鐵路貨車車輪踏面圓周磨耗及輪緣磨耗的原因分析及改進(jìn)措施

馮新平

摘 要：隨著我國鐵路高速和重載的發(fā)展，輪軌磨耗問題日趨嚴(yán)重，每年都給鐵路運輸業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，其解決與否直接影響到鐵路的快速發(fā)展。為了進(jìn)一步了解車輪磨耗的原因，從而提出降低磨耗的有效措施，本文分別從轉(zhuǎn)向架形式、車輪位數(shù)、輪瓦磨耗、輪軌磨耗等方面對車輪磨耗進(jìn)行調(diào)研，并將影響鐵路貨車車輪磨耗的主要因素歸結(jié)為貨車軸重、貨物周轉(zhuǎn)量、閘瓦質(zhì)量、車輪硬度、制動形式、閘調(diào)器作用影響及基礎(chǔ)制動裝置制造尺寸等方面。通過對段修車檢修輪對磨耗情況的調(diào)研、分析，總結(jié)了磨耗規(guī)律，提出了改進(jìn)措施，結(jié)論表明，推廣應(yīng)用新型車輪以提高車輪踏面及輪輞硬度、進(jìn)一步提高制動梁、閘瓦托制造、檢修質(zhì)量，嚴(yán)格控制各項尺寸在公差范圍之內(nèi)、加強對閘調(diào)器在運用中正確使用、控制同一輪對兩車輪的輪徑差使車輪踏面磨耗均勻化的有效途徑；鐵路貨車采用狀態(tài)修的維修管理辦法是控制和降低輪緣磨耗發(fā)生的有效手段。提出的建議可為改善車輪磨耗，降低檢修勞動量，確保運輸安全具有實際意義。

關(guān)鍵詞：車輪踏面圓周磨耗；輪緣磨耗；原因分析；改進(jìn)措施

中圖分類號： U272 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）21-86-3

0 引言

隨著我國鐵路高速和重載的發(fā)展，車輪損傷形式逐漸呈多樣性，尤其是輪對踏面圓周磨耗及輪緣磨耗問題日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重影響貨車車輛的運行品質(zhì)，本文對車輪損傷的性質(zhì)及產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，對車輪損傷產(chǎn)生的危害進(jìn)行了闡釋，為進(jìn)一步分析車輪磨耗的規(guī)律，探究其產(chǎn)生原因，提出改進(jìn)措施，本文分別從轉(zhuǎn)向架形式、車輪位數(shù)、輪瓦磨耗、輪軌磨耗等方面對車輪磨耗進(jìn)行調(diào)研，并將影響鐵路貨車車輪磨耗的主要因素歸結(jié)為貨車軸重、貨物周轉(zhuǎn)量、車輪硬度、制動形式及基礎(chǔ)制動裝置制造尺寸等方面。通過對段修車檢修輪對磨耗情況的調(diào)研、分析，總結(jié)了磨耗規(guī)律，提出了改進(jìn)措施，結(jié)論表明，推廣應(yīng)用新型車輪以提高車輪踏面及輪輞硬度、進(jìn)一步提高制動梁、閘瓦托制造、檢修質(zhì)量，嚴(yán)格控制各項尺寸在公差范圍之內(nèi)是降低車輪踏面磨耗并使車輪踏面磨耗均勻化的有效途徑。此次調(diào)研是為了通過對運用貨車輪對故障現(xiàn)象的分析，總結(jié)規(guī)律，查找損傷產(chǎn)生原因，提出改進(jìn)措施，降低軸承等零部件的損傷，降低輪對旋修量，提高生產(chǎn)效率，經(jīng)濟(jì)效益，保證貨車運行平穩(wěn)性，提高車輛運行品質(zhì)。

1 車輪損傷及其危害

1.1 車輪的損傷形式

車輪、輪轂是車輛的重要走行部件，在使用中情況較復(fù)雜，運用情況惡劣及其在材質(zhì)及制造工藝上的缺陷等都會造成車輪的損傷，在車輪故障中，踏面擦傷與剝離、車輪裂紋、車輪踏面熔渣、踏面圓周磨耗、輪緣磨耗、輪緣碾堆等，他們都直接威脅著行車安全。

1.1.1 踏面剝離

1.1.1.1 損傷性質(zhì)

在貨車運用中，車輪踏面剝離主要分為制動剝離、接觸疲勞剝離及擦傷剝離三種，從材料失效的機(jī)理分析，一類是由交變接觸應(yīng)力應(yīng)力引起的接觸疲勞損傷，另一類是由摩擦熱循環(huán)引起的熱疲勞損傷。剝離的產(chǎn)生會加大旋修工作量，降低車輪使用壽命。

1.1.1.2 產(chǎn)生原因

制動剝離是由于制動力不適當(dāng)，閘瓦與車輪接觸部位產(chǎn)生高熱導(dǎo)致車輪踏面金屬相變，輪瓦接觸部位產(chǎn)生高熱，在輪軌接觸應(yīng)力作用下，車輪踏面沿疲勞原形成剝離掉塊現(xiàn)象。

接觸疲勞剝離是由于輪軌接觸應(yīng)力累積所致，當(dāng)車輪踏面的剪切應(yīng)力大于踏面剪切屈服強度時，是車輪踏面表層產(chǎn)生塑性變形，在長期的運行中，踏面表面產(chǎn)生疲勞掉塊而形成剝離。

擦傷剝離是由于車輪與鋼軌之間出現(xiàn)局部摩擦或滑動摩擦，使踏面產(chǎn)生高熱，導(dǎo)致車輪表面金屬相變，當(dāng)緊急制動或制動力過大時，會產(chǎn)生抱閘，在慣性力作用下，車輪會出現(xiàn)滑行或蠕動，較高的摩擦熱會導(dǎo)致車輪踏面產(chǎn)生剝離。

1.1.2 踏面制動熱裂紋

1.1.2.1 損傷形式

車輪踏面制動熱裂紋，一般產(chǎn)生于踏面閘瓦制動方式下，由于制動踏面產(chǎn)生高熱，車輪踏面接觸區(qū)域發(fā)生金相組織變化。

1.1.2.2 產(chǎn)生原因

車輪踏面制動熱裂紋產(chǎn)生原因主要為制動條件惡劣，制動力不適當(dāng)造成的。

1.1.3 踏面擦傷

1.1.3.1 損傷形式

車輪踏面呈現(xiàn)類似橢圓痕跡，該部位局部凹陷，擦傷深度較深時，會減低車輛運行品質(zhì)，并會造成軸承的損傷，嚴(yán)重威脅列車運行安全性。

1.1.3.2 產(chǎn)生原因

在制動過程中，由于如司機(jī)操作不當(dāng)、制動系統(tǒng)不佳等原因造成車輪被抱死，導(dǎo)致輪軌間產(chǎn)生熱摩擦，是車輪踏面局部產(chǎn)生相變，形成踏面擦傷。

1.1.4 踏面熔渣

1.1.4.1 損傷形式

主要表現(xiàn)為車輪踏面局部出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，熔著深度超限將導(dǎo)致車輪無法再次旋修而報廢。

1.1.4.2 產(chǎn)生原因

主要原因為強力制動使閘瓦與車輪踏面之間產(chǎn)生高熱引起的。

1.1.5 踏面圓周磨耗

1.1.5.1 損傷形式

近期我段在輪對檢修中發(fā)現(xiàn)踏面圓周磨耗過限的輪對數(shù)量較多，以往的情況踏面磨耗數(shù)值多為4mm以下，目前踏面磨耗值經(jīng)常達(dá)到6mm甚至10mm以上，嚴(yán)重破壞了輪對踏面的斜度，使車輪輪緣相對高度增加，降低了車輛的運行品質(zhì)，車輪踏面圓周磨耗過限嚴(yán)重威脅著鐵路貨車的運行安全。

1.1.5.2 產(chǎn)生原因

踏面圓周磨耗主要由于制動力不均衡，基礎(chǔ)制動裝置檢修尺寸不合格等造成。

1.1.6 輪緣碾堆

1.1.6.1 損傷形式

輪緣頂部輾堆和輪輞外側(cè)輾寬，會降低車輪使用壽命，還可導(dǎo)致車輪踏面缺損。

1.1.6.2 產(chǎn)生原因

多數(shù)由于過彎道時，鋼軌與車輪輪緣和輪輞外側(cè)處產(chǎn)生接觸應(yīng)力引起。

1.1.7 輪緣磨耗過限

1.1.7.1 損傷形式

輪緣磨耗多與踏面磨耗超限同時發(fā)生，輪緣厚度至磨耗嚴(yán)重者通常能達(dá)到21～22mm。

1.1.7.2 產(chǎn)生原因

貨車提速重載，轉(zhuǎn)向架抗菱強度差、制動力不均衡、車輪材質(zhì)等是造成輪緣磨耗的原因。

1.2 車輪損傷的危害

1.2.1 車輪踏面磨耗

①它破壞了踏面的標(biāo)準(zhǔn)外形，使踏面與鋼軌經(jīng)常接觸部分的錐度變大，使輪對蛇形運動的波長減小，頻率增高，影響車輛運行的平穩(wěn)性。②踏面磨耗使輪緣增高，輪緣過高時會壓壞鋼軌連接螺栓，造成車輛脫軌事故。③踏面磨耗嚴(yán)重時，會造成輾堆而使踏面外側(cè)下垂，當(dāng)通過道岔時，踏面外側(cè)會陷入基本軌與尖軌之間，把基本軌推開，造成脫軌。④增大運行阻力。車輪踏面磨耗后，車輪與鋼軌接觸面積增大，車輪踏面與鋼軌接觸的各點與車軸中心的距離是不同的，踏面與鋼軌接觸各點的滾動距離也不相同，而鋼軌各處縱向長度是相同的，這樣車輪與鋼軌必然會產(chǎn)生局部滑動摩擦。踏面磨耗嚴(yán)重，踏面與鋼軌接觸各點與車軸中心距離的偏差越大，則運行的摩擦阻力也越大。⑤車輪踏面圓周磨耗超限后踏面即呈圓形踏面，會破壞踏面的作用，車輪通過道岔時，車輪與鋼軌的有效搭載量減少并外移，使踏面外側(cè)產(chǎn)生輾堆，同時會使踏面磨耗，輪緣的相對高度增加。

1.2.2 車輪輪緣偏磨

車輪輪緣偏磨，增加了運行中車輛的振動，對車輛零部件有損傷，容易引起零部件的松弛，特別是縮短了軸承的使用壽命。

1.2.3 輪緣厚度磨耗

輪緣厚度磨耗危害使輪軌間橫向游隙增加，在通過曲線是減小了車輪在內(nèi)測鋼軌上的搭載量，容易脫軌；在通過直線時，增加了車輛的橫動量，使運行平穩(wěn)性變差；輪緣根部易產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而造成輪緣缺損，影響運行安全。

1.2.4 輪緣垂直磨耗

輪緣垂直磨耗使車輪通過道岔時，輪緣有可能爬上尖軌造成擠岔或脫軌。

1.2.5 車輪踏面擦傷

車輪踏面擦傷會降低列車運行的平穩(wěn)性，產(chǎn)生震動并對軸承等部件產(chǎn)生危害。

1.2.6 車輪踏面剝離

車輪踏面剝離會降低車輪使用壽命，造成經(jīng)濟(jì)損失。

2 車輪踏面圓周磨耗及輪緣磨耗情況調(diào)查

近期我段在輪對檢修中發(fā)現(xiàn)踏面圓周磨耗過限的輪對數(shù)量較多，以往的情況踏面磨耗數(shù)值多為4mm以下，目前踏面磨耗值經(jīng)常達(dá)到6mm甚至10mm以上，嚴(yán)重破壞了輪對踏面的斜度，使車輪輪緣相對高度增加，降低了車輛的運行品質(zhì)，車輪踏面圓周磨耗過限嚴(yán)重威脅著鐵路貨車的運行安全，為進(jìn)一步了解列車運行中車輪踏面及輪緣磨耗形成因素，對太北輪對車間2016年1季度段修車檢修輪對輪緣、踏面磨耗過限輪對進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計分析，并對車輪踏面及輪緣磨耗的現(xiàn)車情況進(jìn)行了分析調(diào)研，情況如下：

2.1 段修車檢修輪對調(diào)研

2016年1季度太北車輛段太北輪對車間收入檢修輪對10804對，其中旋修輪對5896對，旋修原因為踏面圓周磨耗導(dǎo)致輪徑差過限及輪緣磨耗過限的共計4105對，占檢修輪對的38%，占旋修輪對數(shù)的70%。

2.1.1 按轉(zhuǎn)向架型號統(tǒng)計情況

轉(zhuǎn)向架抗菱強度低、彈簧撓度小等因素都會使車輛在運行中引起車輪的損傷，為此我們對1734輛車，共計6936條輪對進(jìn)行了調(diào)研，按照轉(zhuǎn)向架的型號對輪對踏面磨耗及輪緣磨耗等損傷形式進(jìn)行了調(diào)研，調(diào)查情況如表1。

2.1.2 按車輪位數(shù)分析

為了進(jìn)一步調(diào)查車輪踏面磨耗及輪緣磨耗是否與列車牽引有關(guān)，我們對檢修的90輛X1K型專用車的輪對（共計輪對360）進(jìn)行了調(diào)研，按輪位對磨耗情況進(jìn)行了分析，具體情況見表2。

2.1.3 按同一輪對單側(cè)車輪磨耗與兩側(cè)車輪同時磨耗進(jìn)行統(tǒng)計

根據(jù)日常檢修中輪對磨耗情況的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我們對段修檢修的360條輪對踏面及輪對尺寸進(jìn)行測量，從車輪踏面及輪緣同一輪對是否兩側(cè)同時磨耗或僅僅一側(cè)車輪磨耗進(jìn)行調(diào)研，具體調(diào)研情況如表3。

2.2 車輪圓周磨耗調(diào)查結(jié)論

通過對現(xiàn)場車輪踏面磨耗的調(diào)研，得出以下結(jié)論：①轉(zhuǎn)K4型轉(zhuǎn)向架磨耗超限輪對比例較大，轉(zhuǎn)K2型轉(zhuǎn)向架磨耗超限輪對比例較小。② 1、2、3、4位車輪磨耗超限比例較大，5、6、7、8位車輪磨耗超限比例較小。③兩側(cè)磨耗車輪所占比例較小。④同一輪對兩側(cè)車輪均發(fā)生磨耗的輪對主要表現(xiàn)為：轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架發(fā)生在車輛3、4位，轉(zhuǎn)K2型轉(zhuǎn)向架發(fā)生在車輛7、8位。⑤同一轉(zhuǎn)向架的輪對不是同時發(fā)生磨耗。⑥從輪對磨耗的情況來看，磨耗數(shù)值在5-11mm之間，且磨耗值為6-7mm的數(shù)量較多，說明轉(zhuǎn)向架輪緣踏面磨耗到一定程度后磨耗即停止。

3 車輪踏面磨耗的原因分析

3.1 制動力不均衡，使輪對一側(cè)受強烈的制動力

同一輪對只有一個車輪的輪緣踏面發(fā)生磨耗，說明該車不是由于蛇形失穩(wěn)造成的，發(fā)生蛇形失穩(wěn)時2個車輪同時發(fā)生磨耗，通過對閘瓦偏磨的調(diào)研以及從制動梁偏移和輪緣與閘瓦磨耗形態(tài)來看，判斷輪緣磨耗主要為輪瓦磨耗，而非輪軌磨耗，強力的制動使制動梁偏移，一側(cè)閘瓦貼靠輪緣，另一側(cè)閘瓦遠(yuǎn)離輪緣，制動梁偏移后，兩閘瓦的制動力不均衡，造成制動力大的一側(cè)車輪加劇磨耗。

3.2 基礎(chǔ)制動裝置組裝別勁，貨車在運行中制動力不均衡

基礎(chǔ)制動裝置組裝別勁，貨車在運行中制動力不均衡使制動力過大的一端，閘瓦與車輪磨耗嚴(yán)重，在基礎(chǔ)制動裝置別勁的同時，在車輛的頻繁制動緩解作用下，制動梁端軸及套筒不同程度的磨損，使得制動梁在緩解狀態(tài)下靠自身重量恢復(fù)不到原位，閘瓦始終離不開車輪踏面的某個部位，也是造成車輪踏面磨耗的原因之一。

3.3 基礎(chǔ)制動裝置組裝時，各配合部位組裝不合理、組裝質(zhì)量差等

基礎(chǔ)制動裝置組裝時，各配合部位組裝不合理、組裝質(zhì)量差等原因造成基礎(chǔ)制動裝置別勁，特別是制動梁別勁，使得固定杠桿（移動杠桿）與車體縱向鉛垂面的夾角超限，從而形成制動梁兩端的制動力不均勻，制動力過大的一端，閘瓦與車輪踏面磨耗嚴(yán)重。在車輛的頻繁制動緩解作用下，加劇了車輪踏面磨耗。轉(zhuǎn)向架的各部分尺寸均有定位，只有嚴(yán)格按照技術(shù)要求組裝，才能保證各部分達(dá)到合理的作用位置。如果組裝尺寸不當(dāng)，很容易造成組裝后的轉(zhuǎn)向架在運用中產(chǎn)生“八”字形變形，使得轉(zhuǎn)向架兩側(cè)固定軸距差過大，這樣勢必會使轉(zhuǎn)向架一側(cè)車輪輪緣貼緊鋼軌，加劇磨耗。

3.4 貨車緩解不良及長大坡道制動

通過對運用貨車運行中出現(xiàn)的制動系統(tǒng)緩解不良故障的調(diào)查以及閘瓦磨耗過限情況的統(tǒng)計調(diào)查，貨車緩解不良及長大坡道制動也是造成踏面磨耗過限的重要因素。

4 車輪踏面及輪緣磨耗的改進(jìn)意見及措施

通過對段修車檢修車輪踏面磨耗及輪緣磨耗情況的調(diào)研及現(xiàn)車車輪、閘瓦磨耗情況調(diào)研，分別從轉(zhuǎn)向架形式、車輪位數(shù)、輪瓦磨耗、輪軌磨耗等方面對車輪磨耗進(jìn)行調(diào)研，并對影響鐵路貨車車輪磨耗的主要原因進(jìn)行分析，表明貨車軸重、貨物周轉(zhuǎn)量、車輪硬度、制動形式及基礎(chǔ)制動裝置制造尺寸等方面與車輪踏面磨耗及輪緣磨耗均存在一定的關(guān)系。為降低車輪踏面磨耗及輪緣磨耗，提出以下改進(jìn)措施，推廣應(yīng)用新型C級鋼車輪以提高車輪踏面及輪輞硬度、進(jìn)一步提高檢修質(zhì)量，嚴(yán)格控制各項尺寸在公差范圍之內(nèi)等措施是降低車輪踏面磨耗并使車輪踏面磨耗均勻化的有效途徑，對降低修車成本、提高生產(chǎn)效率，確保行車安全等具有積極的意義。具體改進(jìn)意見及措施如下：①進(jìn)一步提高制動梁、閘瓦托制造、檢修質(zhì)量，嚴(yán)格控制各項尺寸在公差范圍之內(nèi)。②借鑒客車制動技術(shù)，貨車制動采用如電阻制動、盤形制動等新型制動技術(shù)，減少列車縱向沖動，同時也可減少輪對的磨耗。③我國貨車采用的軸重系列21t、23t、25t、27t、30t，軸重的區(qū)別僅僅是采用了不同的輪型（D型輪對、E型輪對、F型輪對）及不同的軸型（D軸、E軸、F軸），車輪使用HEZA（B、C、D）、HESA、HDS、HFS、HFZ等型車輪，HEZB、HESA型車輪采用ZL-B和CL60鋼，HFS、HFZ型車輪采用的ZL-C型和CL70鋼，而國外如澳大利亞、南非、巴西等重載貨車大軸重車輪通常采用AARC級鋼，強度及耐磨性均優(yōu)于ZL-B和CL60鋼，如因此改進(jìn)車輪材質(zhì)，如降低車輪鋼硫含量，保持車輪的韌性，另外，硅在鋼中不形成碳化物，以固溶體形態(tài)存在于鐵素體中或奧氏體中，采用硅合金化工藝生產(chǎn)的重載車輪同樣可減少車輪磨耗，延長車輪使用壽命。④在檢修時要嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求，確保落成后投入使用的轉(zhuǎn)向架各部件配合尺寸、技術(shù)狀態(tài)達(dá)到最佳狀態(tài)。并做好單車試驗，尤其對閘調(diào)器性能試驗、空重車性能試驗及制動缸推桿復(fù)位試驗嚴(yán)格試驗。⑤運用車間加強試風(fēng)檢查，及時發(fā)現(xiàn)并處理緩解不良故障，對于閘瓦厚度過限的要及時更換，以免造成輪對踏面偏磨。

5 結(jié)論

隨著貨車高速重載的發(fā)展，輪軌磨耗問題日趨嚴(yán)重，每年都給鐵路運輸業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，近期我段在輪對檢修中發(fā)現(xiàn)踏面圓周磨耗過限的輪對數(shù)量較多，以往的情況踏面磨耗數(shù)值多為4mm以下，目前踏面磨耗值經(jīng)常達(dá)到6mm甚至10mm以上，嚴(yán)重破壞了輪對踏面的斜度，使車輪輪緣相對高度增加，降低了車輛的運行品質(zhì)，車輪踏面圓周磨耗過限嚴(yán)重威脅著鐵路貨車的運行安全，為進(jìn)一步了解列車運行中車輪踏面及輪緣磨耗形成因素，其解決與否直接影響到鐵路的快速發(fā)展。本文分別從轉(zhuǎn)向架形式、車輪位數(shù)、輪瓦磨耗、輪軌磨耗等方面對車輪磨耗進(jìn)行調(diào)研，并將影響鐵路貨車車輪磨耗的主要因素歸結(jié)為貨車軸重、貨物周轉(zhuǎn)量、閘瓦質(zhì)量、車輪硬度、制動形式、閘調(diào)器作用影響及基礎(chǔ)制動裝置制造尺寸等方面。通過對段修車檢修輪對磨耗情況的調(diào)研、分析，總結(jié)了磨耗規(guī)律，提出了改進(jìn)措施，結(jié)論表明，推廣應(yīng)用新型C級鋼車輪以提高車輪踏面及輪輞硬度、進(jìn)一步提高制動梁、閘瓦托制造、檢修質(zhì)量，嚴(yán)格控制各項尺寸在公差范圍之內(nèi)、加強對閘調(diào)器在運用中正確使用、控制同一輪對兩車輪的輪徑差、研制新型高摩合成閘瓦等措施是降低車輪踏面磨耗并使車輪踏面磨耗均勻化的有效途徑；鐵路貨車采用狀態(tài)修的維修管理辦法是控制和降低輪緣磨耗發(fā)生的有效手段。提出的建議可為改善車輪磨耗，降低檢修勞動量，確保運輸安全具有實際意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 楊紹清，陳雷.鐵路貨車段修技術(shù)與管理[M].北京：中國鐵道出版社，2004：145-147.

[2] 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，2009：9-32.

[3] 鐵路貨車輪軸組裝、檢修及管理規(guī)則[M].北京：中國鐵道出版社，2007：14-16.

[4] 鐵路貨車制動裝置檢修規(guī)則[M].北京：中國鐵道出版社，2008：81-109.

[5] 中國鐵路總公司運輸局關(guān)于印發(fā)《C80E（H、F）型通用敞車段修技術(shù)要求（暫行）》的通知（運輛貨車函〔2015〕503號）.