（车辆工程专业论文）重载货车轮轨磨耗研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国铁路货运量的迅速增长，重载运输己成为我国铁路货运的发展 方向。然而，随着列车重量的增加，大功率内燃、电力机车的使用以及大轴 重货车的投入运营，导致轮轨磨损日益严重。轮轨磨损不仅从小半径曲线扩 大到大半径曲线，而且磨损率也在日益加剧。车轮和钢轨的维修及更换周期 大大缩短，不仅使铁路运输成本增加，而且还对铁路正常运输带来一定的影 响。 轮轨磨损是轮轨系统所不可避免的，引起轮轨磨损的机理复杂。研究表 明，轮轨磨损是多种因素综合作用的结果，而重载货车转向架性能对轮轨的 磨损起着重要的作用。因此，研究和分析重载货车转向架的轮轨磨耗，将有 利于降低运输成本，减少环境污染和提高货物的运输效率，对我国重载运输 事业的发展具有一定的现实意义。 本文综述了国内外重载运输的发展及现状，分析了重载运输引起轮轨动 作用力变大、轮轨磨损加剧等问题。然后，对轮轨接触关系、磨损机理及评 定轮轨磨耗程度所采用的方法进行了简要的分析，并总结了各项指标所适应 的前提条件。根据三种重载货车转向架的结构特点，应用多体系统动力学仿 真软件s i m p a c k 建立了各自的动力学仿真模型。 在上述分析及建模的基础上，研究了三大件式转向架相关参数对轮轨磨 耗的影响，分析了轴重与轮轨磨耗的关系，比较了三种典型的重载货车转向 架结构形式对轮轨磨耗的影响；另外，就曲线相关参数对轮轨磨耗的影响进 行了分析；最后，采用r c f 损伤函数，研究了影响轮轨滚动接触疲劳的主要 参数。 分析结果表明：轮对纵向定位刚度、心盘、旁承的摩擦系数、三大件转 向架的抗菱刚度、曲线半径、欠超高和轨底坡对轮轨磨耗影响较大；轴重增 加使得轮轨接触应力增加、轮轨动作用力变大和轮轨磨耗加剧；副构架自导 向式径向转向架能够显著地减少轮轨磨耗；曲线半径和转向架特性对钢轨的 滚动接触疲劳有较大影响。因此，合理设置悬挂参数和线路参数有利于轮轨 磨耗和钢轨滚动接触疲劳的降低。 关键词：重载；货车；转向架；动力学仿真；轮轨磨耗 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho ft h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nv o l u m e ，t h eh e a v yh a u l t r a n s p o r t a t i o nh a sb e c o m et h ed i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fc h i n a sr a i l w a y f r e i g h t h o w e v e r , w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h et r a i nl o a d ，t h ea p p l y i n go fm o r ea n d m o r et r u c k s ，l a r g ep o w e rd i e s e ll o c o m o t i v e sa n de l e c t r i cl o c o m o t i v e sl e a d st ot h e s e r i o u sp r o b l e mo fw h e e l - r a i lw e a r n o to n l yt h er a n g eo fw h e e l - r a i lw e a ri s e x t e n d i n gf r o ms m a l lr a d i u sc u r v e st ol a r g eo n e s ，b u ta l s ot h es p e e do fw h e e l r a i l w e a ri s b e c o m i n gf a s t e rt h a nb e f o r e t h em a i n t a i n i n ga n dr e p l a c i n g c y c l ei s s h o r t e n e d e n o r m o u s l y , t h u s ，t h ep r o b l e mo fr e p l a c i n g s t e e lr a i la n dw h e e l p r e m a t u r e l yn o to n l ym a k et h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nc o s ti n c r e a s i n g ，b u ta l s o e f f e c tt h er a i l w a yn o r m a lt r a n s p o r t a t i o n t h ew h e e l r a i lw e a ri si n e v i t a b l ei nw h e e l - - r a i ls y s t e ma n di t sr e a s o ni sv e r y c o m p l i c a t e m o s tr e s e a r c h e sh a v ei n d i c a t e dt h a tw h e e l r a i lw e a ri sr e s u l t i n gf r o m c o m p r e h e n s i v ef u n c t i o no fm u l t i p l ef a c t o r s ，a n dt h eh e a v yh a u lf r e i g h tc a rb o g i e p l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e t h e r e f o r e ，r e s e a r c h i n ga n da n a l y z i n gt h ew h e e l - r a i l w e a ro ft h eh e a v yh a u lf r e i g h tc a rb o g i ew i l lb eb e n e f i c i a lt od e c r e a s i n gt h e t r a n s p o r tc o s t ，r e d u c i n gt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n di m p r o v i n gt h et r a n s p o r t e f f i c i e n c y i ti sp r a c t i c a lt os t u d yt h i si s s u ef o rt h ed e v e l o p m e n to ft h eh e a v yh a u l t r a n s p o r t a t io n f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n to ft h eh e a v yh a u lt r a n s p o r t a t i o na th o m ea n da b r o a d w e r er e v i e w e d ，a n dt h em a i nr e a s o n st h a ti n c r e a s i n gt h ew h e e l r a i ld y n a m i cf o r c e a n dw h e e l r a i lw e a rw e r ea n a l y z e d t h e n ，t h ew h e e l - r a i lc o n t a c tr e l a t i o n ，w e a l m e c h a n i s i ma n di t sr e l e v a n te v a l u a t i o nm e t h o dw e r ei n t r o d u c e db r i e f l y , a n dt h e p r e c o n d i t i o n sf o ru s i n gt h e s ee v a l u a t i o nm e t h o d sw e r es u m m r i z e d s u b s e q u e n t l y , w i t ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h r e ek i n d so fh e a v yh a u lf r e i g h tc a rb o g i e s ， t h ed y n a m i cm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e db yu s i n gm u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c s s i m u l a t i o ns o f t w a r es i m p a c k b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i sa n dd y n a m i cm o d e l s ，s t u d yo nt h ee f f e c t so f r e l e v a n tp a r a m e t e r so ft h r e e p i e c eb o g i eo nt h ew e a rw e r em a d e a l s o ，t h ee f f e c t o ft h ea x l el o a do i lt h ew h e e l r a i lw e a rw a sa n a l y s i s e d t h ei n f l u e n c eo ft h r e e k i n d so fh e a v yh a u l f r e i g h tb o g e i s w i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r a lm o d e so i lt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 l _ _ - - imiii i i l _ l _ i _ l l - w h e e l r a i lw e a rw a sc o m p a r e d i na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c ed e g r e eo ft h er e l a t e d c u r v ep a r a m e t e r so nw e a r w a sa n a l y s i s e di nt h ef i f t hc h a p t e r f i n a l l y , t h er e l e v a n t p a r a m e t e r se f f e c t t i n gt h er o l l i n gc o n t a c tf a t i g u eo fr a i lw e r es t u d yb yu s i n gt h e r c fd a m a g ef u n c t i o n t h er e s e a r c h e dr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e p a r a m e t e r sw h i c hh a v eag r e a t i n f l u e n c et ot h ew h e e l r a i lw e a ri n c l u d el o n g u t i u a ls t i f f n e s so ft h ea x l eb o x ，t h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h ec e n t e rp l a t ea n dt h es i d eb e a r i n g ，t h ew a r ps t i f f n e s s ，t h e c u r v er a d i u s ，t h ed e f i c i e n ts u p e r e l e v a t i o n ，t h er a i lb a s es l o pa n dt h ea x l el o a d i t i si n d i c a t e dt h a tt h es i d ef l a m er a d i a l b o g i e c a nr e d u c et h ew h e e l r a i lw e a r v i g o u r s l y f a c t o r sw h i c hh a v eag r e a te f f e c to nt h er o l l i n gc o n t a c tf a t i g u ea r et h e c u r v er a d i u sa n dt h eb o g i ep r o p e r t i e s s o ，t h er e a s o n a b l es e t t i n go ft h es u s p e n s i o n p a r a m e t e r sa n dt h el i n ep a r a m e t e r si st w om o r ee f f e c t i v ew a y st od e c r e a s et h e w h e e l - r a i lw e a ra n dr o l l i n gc o n t a c tf a t i g u e k e yw o r d s ：h e a v yh a u l ；f r e i g h tc a r ；b o g i e ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ；w h e e l r a i lw e a r 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行 研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 )大秦线上重载列车轮轨磨耗严重，本文应用多体系统动 力学软件s i m p a c k 建立了仿真模型，采用磨耗指数和 磨耗功率，分析比较了转k 6 、转k 7 、y 2 5 三种形式转 向架的轮轨磨耗情况。 ( 2 ) 采用r c f 损伤函数，对影响钢轨滚动接触疲劳的相关 参数进行了分析研究。 凝r ，? 哆， r - ：o d 名 枷 戤 枷 者 ： 作 期 文 日 沦位学 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以 i 将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书1 ； 2 不保密彭使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 燧名：舒 日期：2 4 0 分广 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 选题背景 随着世界经济的迅速发展，各国及各地区之间的商贸活动日益频繁，对 货物的运输能力提出了新的挑战。当今，大力发展重载，是铁路运输扩能提 效的有效措施，是缓解当前运输压力的重要途径。自上个世纪6 0 年代以来， 重载运输一直受到世界各国的广泛关注，特别是一些幅员辽阔、资源丰富的 国家。经过近半个世纪的发展，重载运输的定义在国际上也数次被修改。2 0 0 5 年，在国际重载运输协会( i h h a ) 的巴西年会上，对重载运输的定义作了新 的修订：重载列车牵引重量至少达到8 0 0 0 t ( 此前为5 0 0 0 t ) ；轴重( 或计划 轴重) 为2 7 t 及以上( 此前为2 5 t ) ；在至少1 5 0 k m 线路区段上年运量超过4 0 0 0 万吨( 此前为2 0 0 0 万吨) 1 1 1 2 0 1 。我国仍沿用国际重载协会先前的规定，满足 其中两条的可视为重载铁路。 现在世界上开行的重载列车，习惯上分为北美型重载单元列车和前苏联 铁路重载列车。北美的重载单元列车使用两台或多台大功率机车与一定数量 的同型大型专用货车固定编组，组成一个长、大、重的运输单元，实行专列 运输，从一个始发站的装卸线不停车地装载同一品类货物，列车按时刻表定 点定线开行，中途不换挂机车，不解编车辆，采用翻车机，到达卸车地点不 停车卸车。前苏联铁路的特点是客货混线，其在发展重载运输上立足本国国 情，依靠先进设备，充分挖掘和利用现有设备的潜力，创造性地组织开行了 以超长超重列车及合并列车为主要形式的重载列车。 美国、澳大利亚、巴西及南非等国家的重载运输比较发达，货车的轴重 已达3 0 t 及以上。目前，我国重载货车轴重达到了2 5 t ，重载运输的发展给我 国铁路的货物运输带来了蓬勃生机。据有关部门预测，2 0 1 0 年铁路货物发送 量将达到3 5 亿吨左右，比2 0 0 5 年增加8 亿吨；货物周转量将达到2 7 0 0 0 亿 吨公里，比2 0 0 5 年增加6 2 7 4 亿吨公里。2 0 0 5 年8 月，我国首批2 0 0 辆7 0 t 级新型货车投入大秦铁路进行运营试验。1 0 月，铁道部做出决定，2 0 0 6 年， 新造铁路货车全部采用轴重2 3 t 的7 0 t 级新型货车。 铁路运输是借助轮轨相互作用产生的牵引和制动粘着摩擦力来实现列车 的运行，而轮轨间的磨损是铁路运输中耗资巨大的一个问题。随着机车车辆 轴重的增加，轮轨接触应力随之增大；轮轨踏面的纵向、横向摩擦力也随之 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 增大，轮轨侧压力也随之增大；钢轨的垂直磨损、侧面磨损，以及塑性流动 也随之增大；轮缘和踏面的磨损将随之增大。轮轨磨耗特别是曲线区段上钢 轨和轮缘的磨耗日益加剧，已成为一个亟待解决的问题。其中货物列车造成的 磨耗占有相当大的比例，尤其是重载干线、运煤干线上，轮轨磨耗十分厉害， 严重制约了铁路运输的发展。 轮缘和钢轨磨耗加剧，增大了机车车辆和线路的检修维护工作，并导致 列车动力消耗增加，速度降低和平稳性下降，严重影响了列车的运行品质。 随着运量增加和大型货车的使用，钢轨的侧磨已经从小半径曲线扩大到较大 半径曲线，不仅磨损范围扩大，磨损率也在增加。因此，减小轮轨间的磨耗， 改善货物列车的曲线通过性能是发展重载运输过程中必须解决的问题。 货车转向架有两种基本形式，分别为三大件式和构架式。三大件式转向 架具有自重轻、强度大、结构简单、制造容易、检修方便和重车动力学性能 较好等优点，但经过长期的运用实践表明，其具有结构难保持正位，抗菱刚 度低的缺点。我国的三大件式货车转向架从解放初期的转8 型转向架，发展 到现在广泛采用的转k 1 、转k 2 、转k 6 。另外，借鉴国外转向架研制的成功 技术，我国开发了摆动式的转k 4 、转k 5 ，径向转向架转k 7 。构架式转向架 具有簧下质量较小，轮轨动力作用较低，抗菱形变形刚度大，轮对正位好， 蛇行运动临界速度较高，但构架抗扭刚度大，均载性能不如三大件式转向架， 生产成本高。国外比较典型的是法国的y 2 5 、y 3 7 ，我国研制成功的有转k 3 t 1 5 】。 基于重载运输发展的客观需要，减小轮轨磨耗已势在必行。本文对轮轨 磨耗进行了相应的分析，就重载货车所采用的三种转向架建立各自的仿真模 型，对比分析了各自的轮轨磨耗影响，分析了降低重载货车轮轨磨耗的车辆 和线路技术措施，对我国重载运输事业的发展具有一定的指导意义。 1 2 国外重载列车发展现状 随着世界经济的迅速发展，铁路运输事业也取得了突飞猛进的成就，重 载运输技术已被国际公认为铁路货运的发展方向。从1 9 7 8 年第一届国际铁路 重载运输大会的召开，到预定2 0 0 9 年将在我国上海召开的第九届国际重载运 输大会，这3 0 年里重载运输从概念提出到蓬勃发展，经历了一个技术不断进 步的过程。在美国、加拿大、澳大利亚、俄罗斯、南非等推行重载运输的国 家，铁路劳动生产率得到了极大提高，上述国家重载运输的成功经验证明了 采用增大货车轴重的办法是实现低成本重载运输的有效途径。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 实现重载运输有两种基本途径。一是扩大列车编组，增加列车长度，开 行长大列车；一是提高轴重，加大车辆的每延米重量，发展大型货车。在世 界上开行的重载列车，前苏联铁路重载列车和北美型重载单元列车分别代表 了上述两种重载运输模式。 1 2 1 美国 美国是重载运输比较发达的国家，是重载单元列车的发源地。上个世纪 5 0 年代，美国南太平洋铁路公司采用由8 5 辆载重量为9 0 7 t 的矿石车编成总 重近万吨的列车，从矿区直达钢厂进行循环运输，首创了重载单元列车运输 模式。重载单元列车使用两台或多台大功率机车与一定数量的同型专用货车 固定编组，组成一个长、大、重的运输单元，实行专列运输，从一个始发站 的装卸线不停车地装卸同一品类货物，列车按时刻表定点定线开行，中途不 换挂机车，不解编车辆，到达卸车点上不停车卸车。卸后的空车列返回原装 车地，再进行下一次循环运转。这种运输模式具有结构简单、同步性能好、 效率高、成本低等优点，并在许多铁路公司推广应用。据统计，1 9 8 2 年重载 单元列车运煤量占铁路煤炭总运量的6 0 左右，一些大的铁路公司几乎全部 采用重载单元列车来运输煤炭矿石及其他的散装货物。 美国铁路自1 9 8 0 年全国发展重载运输以来，铁路货运占领美国货运市场 的份额直线上升，从1 9 8 0 年的3 5 增加到2 0 0 0 年的4 1 ，车辆的平均载重 增加了1 5 1 。美国最大的铁路公司之一的联合太平洋铁路公司2 0 0 2 年重载 运输收入已达1 0 7 亿美元。 美国重载单元列车通常编组辆数为7 0 1 5 0 辆，车辆载重量为9 0 7 1 2 5 t ，列车总重量达6 0 0 0 - - - 1 5 0 0 0 t ，运煤专列为1 7 5 0 0 - - 一2 0 0 0 0 t ，运行速度一 般为8 0 - - - 9 6 k m h 。另外，其重载列车已开始在东北走廊高速铁路上运行。2 0 0 3 年美国在东北走廊高速铁路的巴尔的摩和p e r r y v i l l e 间不仅开行2 4 0 k m h 的 a c e l a 高速列车，还同时开行轴重为3 0 t 、平均速度为8 0 k m h 的重载列车， 高速列车的动力车轴重2 5 5 t ，高速客车轴重为1 5 9 t 。这是世界既有线高速 铁路上同时开行重载货物列车轴重最大的一条铁路，其年货运量达3 7 0 0 万 吨，年客运量2 6 5 0 万人，每日开行1 2 2 列客货列车【2 ”。 1 2 2 加拿大 加拿大与美国的一些铁路跨越国界，互相延伸，自成系统，类似于美国 铁路的重载运输方式。自2 0 世纪6 0 年代后期，加拿大铁路公司开始采用单 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 元列车运输煤炭，其铁路重载运输得到了迅速发展，到1 9 9 5 年，加拿大一级 铁路的标准轴重已提高到3 3 t 。 每年通过加拿大太平洋铁路重载运输铁路运输线路出口到亚洲的煤矿、 谷类等货物达5 0 0 0 万吨。其重载列车由1 1 0 辆货车组成，列车载重1 5 0 0 0 t 。 加拿大铁矿主要集中在魁北克省，矿区至圣伦斯河港口的2 条准轨重载铁路 每年运出4 0 0 0 万吨矿石。运用的重载列车由3 台机车和1 5 6 辆轴重为3 1 t 的货车组成，年货运量1 5 0 0 - - 一2 0 0 0 万吨。魁北克北岸拉布多铁路连接翁加瓦 矿区与圣劳斯河的七星港，线路长6 3 9 k m ，年货运量达2 0 0 0 万吨。运营列 车通常由l1 7 - - 2 6 5 辆货车组成，轴重为3 3 t ，载重1 3 0 0 0 - - 一3 0 0 0 0 t 。 1 2 3 巴西 巴西重载货车轴重也已提高到2 5 t 一- , 3 0 t 。由巴西c v r d 集团下属维多利 亚矿公司和卡拉雅斯公司经营的2 条长约9 0 0 k m 的重载线路，每年运输约 1 5 亿吨铁矿石，比法国铁路总货运量还多。维多利亚采矿公司铁路经营的 窄轨重载铁路轴重达2 5 t ，长约9 4 6 k m ，将巴西东南部米纳吉拉斯洲矿区的矿 石运到维多利亚港附近的吐巴劳。这条铁路每年完成约1 亿吨货运量，货物 周转运量达5 2 0 t k m ，全线年收入达4 亿美元，利润相当可观。 1 9 8 0 年，一组地质学家因直升飞机故障，偶然发现了伊蒂巴拉北部裸露 的优质铁矿。c v r d 获得卡拉雅斯采矿权后，修建了8 9 2k m 、轴重3 0 5t 的 宽轨( 1 6 0 0 m m ) 铁路，通向圣路易斯附近可以停靠3 6 5 万t 货物的马得拉港。 卡拉雅斯铁路年运量为4 5 0 0 万t ，货物周转量4 0 0 多亿t k m 。线路每天开 7 8 对列车，列车由2 0 4 节载重1 0 0 t 的货车组成，总载重2 0 4 0 0 t 。列车周 转时间为5 6 小时，全员劳动生产率为2 4 0 0 万t k m 人，货车生产率为1 1 0 0 万t k i n 辆，机车生产率为5 亿t k i n 台，生产率比维多利亚铁路还高2 , - 一3 倍。高生产率源自于高技术：载重1 0 0 t 的货车，6 0 0 0 马力的机车，实时数 据传输的列车控制系统，计算机控制的调度中心和优化所有决策过程的模块 化软件。 目前，巴西c v r d 铁矿集团经营的卡拉奇重载铁路上，开行重载列车的 平均牵引重量为3 9 0 0 0 t 。 1 2 4 南非 南非铁路从2 0 世纪7 0 年代末引进北美重载单元列车运输技术用于米轨 铁路，并结合自身特点，进行必要的技术改造，开发了货车径向转向架等技 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 术，在窄轨铁路上开行了重载列车，取得了显著效果。 s p o o r n e t 是南非最大的铁路公司。1 9 7 6 年，南非的o r e x 重载铁路和 c o a l l i k n 重载铁路均实现了电气化，并成为南非两条重要的重载铁路线。 其中o r e x 线为从锡申至萨尔丹哈湾的单线准轨，长8 6 1 k m ，主要运送铁矿 石；c o a l l i k n 线为从德兰士瓦至里查兹湾的窄轨复线，长5 8 0 k m ，主要运 送煤炭。这两条线采用重载单元列车运输，自导向式径向转向架、旋转车钩 和防锈侧墙等技术，货车轴重为2 9 t ，使运量与效益逐年提高，以2 0 0 4 年与 1 9 8 0 年相比，o r e x 线年运量从9 0 0 万t 提高到了2 6 0 0 万t ，c o a l l i k n 线 年运量从1 9 0 0 万t 提高到了6 8 0 0 万t 。s p o o r n e t 曾经创造了由1 6 台机车牵 引6 6 0 辆货车、载重7 00 0 0 t 、列车长7 5k m 的世界记录。运量成倍的提高 也促使效益成倍地增长，南非铁路运营里程为1 9 1 7 5 k m ，仅为德国铁路的一 半，而每年货物周转量达1 0 3 0 亿t k m ，是德国铁路的一倍。 s p o o r n e t 采用全球移动通信系统、列车完整性检查、动力分散、e c p 制 动系统、转向架悬挂制动器等新技术，进一步提高了运输效率。毛里塔尼亚 t f m s n i m 铁路全长7 0 4 k m ，连接弗德里克矿区与努瓦迪布港，是西北地区 唯一的基础设施。每年除1 2 0 0 万t 铁矿石外，还要运送大量旅客和杂货。每 天3 对车即可满足运输需求，列车由3 4 台机车牵引，货车轴重2 6t 。公司 有机车3 2 台、货车1 2 0 0 多辆，客车8 辆。非洲大陆的几内亚、摩洛哥、加 蓬和埃及等国正以南非为参照物，在专用铁路和矿石运输干线上采用重载技 术【2 4 1 。 1 2 5 澳大利亚 澳大利亚是世界主要铁矿石产地之一。储量主要集中在西澳大利亚州的 费尔巴拉矿区，距印度洋2 0 0 - - - 4 0 0 k m 。布鲁肯希尔公司f b h p ) 以2 0 8k m 和 4 2 6 k m 铁路，分别将亚瑞、纽曼山矿区与黑德兰港连接起来，两线总运量为 6 7 0 0 万t 。 纽曼山铁路的列车由2 4 0 辆货车组成，载重为2 6 0 0 0 t ，7 0r a i n 完成装车， 3 台6 0 0 0 马力机车以每小时3 0 k m 的速度将列车牵引至黑德兰港，全程1 9 个小时。1 9 9 6 年b h p 创造了项世界纪录：由5 4 0 辆货车组成列车长达 5 8 9 2 m ，列车载重为7 2 0 0 0 t ，其中5 7 0 0 0 t 是铁矿石，列车由l o 台机车牵引， 仅有1 名司机，另外9 台机车由g e 公司生产的哈里斯机车遥控系统控制。 亚瑞铁路的列车由9 0 辆货车组成，载重7 2 0 0 t ，由1 台4 0 0 0 马力的机车牵 引。b h p 有6 0 0 名员工，全员劳动生产率为3 0 0 0 万t k i n 人。b h p 靠增加 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 轴重来提高列车载重量，5 年内使运输成本降低了5 0 。2 0 0 1 年6 月2 1 日， 记录再次被打破，澳大利亚西部的b h p 铁矿集团公司在钮曼山一海德兰重载 铁路上创造了重载列车牵引总重9 9 7 3 4t 的世界最高记录。列车装载了8 2 t 铁矿石，由6 8 2 辆货车和8 台机车组成的列车，长度达7 3 0 0 m 。从而在长度 和重量上都超过了南非铁路的重载列车，成为至今为止世界上最长最重的重 载列车。 昆士兰铁路( q r ) 是澳大利亚最大的铁路公司，有9 5 0 0 k m 线路。煤炭和 矿石运输占q r 货运量和货物周转量的9 0 以上。1 9 9 7 年，q r 的1 0 5 亿t 货运量中，煤炭为9 1 0 0 万t ，矿石为5 0 0 万t 。为了给予煤炭和矿石运输优 先权，q r 将这部分运输与其他业务分离。仅布莱克沃特和南沃特克瑞克每 年通过达林普尔湾和海波因特港出口的煤炭就达8 3 0 0 万t 。这条铁路为电力 化米轨，列车由1 2 0 辆载重9 0 t 的货车组成，轴重2 6 t 总载重1 1 0 0 0 t 。这条 铁路还承运旅客和其他货物，旅客列车为摆式车体，时速达1 6 0 k m h t 2 2 1 。 目前，轴重有2 5 t 、2 9 8 t 、3 2 4 3 t 、3 5 7 t ，其最大轴重已达4 0 t ，载重为 9 7 - - 一9 8 t 、少量达1 1 0 1 2 0 t 。其车体材料多为耐候钢，近2 5 年也发展了不锈 钢运煤车。列车编组为1 9 2 - 2 4 0 辆、牵引吨位为1 7 4 5 0 - - 一2 9 0 0 0 t ，运行速度 为8 0 k m h 左右。 。 1 2 6 其他国家重载运输 重载运输技术应用在越来越多的国家。不仅在幅员辽阔的大陆国家重载 线上开行重载列车，而且，目前在欧洲传统以客运为主的客货混运干线铁路 上也开行重载列车。德国铁路从2 0 0 3 年开始在客货混运既有铁路上开行轴重 2 5 t 、牵引重量6 0 0 0 t 的重载列车，最高运行速度8 0 k m h ( 重车) ，同时开行速 度2 0 0 - - 。2 5 0 k m h 的旅客列车。2 0 0 5 年9 月开始，法国南部铁路正式开行2 5 t 轴重的运送石材的重载列车。芬兰铁路正在研究开行3 0 t 轴重的重载列车。 另外，2 0 0 1 年，印度铁路计划开始将重载列车轴重提高到2 5 t 。 1 3 我国重载列车的发展 长期以来，铁路在我国交通运输中一直起主导作用，承担着全国近7 0 的货运量和近6 0 的客运量，但铁路路网里程少，技术设备差，发展缓慢， 运能与运量矛盾十分突出。发展重载运输、大幅度地提高列车重量是铁路扩 能提效的一种有效途径，也成为我国铁路货运的发展方向，也是我国国情路 况的必然产物。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 上个世纪8 0 年代初，经过多次论证，国家做出了修建我国第一条电气化 重载铁路一大秦线的重要决策，拉开了我国重载铁路运输的序幕。借鉴国外 经验，结合国内实际，先后在一些干线上进行了5 0 0 0 t 及1 0 0 0 0 t 级以上的重 载列车运行实验，并于1 9 8 4 年1 1 月实验成功了我国第一列组合式重载列车， 在此基础上，我国第一条复线电气化重载列车运煤专线一大秦线于1 9 9 2 年9 月起正式开行1 0 0 0 0 t 重载列车。随着铁路运输事业发展的需要，2 0 0 6 年以 来，太原铁路局先后采取了2 7 0 多项措施，优化运输方案，提高运输效益。 大秦铁路取消了5 0 0 0 t 列车，全部开行1 万t 、2 万t 重载组合列车。其中2 万t 列车从日均开行2 列提高到1 7 列，列车编组由2 0 4 辆增加到了2 1 0 辆。 回顾我国重载运输事业的发展，可以分为三个阶段。这三阶段分别为： 第一阶段自1 9 8 5 至1 9 9 0 年，通过旧线改造，发展组合式重载列车。在 一系列实验的基础上，北京铁路局于1 9 8 5 年3 月正式开行了大同一秦皇岛的 组合式重载列车，列车总重7 4 0 0 t ，双机牵引，采用固定机车、固定车底、 固定到发站、固定运行线、固定货物品类的运输组织方式。车辆为c 6 1 或 c 6 2 a ，采用了高摩合成闸瓦、1 0 3 型制动阀、滚动轴承及l3 号车钩等多项 新技术。 为了扩大重载列车的开行范围，并能普遍推广组合式重载列车，发展了 “非固定”式的重载组合列车，即不受车底、车型、车钩及缓冲器的限制。 沈阳、北京、济南、郑州及上海等铁路局先后组织开行了双机牵引6 5 0 0 - - 一8 0 0 0 t 的组合列车，有效地缓解了运输能力紧张的局面，同时也暴露了技术滞后， 并且不配套等问题。 第二阶段自1 9 9 0 年至1 9 9 2 年，大秦铁路的建成开通后，进行了大量的 单项试验、综合试验及开行试验，并于1 9 9 2 年分别正式开行了单机牵引 6 0 0 0 t 、双机牵引1 0 0 0 0 t 的单元式重载列车，车辆为c 6 3 a 型，采用1 2 0 型制 动机、高强度旋转式车钩及大容量缓冲器等多项新技术、车辆轴重为2 1 t ， 钢轨为6 0 k g m 。 大秦线开行的单元式重载列车与北美和澳大利亚等国稍有不同，为了加 速机车周转，牵引列车的机车不在装卸作业，而是利用低恒速机车在煤炭装 车点牵引列车不停车装车，在卸车点利用拨车机拨动车辆送上翻车机进行不 摘钩连续作业。随着大秦线设备的进一步配套及运营管理措施的完善，大秦 线的年运输能力可以达到1 亿t 以上。 第三阶段为1 9 9 2 年以后。对沿海繁忙干线进行技术改造，开行整列式重 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 载列车，牵引重量为5 0 0 0 t 及其以上。整列式重载列车的运输组织方式与普 通列车基本相同，机车牵挂于列车头部，列车的运行、到达、装卸和机车的 换挂都采用通常的办法，但在列车编组时要对旧型车辆进行限制，列车的操 纵也有严格要求。这种重载列车模式对繁忙干线的扩能提效具有普遍意义。 大秦线的设计能力为1 亿t 的运煤专线，通过扩能改造，运输能力得到 了迅速提升。2 0 0 4 年，大秦线年运量突破1 5 亿t ，2 0 0 5 年突破2 亿t ，2 0 0 6 年又成功突破2 5 亿t ，创造了日均运煤6 8 5 万吨的历史记录，2 0 0 7 年1 2 月 在创世界铁路运输奇迹，提前4 天实现了年运3 亿t 煤炭的新突破，并计划 在“十一五”末期实现年运4 亿t 的目标。 我国重载运输是在技术装备落后，运能与运量矛盾十分突出的背景下发 展的，通过借鉴国外发展重载列车的经验，结合我国铁路的实际情况和实际 需要，坚持“边试边开，边开边改，以开促改，逐步完善的原则，推动了 我国铁路运输组织改革、设备更新和技术进步，为我国铁路发展重载运输积 累了成功的经验。我国主型货车轴重还停留在2 1 t 水平上，虽然大秦线轴重 为2 5 t ，牵引重量达2 0 0 0 0 t ，年运量也扩大到3 亿t ，但离重载运输发达国家 普遍采用的大货车轴重实现重载运输还有较大差距。结合我过的国情路况， 目前运能与运量的矛盾仍较突出，需进一步加快重载运输的发展【1 7 】。 1 4 本文主要工作 货车有两种基本形式的转向架，分别为三大件式和构架式。另外，在三 大件式的基础上，我国发展并成功研制了径向转向架。随着货运量不断增长 的需要，货物列车速度的提高、轴重的增加，万吨重载列车的开行，加剧了 轮轨磨耗，使得车辆和线路的维护、检修工作大量增加。本文选择了三种典 型的货车转向架，分析其结构特点，并建立相应的动力学模型，就其轮轨磨 耗方面进行详细分析。论文的主要工作包括以下几个部分： ( 1 ) 分析轮轨几何接触关系及轮轨接触的基本理论，总结用于轮轨磨耗 评定的基本方法，并选择本文所采用的磨耗评定指标。 ( 2 ) 对货车转向架的基本结构进行了简要的分析，在此基础上，充分考 虑各种非线性因素，建立了各自相应的动力学仿真模型。 ( 3 ) 动力学计算。比较各种转向架在不同工况下的轮轨磨耗情况，分析 引起轮轨磨耗差异的主要因素，并提出减缓轮轨磨耗的相应措施。 ( 4 ) 分析线路条件所引起的轮轨磨耗，并提出相关减缓措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 _ - l - _ l l - - i i _ l l l l - - l _ 一1 - l - - i l - l l l _ _ i _ _ l l _ _ l i i _ _ _ i i - l l l i _ _ _ _ - i _ - ( 5 ) 采用r c f 损伤函数，对影响钢轨滚动接触疲劳的相关参数进行分析， 在此基础上，提出相应改善措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章轮轨接触几何关系及轮轨磨耗分析 轮轨磨耗是轮轨系统所不能避免的问题，随着我国大轴重重载列车的开 行，轮轨磨耗变得日益严重，使得镟轮和换轨周期大大缩短，造成铁路运输 成本急剧上升。因此，减少轮轨磨耗可以节约成本，提高铁路运输的经济效 益。 轮轨磨耗是一个非常复杂的问题，是各种因素综合作用的结果。车轮与 钢轨之间的粘着一蠕滑特性对轮轨磨损的影响较大，此外，轮轨磨损也与轮 轨之间的几何条件及接触几何学有着密切联系，接触材料的硬度、韧度及热 性能等也起着重要的作用。 2 1 轮轨接触几何关系 当机车车辆沿钢轨运行时，其运行性能与轮轨接触几何关系及轮轨间的 相互作用力有着密切关系。 2 1 1 轮轨接触几何参数和接触状态 当机车车辆沿轨道运行时，为了避免车轮轮缘与轨道侧面经常接触，以 及便于机车车辆通过曲线，左右车轮的轮缘外侧距离小于轨距，如图2 1 所 示，因此，轮对可以相对轨道作横向移动和摇头角运动。在不同的横向位移 和摇头角位移的条件下，左右轮轨之间的接触点有不同位置。于是轮轨之间 的接触参数也相应出现变化。轮轨接触几何部分参数如图2 1 所示，对车辆 运行中动力学影响比较大的轮轨接触几何参数定义如下： ( 1 ) 左轮和右轮实际滚动半径丘和。当轮对有横移时，左右轮实际 滚动半径丘，且随轮对中心横移和摇头角的改变而改变。由于轮对是一 个刚体，轮对绕其轴线转动，各点的转动角速度相同，但左右接触点处滚动 圆半径不同，则接触点相对轴线转动的线速度就不同。由于左右车轮由刚性 车轴固定，钢轨对轮对的运动起一定约束，那么在左右轮对接触斑处将会产 生微小的且方向相反的纵向滑动，直接影响轮轨间的纵向蠕滑力。另外，车 轮滚动圆半径也影响接触斑大小、法向应力分布和粘着系数。图2 1 中厂0 是 轮对处于轨道中央位置时车轮的滚动圆半径，称为名义滚动圆半径。 ( 2 ) 左轮和右轮在轮轨接触点处的踏面曲率半径p 祝和砌。 ( 3 ) 左轨和右轨在轮轨接触点处的轨头截面曲率半径p r ：和p 艘。轮轨 接触点处的曲率半径影响轮轨实际接触斑的大小、形状和轮轨的接触应力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ( 4 ) 左轮和右轮与左轨和右轨在接触点处的接触角万。和j r ，即轮轨接 触点处的轮轨公切面与轮对中心线之间的夹角。接触角的大小对轮轨蠕滑力 影响较大，因为接触角越大，轮对绕轴线旋转的角速度在接触点处的法向分 量越大，影响轮轨纵横向蠕滑力分配。同时，也影响轮轨之间的法向力和切 向力在垂向和水平方向分量的大小。 ( 5 ) 轮对侧滚角，即轮对轴线与水平面的夹角。轮对侧滚角会引起 转向架和车体的侧滚。其大小影响轮轨接触斑的蠕滑率，对轮轨接触点垂向 和水平方向作用力的分量有一定影响。 ( 6 ) 左右轮轨接触点在车轮踏面上的移动量，和。，和。对轮轨 接触斑纵横向蠕滑率的计算有一定影响。 ( 7 ) 轮对中心沿垂直方向的位移z 。，即轮对在偏离轨道中心时引起轮 对中心在垂直方向的位移改变量。它不仅影响横向蠕滑率的计算，其变化也 会引起转向架和车体的垂向位移。 图2 1 轮轨接触几何关系 在研究轮轨接触关系时应当特别注意轮轨间的接触状态。车轮与钢轨之 间的接触状态主要有两种，如图2 2 所示。当轮对相对于轨道的横移量小于 轮轨之间游隙的一半时，般只出现车轮踏面与钢轨顶面相接触，称为“一 点接触 ，如图2 2 ( a ) 所示；当轮对相对与轨道的横移和摇头角位移超过 一定范围时，即轮对的横移量接近或等于轮轨之间游隙之半时，