鐵路貨車車輪傷損及踏面磨耗規(guī)律的研究

丁 勇，王新銳，曲金娟

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

隨著鐵路貨運(yùn)運(yùn)輸向高速重載的發(fā)展，鐵路貨車車輪的損傷及磨耗問(wèn)題引起廣泛關(guān)注，在貨車車輛軸重達(dá)到27～30 t，運(yùn)營(yíng)速度100 km／h以上時(shí)，貨車車輪的損傷及磨耗將呈現(xiàn)何種狀態(tài)，對(duì)貨車的正常運(yùn)用及維修將會(huì)造成何種影響，是我們急待研究的課題。

結(jié)合提速貨車環(huán)行線120 km／h可靠性試驗(yàn)，充分挖掘分析試驗(yàn)中車輪損傷和磨耗數(shù)據(jù)，尋求車輛軸重、走行公里與車輪損傷、磨耗的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)規(guī)律以進(jìn)一步預(yù)測(cè)新一代貨車車輪可能發(fā)生的損傷和磨耗，為今后新一代貨車設(shè)計(jì)和運(yùn)用維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)條件

提速貨車120 km／h可靠性試驗(yàn)在環(huán)行線進(jìn)行了歷時(shí)5年2個(gè)階段的試驗(yàn)［4－5］，第1階段試驗(yàn)總里程182 741．5 km，其中120 km／h的里程約占總里程的70%；第2階段試驗(yàn)總里程167 603 km，其中120 km／h的里程約占總里程的64．47%。

試驗(yàn)線路為中國(guó)鐵道科學(xué)研究院環(huán)行試驗(yàn)線路，全長(zhǎng)8．5 km，鋼軌為60 kg／m U74熱軋鋼軌，強(qiáng)度等級(jí)為780 MPa。大環(huán)曲線半徑1 432 m，超高105 mm；小環(huán)半徑1 000 m，超高150 mm，中間直線段長(zhǎng)度755 m。第1階段試驗(yàn)沒(méi)有側(cè)線工況，第2階段試驗(yàn)線路在直線段增加了12＃側(cè)線。每日的運(yùn)行試驗(yàn)中，安排5次列車制動(dòng)，包括調(diào)速制動(dòng)2次，常用制動(dòng)停車2次和緊急制動(dòng)停車1次。

參試車輛基本覆蓋了我國(guó)鐵路主型貨車，包括敞車、棚車、平車、罐車等通用貨車、雙層集裝箱貨車、70 t級(jí)貨車、80 t級(jí)運(yùn)煤專用貨車，以及轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)8G提速改造車等。試驗(yàn)列車編組最長(zhǎng)達(dá)68輛，見(jiàn)表1。

2 檢測(cè)手段及檢測(cè)間隔

試驗(yàn)中，車輪的傷損及磨耗運(yùn)用情況由列檢專業(yè)人員和課題組共同按照現(xiàn)行的《鐵路貨車運(yùn)用維修規(guī)程》［1］定期進(jìn)行檢查，采用專用量具（輪徑尺、車輪第4種檢查器）和踏面型狀檢測(cè)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量并有效記錄，其中人工專用量具測(cè)量試驗(yàn)里程間隔約為8 000 km，儀器測(cè)量試驗(yàn)里程間隔約為30 000 km。

表1 提速貨車120 km／h環(huán)行線可靠性試驗(yàn)參試車輛狀況

3 車輪更換原則、故障比率、更換率

按《鐵路貨車運(yùn)用維修規(guī)程》，車輪損傷或磨耗超過(guò)運(yùn)用限度時(shí)將被更換。

研究樣本：考慮車輪的損傷及磨耗情況需要在車輛運(yùn)行一定的里程下才能充分體現(xiàn)，因此，我們選擇參試車輛中試驗(yàn)考核里程較為完整、車輛數(shù)目較多的新造21 t軸重通用貨車作為主要的分析研究樣本，此樣本車輛第1階段試驗(yàn)為24輛，第2階段繼續(xù)試驗(yàn)為20輛。

故障比率：在兩個(gè)階段約35萬(wàn)運(yùn)行里程的試驗(yàn)中，新造21 t軸重通用貨車共有32條輪對(duì)被更換，除少量車輪由于軸承故障被更換外，由于輪對(duì)損傷和磨耗原因被更換的輪對(duì)數(shù)占總更換輪對(duì)的94%。

圖1 輪對(duì)更換故障比率

輪對(duì)更換率：由于環(huán)行線試驗(yàn)中空重車不換載，被更換輪對(duì)的車輛在試驗(yàn)中都是重車狀態(tài)，而我國(guó)通用貨車在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中空車率指標(biāo)始終在30%左右［2］，一定時(shí)間內(nèi)空車走行公里與重車走行公里之比約為3∶7，因此對(duì)試驗(yàn)中輪對(duì)的更換率以70%折算系數(shù)按下式計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果：第1階段18萬(wàn)km輪對(duì)更換率為17．5%，第2階段約17萬(wàn)km輪對(duì)更換率為23．3%，在第2階段輪對(duì)更換率有所提高，主要是由于輪對(duì)踏面磨耗超限更換都在第2階段試驗(yàn)中發(fā)生。

4 車輪損傷情況分析

4．1 車輪損傷故障模式及微觀分析

試驗(yàn)中，車輪損傷故障模式表現(xiàn)為踏面剝離長(zhǎng)度超限、局部凹下深度超限及少量踏面擦傷。

車輪剝離發(fā)展表現(xiàn)為刻度狀裂紋的損傷初始階段、進(jìn)一步的剝離掉塊發(fā)展階段（圖2）。觀察中發(fā)現(xiàn)，刻度狀裂紋是踏面損傷的初始形式，裂紋呈刻度狀，為大致平行于軸向的一系列平行裂紋組成，沿圓周分布，一般地，刻度狀裂紋在圓周上的分布是相對(duì)均勻的，分布于踏面的靠輪緣部、中部或者靠外端部，也可能同時(shí)在這其中兩個(gè)部位出現(xiàn)。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，裂紋逐漸變長(zhǎng)和間隔變窄。

圖2 車輪刻度狀裂紋損傷及車輪剝離掉快損傷

研究表明，刻度狀裂紋是典型的踏面制動(dòng)熱負(fù)荷反復(fù)作用下而形成的熱裂紋，當(dāng)車輪受到高能量制動(dòng)時(shí)，車輪踏面淺表層將重復(fù)周向壓應(yīng)力－塑性變形－周向拉應(yīng)力這一低周應(yīng)力疲勞的循環(huán)過(guò)程，這一熱疲勞下的損傷不斷累積，最后萌生垂直于表層的熱裂紋。

踏面剝離、局部凹下?lián)p傷超限更換的車輪共計(jì)23條，其中第1階段試驗(yàn)更換14條，第2階段更換了9條；其中K2轉(zhuǎn)向架11條，K4轉(zhuǎn)向架12條，損傷輪位有一定差異，但差異不大且表現(xiàn)為隨機(jī)性。

4．2 車輪損傷與運(yùn)用里程的關(guān)系

將試驗(yàn)中車輪損傷更換與對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)里程繪出關(guān)系趨勢(shì)圖如圖3，可以看到，試驗(yàn)運(yùn)行里程在4萬(wàn)km左右即開(kāi)始有損傷超限車輪出現(xiàn)，18萬(wàn)km為損傷換輪高峰期，21萬(wàn)km又出現(xiàn)次高峰。

圖3 輪對(duì)損傷故障與里程關(guān)系

車輪損傷對(duì)車輛性能會(huì)產(chǎn)生直接影響，同樣以21 t軸重車為樣本，考慮實(shí)際運(yùn)營(yíng)中裝載狀態(tài)的變化，計(jì)算車輪由于損傷的更換率如表2。

表2 21 t軸重車兩個(gè)階段試驗(yàn)車輪損傷更換率

計(jì)算結(jié)果表明，新輪在運(yùn)用18萬(wàn)km（相當(dāng)一個(gè)段修期），大約有15%的輪對(duì)將由于損傷需要旋輪或更換，運(yùn)用35萬(wàn)km（相當(dāng)約兩個(gè)段修期），損傷更換比例將達(dá)到約34%，因此可以認(rèn)為車輪的損傷將成為今后鐵路重載提速后車輛運(yùn)用維修的主要故障之一。

5 車輪磨耗情況分析

5．1 車輪磨耗情況與運(yùn)行里程關(guān)系

在環(huán)行線試驗(yàn)中，車輪磨耗主要表現(xiàn)為踏面圓周磨耗，輪緣磨耗較小。新造21 t軸重通用貨車共有7條輪對(duì)由于踏面圓周磨耗超過(guò)運(yùn)用限度（8 mm）被更換，更換情況見(jiàn)表3。被更換的車輪都是重車車輪，車型為敞、平、罐車型，沒(méi)有棚車，運(yùn)用里程大部分在20萬(wàn)～32萬(wàn)km之間。

表3 新造21 t軸重通用貨車車輪圓周磨耗到限更換記錄

由上述數(shù)據(jù)可初步判斷，對(duì)于新造21 t軸重車輛，即使提速到120 km／h運(yùn)用條件下，在第1個(gè)段修期（相應(yīng)18萬(wàn)km運(yùn)用里程）內(nèi)，其使用的直徑840 mm車輪磨耗一般不會(huì)達(dá)到圓周磨耗運(yùn)用限度。

5．2 車輪踏面圓周磨耗率

由于我們更關(guān)心的是車輛軸重提高對(duì)車輪磨耗的影響，而我國(guó)目前投入運(yùn)行的貨車最高軸重為25T，對(duì)于今后新一代貨車軸重提高后車輪磨耗的發(fā)展趨勢(shì)，我們只能根據(jù)現(xiàn)有運(yùn)行車輛車輪磨耗情況尋求規(guī)律進(jìn)行推測(cè)，因此我們將23，25T軸重的試驗(yàn)車輛納入研究樣本，首先以車輪實(shí)測(cè)磨耗量數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)中不同軸重車輛車輪踏面圓周磨耗率進(jìn)行計(jì)算，按式（1）

其中磨耗率是以每輛車8個(gè)輪的磨耗量平均值與該車的實(shí)際運(yùn)行噸公里數(shù)的比值獲得，數(shù)據(jù)如表4，計(jì)算結(jié)果：

重車平均磨耗率α＝0．021 7 mm／萬(wàn)t·km

空車平均磨耗率β＝0．040 4 mm／萬(wàn)t·km

表4 試驗(yàn)車輪圓周磨耗率

從以上的計(jì)算結(jié)果分析：

（1）空車的車輪平均圓周磨耗率大于重車，大約為重車的1．9倍；但由于重車平均單輪承載大，同樣運(yùn)行里程下，噸公里數(shù)大于空車，因此重車車輪圓周實(shí)際磨耗量大于空車，大約為空車的2．2倍。

（2）隨著軸重的提高，車輪圓周實(shí)際磨耗量成上升趨勢(shì)，例如重車條件下，25T軸重車比21 t軸重車運(yùn)行18萬(wàn)km多磨耗約0．9 mm。

（3）21 t軸重改造車的車輪圓周磨耗率及實(shí)際磨耗量都呈現(xiàn)出相對(duì)較大，與21 t改造車車況較其他車型差有關(guān)，因此可以說(shuō)，車況好壞是影響車輪圓周磨耗快慢的一個(gè)直接因素。

5．3 數(shù)據(jù)誤差分析

以上述平均磨耗率作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，反推計(jì)算21，23，25T軸重車輛運(yùn)行18萬(wàn)km的磨耗量，與試驗(yàn)中實(shí)測(cè)磨耗量進(jìn)行比較，見(jiàn)圖4。相對(duì)誤差計(jì)算見(jiàn)表5。

圖4 輪對(duì)磨耗計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比

表5 試驗(yàn)重車、空車車輪圓周磨耗量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

計(jì)算結(jié)果表明，反推磨耗量計(jì)算值與實(shí)測(cè)磨耗量誤差不大，相對(duì)誤差在±12%以內(nèi)（其中正誤差表示反推磨耗量高估，負(fù)誤差表示低估）。

5．4 車輪圓周磨耗量經(jīng)驗(yàn)公式

以上分析表明：以平均磨耗率計(jì)算出的反推磨耗量與試驗(yàn)實(shí)測(cè)磨耗量的誤差不大，并普遍略有高估（只有21 t改造車略低估），因此我們認(rèn)為可以將上述計(jì)算得出的空重車車輪平均磨耗率作為基本參數(shù)，以期對(duì)不同軸重不同運(yùn)行里程的車輛車輪圓周磨耗進(jìn)行推測(cè)，因此提出經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中M為車輪磨耗量（mm）；S為運(yùn)行里程（萬(wàn)公里）；α為重車車輪平均磨耗率（取值0．021 7）；β為空車車輪平均磨耗率（取值0．040 4）；K1、K2為空重車比率（通用車重車K1取0．7，空車K2取0．3，專用車K1取0．5，K2取0．5）。按經(jīng)驗(yàn)公式（2）對(duì)現(xiàn)有運(yùn)用車（21，23，25T軸重）及新一代貨車（27，31．5 t軸重）車輪圓周磨耗量進(jìn)行推算，計(jì)算中21，23，25T軸重車自重分別取22．3，23．7，20 t；27，31．5 t軸重車自重分別取28，30 t，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5、表6。

圖5 不同軸重輪對(duì)磨耗推測(cè)

表6 不同軸重車輪圓周磨耗量推算（18萬(wàn)km）

計(jì)算結(jié)果表明：通用車軸重若提高到27 t，車輛運(yùn)行18萬(wàn)km，車輪圓周磨耗量為4．5 mm（空重比率按3∶7計(jì)算）；專用車軸重若提高到31．5 t，車輛運(yùn)行18萬(wàn)km，車輪圓周磨耗量為4．4 mm（空重比率按1∶1計(jì)算）；兩者數(shù)據(jù)相當(dāng)，可以近似的認(rèn)為，31．5 t的專用車在專用線運(yùn)輸，如若按重車去空車返的運(yùn)輸方式使用，在相同的運(yùn)用里程下車輪的圓周磨耗量與27 t軸重通用車磨耗量相當(dāng)。

考慮到通用車段修期已延長(zhǎng)到2年（約運(yùn)行24萬(wàn)km），推測(cè)27 t軸重通用車一個(gè)段修期的車輪圓周磨耗約為6．0 mm。對(duì)車輪圓周磨耗的推算是基于環(huán)行線可靠性試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的，試驗(yàn)的運(yùn)行速度高于我國(guó)現(xiàn)有貨車的實(shí)際運(yùn)行速度，線路及裝載條件與正線實(shí)際情況也有一定差異，因此，為了更加全面的對(duì)車輪圓周磨耗進(jìn)行分析，將2005年齊車公司大秦線貨車車輪磨耗調(diào)研的結(jié)果［3］與環(huán)行線進(jìn)行對(duì)比，以期對(duì)新一代貨車在大秦線運(yùn)用條件下的車輪磨耗進(jìn)行預(yù)估。

5．5 環(huán)行線與大秦線車輪圓周磨耗綜合對(duì)比分析

我國(guó)大秦線23 t軸重的C70、C70H，25T軸重的C80系列重載車輛的磨耗調(diào)研結(jié)果，如表7所示。

表7 大秦線各車型車輪踏面圓周磨耗情況 mm

以表7中10萬(wàn)km車輪平均磨耗數(shù)據(jù)推算可得，運(yùn)行18萬(wàn)km，23，25T軸重車輛的車輪圓周磨耗量分別是1．15，1．97 mm，該值大約是環(huán)行線可靠性試驗(yàn)中測(cè)試結(jié)果的一半左右。環(huán)行線測(cè)試結(jié)果較大秦線調(diào)研結(jié)果大的原因我們認(rèn)為與車輛運(yùn)行速度有關(guān)，環(huán)行線試驗(yàn)中120 km／h速度級(jí)的運(yùn)行里程占60%以上，100 km／h及以上速度級(jí)占90%以上，這大大高于大秦線的運(yùn)行速度。環(huán)行線及大秦線車輪圓周磨耗量分布如圖6。

圖6 不同軸重車輪圓周磨耗量分布

結(jié)合大秦線車輪調(diào)研數(shù)據(jù)與環(huán)行線的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將25T軸重車輛運(yùn)行18萬(wàn)km車輪圓周磨耗的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，求出數(shù)據(jù)比例系數(shù)0．579（1．97／3．4），簡(jiǎn)單的認(rèn)為是速度影響因子γ，以此修正經(jīng)驗(yàn)公式為（3），對(duì)專用線上新一代貨車（27，31．5 t軸重）車輪圓周磨耗量進(jìn)行推測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表8。式中γ為速度影響因子（當(dāng)車輛運(yùn)行速度120 km／h時(shí)，取1，大秦線目前情況取0．579）。

表8 大秦線運(yùn)用條件新一代貨車車輪圓周磨耗量推算

計(jì)算結(jié)果：

①27，31．5 t軸重專用車輛，空重車比率1∶1，大秦線使用條件，運(yùn)行40萬(wàn)km，車輪圓周磨耗量分別是5．02，5．67 mm；按兩年段修期計(jì)，運(yùn)行50萬(wàn)km，分別是6．28，7．08 mm，超過(guò)段修限度，但小于運(yùn)用限度，車輪在段修時(shí)都將由于磨耗到限進(jìn)行旋修。

②27 t軸重的通用車輛，空重車比率3∶7，以段修期2年運(yùn)行約24萬(wàn)km計(jì)，車輪圓周磨耗將達(dá)到6．0 mm，小于運(yùn)用限度8 mm，但大于段修限度5 mm，車輛在段修時(shí)，車輪也都將面臨磨耗到限需旋修。

綜上所述，考慮到車輪磨耗情況，對(duì)于新一代貨車，專用車軸重若提高到31．5 t，全面檢查修修程宜采用運(yùn)行里程小于40萬(wàn)km或2年，通用車軸重若提高到27 t，段修期不宜超過(guò)2年。

隨著新一代貨車軸重、速度的提高，輪軌動(dòng)作用力增大，車輪的磨耗、損傷問(wèn)題將更加突出，為適應(yīng)鐵路貨車提速重載技術(shù)的發(fā)展，使用與鋼軌匹配合理的車輪踏面外形和耐磨性好的材質(zhì)，是提高車輪壽命、降低車輪檢修成本的重要措施，“十一五”期間，我國(guó)已先后研發(fā)了25T軸重直徑840 mm的HESA、HEZD型車輪，進(jìn)行了輾鋼車輪CL65、CL70鋼種及鑄鋼車輪ZL－C鋼種的研究，并提出了增大車輪輪徑以降低車輪制動(dòng)熱負(fù)荷的方案，因此對(duì)于車輪輪徑增大及材質(zhì)變化后輪軌磨耗情況應(yīng)開(kāi)展進(jìn)一步的深入研究。

5．6 車輪磨耗與轉(zhuǎn)向架類型、車型的關(guān)系

目前我國(guó)的主型貨車上裝用的轉(zhuǎn)向架主要為交叉桿式的K2、K6型轉(zhuǎn)向架和擺式的K4、K5型轉(zhuǎn)向架，通過(guò)對(duì)環(huán)行線可靠性試驗(yàn)裝用不同轉(zhuǎn)向架車輛車輪磨耗的對(duì)比，以及敞、棚、平、罐車不同車型車輪磨耗的對(duì)比，尋求車輪磨耗與轉(zhuǎn)向架類型、車型的關(guān)系，得出結(jié)論：

① 裝用擺式轉(zhuǎn)向架K4、K5的車輛，車輪圓周磨耗略大于裝用交叉桿式轉(zhuǎn)向架K2、K6的車輛；K2改造車的車輪圓周磨耗略大于非改造車。② 車型與車輪的磨耗大小沒(méi)有明顯的規(guī)律性對(duì)應(yīng)關(guān)系，21 t軸重車平車的車輪磨耗大一些，70 t級(jí)車敞車較其他車型大一些。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)環(huán)行線可靠性試驗(yàn)及大秦線調(diào)研結(jié)果中車輪損傷和磨耗數(shù)據(jù)的分析，認(rèn)為新一代貨車的發(fā)展，軸重及速度的提高都將面臨貨車車輛關(guān)鍵部件車輪損傷及磨耗的瓶頸制約，雖然其影響是在車輛運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間才會(huì)逐漸顯現(xiàn)，但未雨綢繆，提前預(yù)測(cè)，防患于未然應(yīng)該是我們努力繼續(xù)去做的工作，由上面的專題工作，得出下面幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）貨車軸重、速度提高后車輪的損傷將成為車輛運(yùn)用維修的主要故障之一，新輪在運(yùn)用18萬(wàn)km（相當(dāng)一個(gè)段修期），大約有15%的輪對(duì)將由于損傷需要旋輪或更換，運(yùn)用36萬(wàn)km（相當(dāng)兩個(gè)段修期），損傷更換比例將達(dá)到約34%。

（2）以環(huán)行線試驗(yàn)數(shù)據(jù)及大秦線調(diào)研統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)綜合推測(cè)，對(duì)于新一代貨車，通用車軸重若提高到27 t，以段修期兩年或運(yùn)行24萬(wàn)km計(jì)，車輪圓周磨耗將達(dá)到6．0 mm左右；專用車軸重若提高到31．5 t，運(yùn)行40萬(wàn)km或兩年段修期的車輪圓周磨耗將達(dá)到5．67～7．08 mm；可以預(yù)見(jiàn)，貨車軸重及速度提高后，按現(xiàn)有的段修限度要求，段修中將有大量的車輪圓周磨耗到限需要旋輪。

（3）車輪圓周磨耗與車型沒(méi)有明顯的規(guī)律性對(duì)應(yīng)關(guān)系，但與車輛裝用的轉(zhuǎn)向架類型有一定的相關(guān)關(guān)系，裝用擺式轉(zhuǎn)向架K4、K5的車輛，車輪圓周磨耗略大于裝用交叉桿式轉(zhuǎn)向架K2、K6的車輛；K2改造車的車輪圓周磨耗比新造裝用K2轉(zhuǎn)向架的車輛的磨耗相對(duì)大一些。

［1］中國(guó)鐵道出版社．鐵路貨車運(yùn)用維修規(guī)程［M］．北京：中國(guó)鐵道出版社，2003．

［2］王國(guó)玉，韓 調(diào)．有關(guān)空率的理論探討［J］．中國(guó)鐵路，1981，（02）：1－6．

［3］胡海濱，等．大秦鐵路貨車車輪磨耗問(wèn)題的調(diào)查與研究［J］．鐵道學(xué)報(bào)，2010，32（1）：30－37．

［4］提速貨車120 km／h可靠性試驗(yàn)第一階段（環(huán)行線）試驗(yàn)總報(bào)告［R］．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究報(bào)告，TY字第2015號(hào)，2005．

［5］提速貨車120 km／h可靠性試驗(yàn)第二階段（環(huán)行線）試驗(yàn)總報(bào)告［R］．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究報(bào)告，TY字第2470號(hào)，2008．