于轮轨长期难以磨合，在轨距角部位形成斜裂纹（进口日本热处理钢轨）三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.1 3.1 高硬度热处理钢轨出现的高硬度热处理钢轨出现的RCFRCF金属及化学研究所图3-9 铺设在直线上的热处理钢轨由于轮轨长期难以磨合，在轨距角部位形成斜裂纹（进口日本热处理钢轨）三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.1 3.1 高硬度热处理钢轨出现的高硬度热处理钢轨出现的RCFRCF金属及化学研究所图3-10 铺设在直线上的热处理钢轨由于轮轨长期难以磨合，在轨距角部位形成斜裂纹（进口日本热处理钢轨）二、国内外铁路轮轨匹配情况二、国内外铁路轮轨匹配情况3.1 3.1 高硬度热处理钢轨出现的高硬度热处理钢轨出现的RCFRCF金属及化学研究所图3-11 铺设在曲线上的热处理钢轨侧磨后，剥离掉块或斜裂纹减轻甚至消失（进口日本热处理钢轨）三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.1 3.1 高硬度，热处理钢轨出现的高硬度，热处理钢轨出现的RCFRCF金属及化学研究所图3-12 柳州局南昆线k13曲线（R1000m）上股钢轨剥离掉块2004年7月铺设，2007年3月拍摄，在线热处理钢轨三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.2 3.2 曲线上股钢轨出现早期疲劳曲线上股钢轨出现早期疲劳金属及化学研究所图3-13 南昆线k9曲线（R1200m）上股钢轨剥离掉块2004年7月铺设，2007年3月拍摄，热轧钢轨三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.2 3.2 曲线上股钢轨出现早期疲劳曲线上股钢轨出现早期疲劳金属及化学研究所图3-14 兰州局小半径曲线上股剥离掉块无侧磨三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.2 3.2 曲线上股钢轨出现早期疲劳曲线上股钢轨出现早期疲劳金属及化学研究所图3-15 昆明局U71Mn热轧钢轨剥离掉块（成昆线k1063+073.91k1063+450.27曲线上股，R610m,03年7月铺设，06年7月摄）三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.2 3.2 曲线上股钢轨出现早期疲劳曲线上股钢轨出现早期疲劳金属及化学研究所图3-16 成昆线PD3热轧钢轨上股掉块（k1027+6890.56处圆曲线内，R600m，使用不到3年）三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.2 3.2 曲线上股钢轨出现早期疲劳曲线上股钢轨出现早期疲劳金属及化学研究所图3-17 成昆线k1028+203.7处（圆曲线内，R450）PD3热轧轨上股掉块，使用不到3年三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.2 3.2 曲线上股钢轨出现早期疲劳曲线上股钢轨出现早期疲劳金属及化学研究所图3-18 成都局成昆线K518050处，09年4月21日铺设上道，09年12月更换下道。R700m，2009年2月武钢生产的60kg/mU71Mn 热轧轨。三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.2 3.2 曲线上股钢轨出现早期疲劳曲线上股钢轨出现早期疲劳金属及化学研究所原因分析：通过对曲线上股钢轨伤损情况调研可知，剥离掉块和核伤频发的钢轨，从轨头廓形上看，轨距角处一般都存在23mm左右的辗边，轮缘未接触轨头侧面，未造成侧面磨耗；另一方面，有明显磨耗(侧磨+垂磨)的钢轨，基本未出现核伤，或者核伤很少。三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.2 3.2 曲线上股钢轨出现早期疲劳曲线上股钢轨出现早期疲劳金属及化学研究所三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害a)K1710 上行上股 插入的4#钢轨使用约8个月 b)K1710 上行上股 插入的5#钢轨使用约3年 3.2 3.2 曲线上股钢轨出现早期疲劳曲线上股钢轨出现早期疲劳图3-19 陇海上行K1710区段曲线上股钢轨廓形及踏面形貌（出现早期核伤）金属及化学研究所三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害c)K1710 上行上股HY点 9#钢轨使用约3年 d)K1710 上行上股 8#钢轨使用约3年图3-20 陇海上行K1710区段曲线上股钢轨廓形及踏面形貌（出现早期核伤）3.2 3.2 曲线上股钢轨出现早期疲劳曲线上股钢轨出现早期疲劳金属及化学研究所三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害a）使用9个月，通过总重1.06亿吨钢轨侧磨发展过程b）使用21个月，通过总重2.8亿吨3.2 3.2 曲线上股钢轨出现早期疲劳曲线上股钢轨出现早期疲劳图3-21 钢轨侧磨发展过程金属及化学研究所三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害c）使用21个月，通过总重2.8亿吨钢轨侧磨发展过程d）使用36个月，通过总重5亿吨3.2 3.2 曲线上股钢轨出现早期疲劳曲线上股钢轨出现早期疲劳图3-22 钢轨侧磨发展过程金属及化学研究所 因此，曲线上股钢轨长期不磨耗，轨距角磨不开、轮轨难以磨合（与列车提速成欠超高设置，曲线区间机车轮缘润滑过多、降低了钢轨轨距角的摩擦系数等有关），从而导致上股钢轨轨距角处长期承受很大的剪应力，是造成曲线上股钢轨剥离掉块和核伤频发的主要原因。三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.2 3.2 曲线上股钢轨出现早期疲劳曲线上股钢轨出现早期疲劳金属及化学研究所在高速运行时，当车轮凹磨发展到一定程度（约0.6mm），加之游间较大，极易引起动车组横向失稳而产生振动，影响动车组的运行舒适度，也加快了车轮的失效。武广高铁和石太客运专线先后出现了因横向加速度超限而晃车甚至自停，均与轮轨接触状况不良有关，当对出现晃车的线路进行重新打磨、使轮轨接触光带居中后，即可消除晃车，说明轮轨接触状态对高速铁路而言极其重要。三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.3 3.3 高速动车组横向加速度超限高速动车组横向加速度超限金属及化学研究所在客运专线上，若车轮长期在钢轨轨距角处（R80R13）接触，不仅会加快动车组车轮出现凹磨（轨距角处接触所产生的接触应力大于轨头踏面中心接触时所产生的接触应力），同时，会造成钢轨提前出现伤损。三、三、轮轨匹配不良带来的危害轮轨匹配不良带来的危害3.3 3.3 高速动车组横向加速度超限高速动车组横向加速度超限金属及化学研究所第66页 共 41 页金属及化学研究所金属及化学研究所金属及化学研究所四、改善轮轨匹配的技术措施四、改善轮轨匹配的技术措施针对大量钢轨已经铺设上道，动车组的车轮形面至今也没有统一；高速铁路钢轨磨耗少，轮轨磨合慢；在这种情况下，采用钢轨预打磨的方法，打磨出适合于所运行的动车组车轮形面的轨头廓面，人为的加快轮轨磨合，以改善轮轨关系。实践证明，效果良好。4.1 4.1 钢轨预打磨钢轨预打磨金属及化学研究所4.1 4.1 钢轨预打磨钢轨预打磨图4-1 钢轨预打磨廓形的设计与实践(红色为预打磨设计理论廓形，兰色为实际打磨廓形)金属及化学研究所图4-2 运行CRH2和CRH3动车的高速铁路钢轨预打磨实施例4.1 4.1 钢轨预打磨钢轨预打磨运行CRH2和CRH3动车的高速铁路钢轨预打磨实施例金属及化学研究所图4-3 武广高铁打磨前后CRH3动车组横向加速度波形比较（左侧为再打磨后的情况）4.1 4.1 钢轨预打磨钢轨预打磨武广高铁打磨前后CRH3动车组横向加速度波形比较金属及化学研究所4.1 4.1 钢轨预打磨钢轨预打磨武广高铁出现晃车自停事件后，全部按项目组设计的钢轨预打磨廓形进行再次打磨，包括对岔区也进行了使光带居中的打磨，至2010年底完成全线的再次打磨后，现场反映，动车组运行良好。金属及化学研究所设计目标为：设计目标为：在直线上运行时，新轮、新轨接触在区域A，即车轮走行光带在轨头踏面中心；当轮缘贴靠钢轨时，形成共形接触。4.2 60kg/m4.2 60kg/m新轨头廓形钢轨的设计新轨头廓形钢轨的设计金属及化学研究所图4-4 60N1-2 与LMA匹配情况（轮缘贴靠钢轨时，形成共形接触）4.2 60kg/m4.2 60kg/m新轨头廓形钢轨的设计新轨头廓形钢轨的设计金属及化学研究所图4-5 60N 与S1002匹配情况（轮缘贴靠钢轨时，形成共形接触）金属及化学研究所图4-6 60N 与XP55匹配情况4.2 60kg/m4.2 60kg/m新轨头廓形钢轨的设计新轨头廓形钢轨的设计金属及化学研究所图4-7 60N1-2 与LM匹配情况（轮缘贴靠钢轨时，形成共形接触）金属及化学研究所表4-1 不同工况下轮轨接触状态比较工况车轮最大Mises应力（MPa）钢轨最大Mises应力（MPa）最大接触应力（MPa）接触面积（mm2）R60060n1_2上股750.6866.81397124.960n1_2下股665.7671.41043117.560上股865.99551773120.060下股463.5466.6748.2128.460n1_2/60上股0.870.910.791.0460n1_2/60下股1.441.441.390.92直线60n1_2724.0849.11361123.460764.6868.81457116.160n1_2/600.940.980.931.064.2 60kg/m4.2 60kg/m新轨头廓形钢轨的设计新轨头廓形钢轨的设计60N60N钢轨与钢轨与LMLM匹配时的仿真计算结果匹配时的仿真计算结果金属及化学研究所 a）60N1-2 b）60kg/m图4-8 轮轨接触点分布4.2 60kg/m4.2 60kg/m新轨头廓形钢轨的设计新轨头廓形钢轨的设计60N钢轨与LM轮轨接触点分布情况金属及化学研究所4.2 60kg/m4.2 60kg/m新轨头廓形钢轨的设计新轨头廓形钢轨的设计图4-10（60N1-2）钢轨的轮轨接触点分布图4-9 60kg/m钢轨的轮轨接触点分布60N60N钢轨与钢轨与S1002GS1002G匹配匹配金属及化学研究所4.2 60kg/m4.2 60kg/m新轨头廓形钢轨的设计新轨头廓形钢轨的设计图4-11 60N1-2钢轨与 LMA匹配的轮轨接触点分布图4-12 60kg/m钢轨与 LMA匹配的轮轨接触点分布60N60N钢轨与钢轨与LMALMA匹配的接触点分布匹配的接触点分布金属及化学研究所4.3 60N4.3 60N新廓形钢轨的试制和铺用新廓形钢轨的试制和铺用2011年7月，攀钢按照铁科院提供的设计图纸，成功试制出约15km左右的百米定尺60N U71Mnk钢轨,铺设在京石高铁以及成都铁路局既有线上。2012年又由攀钢和包钢生产60N钢轨铺设在兰州铁路局既有线小半径曲线上股。图4-13 60N钢轨轨头廓面（蓝色为设计廓面，红色为实测廓面）金属及化学研究所下行下行60N钢轨钢轨上行上行60钢轨钢轨图4-14上下行60轨与60N钢轨光带对比（白色虚线内为轨头）金属及化学研究所4.4 75kg/m4.4 75kg/m新轨头廓形钢轨的设计新轨头廓形钢轨的设计图4-15 75N与LM匹配情况（轮缘贴靠钢轨时，形成共形接触）金属及化学研究所图4-16 75N钢轨轨头廓面（蓝色为设计廓面，红色为实测廓面金属及化学研究所攀钢75N PG4在线热处理钢轨、鞍钢75N U77MnCr钢轨，总计130约km，通过北京、呼和焊轨基地焊接，已于2012年4月结合大秦线大修换轨在重车线铺设上道，进行使用考核。4.4 75N4.4 75N新廓形钢轨的试制和铺用新廓形钢轨的试制和铺用金属及化学研究所五、下一步需要做的工作车轮方面：尽快将多种动车组车轮形面统一为一种，建议统一为LMA。金属及化学研究所五、下一步需要做的工作钢轨方面：完成50kg/m钢轨、道岔钢轨（50AT,60AT,60D40,60TY）新轨头廓形的设计研发推广新廓形钢轨60N、75N钢轨；金属及化学研究所五、下一步需要做的工作将轮轨关系的研究真正为铁路运营服务，分阶段解决存在的问题，并不断优化、完善和提高。金属及化学研究所轮轨是一对摩擦副，除了设计合理的轮轨形面外，不同运输条件下轮轨硬度的合理匹配将对提高轮轨的综合使用寿命具有十分重要的作用。六、轮轨的硬度匹配六、轮轨的硬度匹配金属及化学研究所六、轮轨的硬度匹配六、轮轨的硬度匹配欧洲铁路轮轨硬度匹配。钢轨硬度约为260300HB。车 轮 硬 度 轮 辋 的 硬 度 为260302HB。欧洲铁路轮轨硬度相当，硬度较低，这与欧洲铁路以客运为主，运行速度快有关。日本铁路广泛使用轨面硬度大于235HB的钢轨，但车轮硬度较高，其中日本新干线采用SSW-3R材质车轮，轮辋的硬度为311363HB。车轮硬度明显高于钢轨硬度。金属及化学研究所六、轮轨的硬度匹配六、轮轨的硬度匹配美国车轮标准规定了不同等级车轮的应用范围：根据不同的车轮载荷和制动条件，选择不同轮辋硬度的车轮：L级车轮硬度为197277HB；A级车轮硬度为255321HB，B级车轮硬度为277341HB；C级车轮硬度321363HB。B级或C级车轮用于通用的货车，也推荐用于机车。金属及化学研究所六、轮轨的硬度匹配六、轮轨的硬度匹配由于美国铁路大多数为货运专线，列车轴重大，运行速度不高，因此多数采用硬度较高的C级车轮。美国铁路在直线上普遍铺设使用具有300HB以上的热轧钢轨，在小半径曲线上铺设使用具有340HB以上的热处理钢轨。由此可见，总体上，美国铁路车轮的硬度明显高于钢轨的硬度。金属及化学研究所六、轮轨的硬度匹配六、轮轨的硬度匹配前苏联在上世纪70年代末期，到1986年为止，铺设整体淬火钢轨的总长度已占总线路的50以上。据统计，车轮的平均使用寿命从1980年的10年，缩短到1998年的3年。俄罗斯从1996年开始进行提高轮辋硬度的试验，结果表明，提高轮辋硬度后可明显提高车轮的使用寿命。金属及化学研究所六、轮轨的硬度匹配六、轮轨的硬度匹配我国铁路客货车车轮的材质为辗钢CL 60或 铸钢ZL-B，轮辋表面的硬度大于 270 HB；在广深客运专线上使用部分新研制的CL50A车轮其轮辋硬度大于240 HB；2002年从法国及乌克兰进口部分按欧洲标准生产的ER7和ER8车轮，在国内既有线上使用。出现的问题主要有：在广深线上根据欧洲标准研制的CL50A车轮、在部分线路上使用的进口ER7和ER8车轮以及在大秦重载铁路C76和C80车上使用的CL60和ZL-B车轮，相继出现严重的辗边、剥离和踏面圆周磨耗等问题，表现出车轮硬度不足，尤其在轴重较大或线路平面条件不好的情况下更为严重。金属及化学研究所六、轮轨的硬度匹配六、轮轨的硬度匹配轮轨硬度匹配建议：对摩擦副而言，硬度高的材料会磨硬度低的材料。因此，当轮轨磨耗均较严重时，钢轨硬度应高于车轮硬度，理由是移动设备应服从于固定设备。当一方磨耗严重，另一方磨耗轻微，则磨耗严重的一方，应提高其硬度。金属及化学研究所六、轮轨的硬度匹配六、轮轨的硬度匹配对我国高速铁路轮轨磨耗进行了长期的跟踪检测，结果表明：车轮磨耗速率较大，如动车组运行不到20万公里，车轮磨耗就大于0.5mm。而钢轨磨耗则很少，运行12年，钢轨基本没有磨耗（年磨耗率0.2mm)。金属及化学研究所六、轮轨的硬度匹配六、轮轨的硬度匹配鉴于以下原因，高速铁路用车轮的硬度高于钢轨的硬度为好。1）符合国外高速铁路运行经验。国外高速铁路车轮的硬度高于钢轨的硬度或基本一致。日本轮轨硬度之比为1.3：1，法国基本为1：1。2）有利于减少车轮的磨耗速率，延长车轮的镟修周期乃至使用寿命。3）有利于改善轮轨接触关系，从而减少钢轨的滚动接触疲劳伤损。当钢轨预打磨不良时，可以通过钢轨的自然磨耗来实现轮轨的磨合。金属及化学研究所六、轮轨的硬度匹配六、轮轨的硬度匹配对于重载铁路或既有线曲线铁路，当钢轨磨耗十分严重时，应采用高硬度热处理钢轨；若车轮也磨耗严重，同样应提高车轮的硬度。金属及化学研究所七、结论和建议七、结论和建议通过对轮轨形面和硬度匹配技术的研究，得到结论如下：1、在直线和大半经曲线上运行时，轮轨应在轨顶踏面中心区和车轮踏面中心区接触。在曲线上时运行时，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。金属及化学研究所七、结论和建议七、结论和建议2 2、目前，我国铁路新轮新轨形面是不够匹配的，主要表现在轮轨接触光带不在设计的轨头踏面中心，而是偏向轨距角。在我国运行的4种车轮形面（LMA、S1002、XP55、LM）中，货车用LM、CRH3动车组用S1002和CRH5动车组用XP55车轮形面与钢轨不匹配问题更为突出。第102页 共 41 页金属及化学研究所七、结论和建议七、结论和建议 3、轮轨长期在轨距角接触，将造成钢轨轨距角剥离掉块甚至诱发疲劳核伤；也将造成服役一定时间后的动车组高速运行时横向失稳，影响运行品质。4、采用钢轨预打磨或设计新轨头廓形钢轨，可以有效改善轮轨接触关系。钢轨预打磨实践表明，轮轨接触光带居中后，动车组运行品质明显改善。5、结合我国车轮形面特点，研究设计的新轨头廓形钢轨60N和75N钢轨，可显著改善轮轨接触关系，达到预期目标。金属及化学研究所七、结论和建议七、结论和建议 6、经实验室试验和多年来现场轮轨使用情况的跟踪观测，提出轮轨硬度匹配原则：高速铁路钢轨磨耗轻微而车轮磨耗较大，车轮硬度应高于钢轨硬度；重载铁路轮轨磨耗均较严重，应同时提高轮轨硬度；为了减少侧磨，曲线钢轨硬度应高于车轮硬度。金属及化学研究所七、结论和建议七、结论和建议建议下一步迫切需要开展的工作：尽快将多种动车组车轮形面统一为一种；完成50kg/m钢轨、道岔钢轨（50AT,60AT,60D40,60TY）新轨头廓形的设计研发继续跟踪新廓形钢轨的使用情况并扩大试用。金属及化学研究所谢谢 谢！谢！