車輪表面形狀與行車安全

張橋平，吳慶國

(武漢鐵路司機學校，武漢 430012)

0 引 言

汽車轉向靠的是方向盤，方向盤由司機操縱。所以汽車轉向很靈活，且隨司機的意志而定。而火車沒有方向盤，司機不能控制列車的轉向。但列車運行時不可能一直走直線，因為鐵道的實際線路既有直線也有曲線。那么在曲線線路上列車是怎樣轉向的呢？同時鐵道車輛輪軌寬度都很窄，不同于道路交通的汽車，路面很寬。火車車輪在寬度很窄的軌道上運行，為何能夠始終保持輪軌之間的良好位置關系而不發生脫軌事故?這與車輪的表面的形狀有著密切的聯系。下面我們就來看看車輪的表面形狀到底是怎樣的，這種形狀對車輛的直線運行和曲線運行有何好處，同時又是怎樣保證車輪不發生脫軌事故的。

1 火車運行情況分析

車輛在直線區段運行時，2 根鋼軌是2 條平行的直線，長度相等。車輛輪對左右車輪的直徑也是相等的，那么車輪每轉動1 圈的弧長也是相等的。同時左右車輪通過車軸連成一個整體，2 輪轉動的角度始終相同。這樣看來，車輛在直線區段運行似乎沒有什么問題。但實際則不然。因為車輪的設計尺寸雖然相同，但由于存在制造誤差，再加上運行過程中輪軌之間不斷地磨耗會改變車輪直徑。而1 個輪對2 個車輪由于磨耗而使直徑變小的情況也不可能完全一致。所以在直線上運行時，車輪會在鋼軌上產生一定的方向上的偏差。這樣長距離運行，偏差積累到一定程度就會發生脫軌事故。

車輛在曲線區段運行時，2 根鋼軌是2 根同心不同徑的弧。在圓心角相同時，弧長一定不等。那么車輪運行在曲線上時會更快地脫軌。如何解決這些問題呢？這就需要在車輪上做文章。通過前面的分析可知，車輪直徑如果是固定不變的，是不能滿足車輛在鋼軌上安全運行要求的。車輪在直線上運行發生左右偏差時如果適當改變左右車輪的直徑，使偏離方向上車輪的直徑增大（如果車輛向左側偏離，就適當增大左側的車輪直徑；如果車輛向右側偏離，就適當增大右側的車輪直徑），另一個車輪上的直徑減小，就能逐漸修正偏離，使輪對中心與線路中心趨向一致；車輪在曲線上運行時，如果外側鋼軌上車輪的直徑比內側鋼軌上車輪的直徑大，并且大的幅度與線路弧長的差相匹配，就能保證車輪安全順利地通過曲線而不發生脫軌事故。

2 火車車輪的特殊設計

如前所述,要實現火車的安全穩定運行,火車車輪的直徑就不能是固定不變的。那么如何改變車輪直徑，并且按需要實現有時左側大于右側，有時右側大于左側呢？解決的辦法是將車輪表面形狀沿寬度方向（軸向）做成錐形的，且內大外小。那么當車輪中心與線路中心發生偏差時，2 個車輪在鋼軌上滾動的半徑就不相同。并且是偏離方向上的車輪滾動半徑大，另一側車輪的滾動半徑小。這樣會使車輪中心在滾動的過程中逐漸趨向線路中心，使偏差得到修復。車輪踏面形狀如圖1 所示。

圖1 車輛輪對結構及踏面形狀

由于車輪輪輞的寬度只有135 mm 寬。為了更好地保證車輪運行的安全性，實際的車輪在踏面的一側還設計了1 個凸起的輪緣。從圖1 可以看出，輪緣只在輪輞的一側，而且是在輪輞的內側。為什么輪緣只設計1 個，不做2個？又為什么要設計在輪輞的內側？

首先假設每個車輪都設計成2 個輪緣，那么在車輪有脫軌趨勢時，如果左右2 個車輪上的輪緣都與鋼軌產生作用，共同分擔橫向載荷，當然是好事。但這是不可能的。因為當右側車輪上的內側輪緣與鋼軌接觸并產生作用力時，左側車輪上的外側輪緣很難再與鋼軌接觸，更難分擔右側車輪與鋼軌的橫向力。同樣，當左側車輪的某個輪緣與鋼軌接觸并產生橫向作用力時，右側車輪的2 個輪緣也很難再與鋼軌接觸并產生橫向力。即使出現左右2 個車輪輪緣同時與鋼軌接觸并且都與鋼軌有橫向作用力的情況，也只是瞬間的事情。絕大多數情況下是只有1個輪緣與鋼軌接觸。所以如果在1 個車輪上設計成2 個輪緣只會增加車輪的復雜性和重量。更重要的是給道岔的設計提出了難題。由此看來，車輪上只設計1 個輪緣是合理的。理論計算和運用實踐也證明1 個輪緣強度是足夠的，車輛運行安全是有保證的。

那么，1 個輪緣設計在輪輞的內側好還是設計在輪輞的外側好呢？從圖1 我們看到實際車輪輪緣是在輪輞的內側。輪緣設在輪輞內側主要考慮了以下幾個因素：

1）由于踏面錐度的原因使車輪內側直徑大，外側直徑小。將輪緣設在內側，也就是設在直徑大的這一側，可以減少應力集中。反之，若設在外側，就會增加應力集中。這主要是銳角和鈍角的原因。

2）在列車過曲線時，輪對中心會向線路中心外側移動。曲線半徑越小，這種移動就越明顯。當這種移動到一定程度時，輪緣就會接觸鋼軌，甚至有爬軌的趨勢。將輪緣設在內側，將會是外鋼軌上的車輪輪緣與鋼軌接觸；若將輪緣設在外側，這時將會是內軌上的車輪輪緣與鋼軌接觸。是內側車輪輪緣爬軌還是外側輪緣爬軌，對車輪是否脫軌的影響是截然相反的。如果是外側鋼軌上的車輪輪緣出現爬軌，會急劇地加大左右車輪滾動圓半徑差，而這種滾動圓半徑差的增大是將車輪的運行導向安全的。反之，如果是內側鋼軌上的車輪輪緣出現爬軌，就會使內外側鋼軌上車輪滾動圓半徑差出現反位，即在爬軌前是外軌上的車輪的滾動圓半徑大，內軌上的車輪的滾動圓半徑小。但輪緣爬軌后變成外軌上的車輪的滾動圓半徑小，內軌上的車輪的滾動圓半徑大。這樣會幫助輪緣迅速爬上鋼軌而掉道。

3）車輛運行在曲線上時，1 個輪對上的2 個車輪會發生載荷的轉移，即內側車輪減載，外側車輪增載。增載車輪的輪緣與鋼軌接觸比減載車輪的輪緣與鋼軌接觸更安全。

因為它會阻礙輪緣爬軌和獲得更大的向心力而使車輛安全順利地通過曲線。輪緣爬軌時的受力情況如圖2 所示。

4）輪緣能防止脫軌是由于輪緣與鋼軌之間橫向力的作用。輪緣受鋼軌作用力的方向對輪、軸之間的結合情況會產生影響。車輪與車軸的結合方式是過盈配合。即靠車軸與車輪輪轂孔之間的過盈力而結合成一個整體。車軸與車輪配合的部位叫輪座。輪座不是一個圓柱體，而是一個帶有錐度1∶300 的圓錐體，錐度的方向是內大外小，輪軸壓裝時是將車輪從車軸的兩端向內壓。那么當過曲線時，車輪受到鋼軌的作用力是指向內側的，就不會對輪軸的結合產生不利影響。反之，車輪受到鋼軌的作用力若是指向外側的，就可能對輪軸的結合產生不利影響。嚴重時會造成輪軸的松脫從而威脅行車安全。顯然，只有將輪緣設在內側，才可能使車輪受到鋼軌向內的作用力，而設在外側就受到鋼軌向外的作用力。

3 結 語

圖2

通過以上分析，我們知道了車輪表面形狀的設計考慮了很多列車運行舒適性、安全性方面的因素。雖然實際運用的車輪結構具體尺寸參數不盡相同，但基本特征是一樣的。即都是錐形的，內大外小。并且輪緣要設在大直徑的內側。正是考慮了這些因素才使車輛能夠在直線和曲線上安全、順利地運行。