貨車輪對磨耗分布與運(yùn)行安全性的關(guān)系

劉立平

（北京鐵路局 豐臺(tái)車輛段，北京100070）

貨車輪對磨耗分布與運(yùn)行安全性的關(guān)系

劉立平

（北京鐵路局 豐臺(tái)車輛段，北京100070）

通過對TPDS系統(tǒng)監(jiān)測的運(yùn)行安全性不良貨車輪對數(shù)據(jù)及其磨耗情況研究，以及與定檢到期貨車的輪對數(shù)據(jù)對比，分析了在異常情況下貨車輪對磨耗分布規(guī)律與運(yùn)行安全性的關(guān)系。依據(jù)分析結(jié)論，從輪對磨耗的角度給出了防范和處置貨車運(yùn)行安全性下降風(fēng)險(xiǎn)的方法。

鐵道車輛；運(yùn)行安全性；輪對；磨耗

由車輛運(yùn)行狀態(tài)軌邊監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS）得到的貨車運(yùn)行狀態(tài)，與車輛運(yùn)行安全性有著密切關(guān)系，TPDS運(yùn)行狀態(tài)積分值較高的車輛其運(yùn)行安全性較差。由于輪對踏面形狀為錐形結(jié)構(gòu)，貨車轉(zhuǎn)向架在運(yùn)行中會(huì)隨著輪對蛇行運(yùn)行產(chǎn)生橫向擺動(dòng)，在正常條件下，輪對兩車輪的磨耗比較對稱。如果在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和車輛內(nèi)在因素的共同作用下，輪對在運(yùn)行中逐漸產(chǎn)生了異常磨耗，那么在輪對踏面異常磨耗到達(dá)一定程度時(shí)，就會(huì)對車輛運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。

對TPDS運(yùn)行狀態(tài)積分值較高車輛的輪對磨耗分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，在普通車輛進(jìn)行了對比分析，找出了影響貨車運(yùn)行安全的整車輪對磨耗分布規(guī)律和改進(jìn)方法。

1　輪對磨耗情況

通過TPDS系統(tǒng)對貨車輪軌橫向力進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測獲取的積分值是評價(jià)車輛運(yùn)行安全性的關(guān)鍵指標(biāo)之一，聯(lián)網(wǎng)積分值越高，車輛安全性越差，脫軌風(fēng)險(xiǎn)也越大。從中國鐵路總公司組織的多次運(yùn)行狀態(tài)不良貨車的分解檢查結(jié)果來看，輪對異常磨耗狀況出現(xiàn)的頻率最高，而影響車輛動(dòng)力學(xué)性能的輪對異常磨耗因素主要包括同輪對輪徑差和車輪的輪緣及踏面廓形（以下簡稱車輪廓形）。

在輪徑差方面，通過對38輛TPDS聯(lián)網(wǎng)積分值較高車輛的152條輪對進(jìn)行輪徑檢測發(fā)現(xiàn)，同一輪對左右車輪的輪徑差ΔD（計(jì)算方法為ΔD=D左-D右，下同）絕對值大于4 m m者為46條，比例為30.3%，大于6 m m者為29條，比例為19.1%。

在車輪踏面形狀方面，從上述車輛踏面磨耗后的形狀分析，部分輪對踏面呈現(xiàn)左右不對稱的異常磨耗，踏面形狀嚴(yán)重偏離L M型踏面標(biāo)準(zhǔn)形狀，車輪踏面的正常錐度被嚴(yán)重破壞。圖1和圖2分別是從C64K 4948768的2位和3位輪對采集的左右車輪廓形，其中紅線代表的是左輪廓形，藍(lán)線代表右輪。

圖1　正常磨耗廓形示例（輪徑差為1 m m）

圖2　異常磨耗廓形示例（輪徑差為9.2 m m）

2　整車輪對磨耗分布規(guī)律

2.1輪對磨耗分布

為了研究運(yùn)行安全性不良車輛的整車輪對磨耗分布，在38輛TPDS聯(lián)網(wǎng)積分值較高車輛中抽取27輛為樣本，這些車輛均裝用了轉(zhuǎn)K2或轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架且上拉桿與現(xiàn)車制動(dòng)系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)一致（即固定杠桿支點(diǎn)均在現(xiàn)車內(nèi)側(cè)2位端）。通過統(tǒng)計(jì)各軸位輪徑差ΔD、轉(zhuǎn)向架對角磨耗H值（其中H1=ΔD1-ΔD2，H2=ΔD3-ΔD4）、前后轉(zhuǎn)向架扭轉(zhuǎn)磨耗（定義為T PD值，T PD=H1-H2）等參數(shù)，數(shù)據(jù)如表1所示。

其中，對確定經(jīng)過臨修更換的輪對，ΔD取了其他車輛在該輪位的平均值。分析表1的數(shù)據(jù)，運(yùn)行狀態(tài)不良貨車輪對磨耗的分布反映出以下規(guī)律：

表1　運(yùn)行安全性不良車輛輪徑差分析表

（1）轉(zhuǎn)向架對角磨耗嚴(yán)重。在54個(gè)轉(zhuǎn)向架中H值大于5 m m者有38個(gè)，比例70.4%。導(dǎo)致此差值的主要因素是2位、3位輪對右側(cè)車輪輪徑相對較小。若把H值小于1 m m者近似為0，H1與H2分布為“負(fù)/正”的情況較為普遍，27輛車中有19輛，比例70.4%；“零/正”4輛，比例14.8%；“負(fù)/零”3輛，比例11.1%。

（2）前后轉(zhuǎn)向架扭轉(zhuǎn)磨耗嚴(yán)重。參數(shù)T PD值均為負(fù)值，其平均值為-11.4 m m，且T PD大于7 m m者24輛，比例88.9%。

2.2車輪廓形

對38輛TPDS聯(lián)網(wǎng)積分值較高車輛中的24輛進(jìn)行了車輪廓形采集。共有37條輪對存在與圖2情況類似的車輪廓形較嚴(yán)重破壞，比例為38.5%；涉及31個(gè)轉(zhuǎn)向架，比例為64.6%；涉及22輛車，比例為91.7%（在另兩輛車中，其中一輛車的2位、3位輪對在運(yùn)用中經(jīng)過臨修換輪，無法采集到當(dāng)時(shí)的踏面磨耗情況）。

3　輪對磨耗與車輛運(yùn)行安全性的關(guān)聯(lián)分析

3.1輪對磨耗分布因素

理想的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向架4個(gè)車輪直徑基本相等，經(jīng)檢修合格的貨車轉(zhuǎn)向架每條輪對左右車輪直徑基本相同，但兩條輪對可以存在規(guī)程限度允許范圍內(nèi)的輪徑差。而運(yùn)行安全性不良車輛，H值和T PD值卻呈現(xiàn)出較明顯不同的分布規(guī)律。表1反映的車輛輪徑差均值分布情況如圖3所示，即呈現(xiàn)轉(zhuǎn)向架對角磨耗及前后轉(zhuǎn)向架扭轉(zhuǎn)磨耗的特點(diǎn)。

圖3　車輛的輪徑差分布

（1）轉(zhuǎn)向架對角磨耗H值普遍較大反映出：在每條輪對等效純滾線偏離軌道中心線的距離隨ΔD而增大的同時(shí)，同轉(zhuǎn)向架兩條輪對的偏離方向與軌道中心線相反，引起車輛運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向架發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，使某一輪對的沖角較大，增大輪軸橫向力，并對該輪對的輪重減載率帶來不利影響。

（2）前后轉(zhuǎn)向架扭轉(zhuǎn)磨耗T PD值參數(shù)反映出：車輛在運(yùn)行時(shí)，兩轉(zhuǎn)向架偏轉(zhuǎn)方向相反的情況較普遍，另有少數(shù)車輛是單一轉(zhuǎn)向架偏轉(zhuǎn)。這樣，借助心盤及常接觸式旁承的阻尼傳遞作用，車輛的橫向擺動(dòng)增大，從而增大了輪軸橫向力，車輛運(yùn)行安全性下降。

為了進(jìn)一步說明輪徑差ΔD對貨車運(yùn)行安全性的影響，隨機(jī)選取了近兩年廠、段修到期的10 521輛敞、棚車（裝用轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架的60 t及70 t級通用貨車）進(jìn)行輪徑數(shù)據(jù)對比分析。數(shù)據(jù)顯示：敞、棚等車型1～4位輪對輪徑磨耗規(guī)律大體一致，小輪徑車輪出現(xiàn)在右側(cè)的概率較大，但在輪對左、右端的分布具有較大的離散性，見表2。在總體上，右側(cè)車輪比左側(cè)磨耗嚴(yán)重，其加權(quán)平均值ΔD=0.435 m m。

表2　通用敞、棚車輪對磨耗規(guī)律分析表　%

另外，為了對比轉(zhuǎn)向架對角磨耗H值及前后轉(zhuǎn)向架扭轉(zhuǎn)磨耗T PD值在通用貨車的分布情況，隨機(jī)選取了2015年3月份段修到期的648輛敞、棚車（裝用轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架的60 t及70 t級通用貨車）進(jìn)行輪徑數(shù)據(jù)分析。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：H值大于5 m m的轉(zhuǎn)向架156個(gè)，比例12.0%；T PD值為負(fù)且絕對值大于7 m m者34輛，比例5.2%。

將這些通用車與38輛TPDS聯(lián)網(wǎng)高值車輛進(jìn)行均值對比，見表3。

表3　H值及TPD值分析表　%

從表3對比來看：運(yùn)行安全性不良貨車各軸位ΔD分布與運(yùn)用貨車中的統(tǒng)計(jì)規(guī)律并不一致，但H值及T PD值與之存在弱相關(guān)關(guān)系。T PD值為負(fù)且絕對值高是運(yùn)用貨車中的特殊情況，因此，可以作為評價(jià)貨車運(yùn)行安全性的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

3.2車輪廓形因素

理想的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向架4個(gè)車輪踏面均為L M型踏面原始形狀，不存在踏面磨耗，從而保證輪對在線路上具有相對固定的正弦運(yùn)動(dòng)軌跡。出現(xiàn)類似圖2的車輪異常磨耗時(shí)，踏面輪軌接觸區(qū)相對L M型原始形狀呈現(xiàn)較明顯的凹陷，單側(cè)甚至雙側(cè)車輪的踏面等效斜度（作為輪軌幾何接觸中的重要參數(shù)）被嚴(yán)重破壞。遇有H值及T PD值較高的情況時(shí)，輪對等效純滾線偏離軌道中心線的距離加大，但難以通過正常的蛇行運(yùn)行來調(diào)整，勢必增大輪軌橫向力。

由于目前尚無被普遍認(rèn)可的貨車車輪廓形評價(jià)參數(shù)，其影響程度還需要進(jìn)一步試驗(yàn)和積累數(shù)據(jù)分析。盡管如此，車輪廓形的嚴(yán)重磨耗卻與踏面圓周磨耗有著很強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系。以各車輛的最大車輪踏面圓周磨耗計(jì)算，22輛存在車輪廓形破壞嚴(yán)重輪對的車輛平均值為6.5 m m，且有4輛達(dá)到或超出輪對運(yùn)用限度即8 m m。若考慮到其中有13輛車共計(jì)臨修更換過18條輪對，這種關(guān)聯(lián)關(guān)系實(shí)際上會(huì)更加明顯。因此，在貨車運(yùn)用過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)踏面圓周磨耗臨修故障，施以科學(xué)的分析判定和處置，就可以作為重要防范手段，減緩甚至消除車輛運(yùn)行安全性惡化的趨勢。

4　結(jié)束語

綜上所述，當(dāng)車輛在運(yùn)用中TPD值不斷增大時(shí)，其動(dòng)力學(xué)性能就將惡化，若該車存在廓形破壞嚴(yán)重的車輪，該輪對輪軌橫向力就會(huì)大大增加，從而增大TPDS系統(tǒng)評分值。

建議：

（1）在處置車輪踏面圓周磨耗過限的車輛臨修故障及TPDS評分高值車輛時(shí)，規(guī)定同一輪對ΔD、同一轉(zhuǎn)向架H值及車輛T PD值標(biāo)準(zhǔn)，超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)更換相應(yīng)輪對、同轉(zhuǎn)向架輪對或同車輪對。

（2）在處置車輪踏面磨耗的車輛臨修故障及TPDS評分高值車輛時(shí)，新安裝的輪對須經(jīng)過全面旋修，以保證修復(fù)車輪廓形。

輪對異常磨耗與貨車運(yùn)行的安全性互為因果關(guān)系，是影響貨車運(yùn)行安全性諸多因素之一。受樣本數(shù)量的限制，本文的分析只針對了特定主型貨車。由于不同轉(zhuǎn)向架和不同制動(dòng)形式的車型輪對磨耗規(guī)律不同，其他車型的相關(guān)規(guī)律還需要進(jìn)一步研究。

［1］ 池茂儒，張衛(wèi)華，曾 京，等.輪徑差對行車安全性的影響［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2008，8（5）：20-21.

［2］ 劉振明.貨車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置對車輪磨耗的影響［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011，31（6）：23-29.

［3］ 劉吉遠(yuǎn)，陳 雷.鐵路貨車輪軸技術(shù)概論［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

Relationship of Freight Vehicle W heel-set Abrasion Distribution and Operational Safety

LIU Liping
（Fengtai Vehicle Depot，Beijing Railway Bureau，Beijing 100070，China）

A nalyzing the data and abrasion condition of the unsafely running freight vehicle w heel-set fro m TPDS m onitoring system，co m paring with the w heel-set data of regularly checked freight vehicles，the relationship between freight vehicle w heel-set abrasion distribution and running safety is analyzed.Fro m the conclusions，the method to avoid the running risk of the freight vehicle is proposed based on w heel-set abrasion condition.

railway vehicles；operational safety；w heel-set abrasion

U272

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.29

1008-7842（2015）05-0119-04

劉立平（1972—）男，高級工程師（2015-05-10）