大秦線重載車輛車輪磨損分析及解決方案

張 亮

(大秦鐵路股份有限公司湖東車輛段，山西 大同 037300)

0 引言

目前，我國重載運(yùn)輸發(fā)展已歷經(jīng)14年：從2003年8月全路首列重載萬噸列車于安太堡發(fā)車，到2003-09-01起在大秦線試運(yùn)行萬噸重載列車列入正式運(yùn)行圖；再到2004-12-12首列2萬噸重載列車從里八莊發(fā)車試驗(yàn)成功；以及到2014-04-02首列3萬噸重載列車從袁樹林發(fā)車運(yùn)行試驗(yàn)圓滿成功，太原鐵路局一直引領(lǐng)全路重載運(yùn)輸發(fā)展方向(注：原北京鐵路局大同鐵路分局2004年12月改制為大秦鐵路股份有限公司，太原鐵路局控股，安太堡、里八莊、袁樹林均為大同鐵路分局管轄)，而C80型車輛自2004年2月投入大秦線后，一直承擔(dān)著重載運(yùn)輸主型貨車的角色，主要用于編組單元萬噸、組合萬噸和2萬噸組合列車，占到大秦線運(yùn)用車總量的近70%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全路18%的重載列車牽引里程幾乎承擔(dān)了90%以上的重點(diǎn)物資的發(fā)送量。即使到如今，也僅有大秦線以常態(tài)化開行2萬噸列車為主，日均開行50對以上，其它呼局、沈陽局則只開行萬噸列車，大秦線重載運(yùn)輸在全路處于舉足輕重的地位，C80重載車輛的運(yùn)行安全不容忽視。

近年來，隨著C80型車輛的不斷投入，累計(jì)已達(dá)到36 348輛，其中湖東段配屬33 348輛、集通公司配屬3 000輛，檢修周期以走行公里和定期檢修周期相結(jié)合，入段廠修、段修以湖東段為主，日均廠段修80輛、月均2 400輛。運(yùn)行區(qū)段主要是太原局管內(nèi)大秦線及其關(guān)聯(lián)的北同蒲線、遷曹線和呼局管內(nèi)大包線、大準(zhǔn)線等，其中大秦線約600 km運(yùn)行區(qū)段中，沿途曲線、坡道、鋼軌、軌距、線路狀況是相對固定的，運(yùn)行區(qū)段相對單一。從歷年的重載車輛故障來看，C80型貨車車輪磨損(圓周磨耗、輪緣到限)仍是主要故障之一。湖東段每年臨修C80車換輪：2013年8 311輛，2014年11 649輛、2015年6 092輛、2016年6 781輛，日均23～44輛，其中90%因車輪圓周磨耗、輪緣到限而扣修，且呈現(xiàn)集中到限的趨勢，對運(yùn)輸組織產(chǎn)生較大影響，同時(shí)直接影響車輛的運(yùn)行品質(zhì)，形勢嚴(yán)峻，亟待解決。

1 車輪磨損分析

結(jié)合大秦線重載車輛運(yùn)行路況、輪軌關(guān)系、車型結(jié)構(gòu)和檢修周期的特點(diǎn)，分析造成車輪圓周磨耗、輪緣磨耗集中到限的原因，主要與運(yùn)行線路、閘瓦外形、檢修限度等因素有關(guān)，分析結(jié)果如下：

1.1 線路軌距差異大

通過上述分析測算，車輪輪緣外側(cè)與鋼軌內(nèi)側(cè)的“間隙”為-1.6～13.4 mm，波動(dòng)范圍較大。(1)當(dāng)鋼軌軌距為最小、車輪輪緣外側(cè)間距離為最大時(shí)，輪緣外側(cè)與鋼軌直接接觸，發(fā)生咬合(尺寸重疊)，并磨耗；在此情況下，最易造成鋼軌、輪緣異常磨耗。(2)雖然軌枕是統(tǒng)一模型定制，其橫向的軌距也相對固定，但是由于鋼軌的韌性，鋼軌與軌枕鋪設(shè)后，線路“局部”呈S型曲線分布。在正常運(yùn)行過程中，車輪運(yùn)行到“局部”曲線區(qū)段時(shí)，仍保持直線運(yùn)行，造成一側(cè)輪緣外側(cè)與鋼軌距離加大，特別是受線路不平順、彎道的橫向載荷作用，加上車輛運(yùn)行中自身的慣性作用，一側(cè)輪緣外側(cè)與鋼軌距離減小，“蛇行運(yùn)動(dòng)”過程中輪緣與鋼軌間頻繁接觸，加劇了輪緣外側(cè)與鋼軌間的磨耗(如圖示1所示)；磨耗較大時(shí)，現(xiàn)場可聽到刺耳的“磨刀”聲，也可觀察到車輛左右晃動(dòng)。

圖1 輪緣一側(cè)偏磨的情況示例圖

在此情況下，由于車軸在承載的情況下變形較小，不足1 mm(見表1)，在暫不考慮車軸承載變形引起的復(fù)雜磨耗時(shí)，輪緣根部與踏面成為主要受力面，加之踏面受蛇行運(yùn)行橫向載荷的作用，加劇輪緣根部、踏面間的磨耗，踏面原有的坡度趨于平緩，失去原有“錐形”踏面的對中作用，加劇了車輪踏面的圓周磨耗和輪緩厚度的磨耗，同時(shí)也易造成重傷鋼軌的惡性循環(huán)。

表1 大秦線主型車軸相關(guān)部位的彎曲變形(mm)表

1.2 車輪加修尺寸限度

根據(jù)《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》規(guī)定，廠、段修輪對加修均有明確要求，如圖示2所示。從車輪輪緣踏面外形和車輪輪緣踏面(LM型)外形系列尺寸(見表2)中可以看出，不同尺寸下的外形系列尺寸A、B、C值是不一樣的，特別是C值，越小，R100弧度越長，相應(yīng)的B值輪緣厚度也越大，踏面弧度起到自動(dòng)對中的作用。

圖2 車輪輪緣踏面(LM型)外形及尺寸示意圖(單位：mm)

型號(hào)ABCRLM原型16321.250LM-31.51531.51.750LM-3115312.250LM-301530.23.250LM-29.51529.53.750LM-2915294.250LM-281528.25.251LM-27.51527.55.251LM-2714275.251LM-261426.25.251

事實(shí)上，新造車輪的輪緣厚度往往>32 mm，相當(dāng)于儲(chǔ)備了一定的預(yù)備磨耗量。因此，運(yùn)用中很少發(fā)現(xiàn)運(yùn)行一個(gè)段修期內(nèi)(2年或40萬公里)發(fā)生輪緣磨耗過限、踏面磨耗過限的情況。而在做段修施修時(shí)，按輪緣厚度≥26 mm、踏面圓周磨耗段修≤5 mm即可，則運(yùn)用中輪緣厚度余量僅為3 mm、圓周磨耗僅為3 mm，相比原型余量比分別為11∶3和8∶3，差距是明顯的。

1.3 閘瓦外型尺寸與輪緣踏面非正常摩擦

大秦線C80型敞車全部統(tǒng)一裝用HGM-D型高摩合成閘瓦。高摩合成閘瓦鋼背外弧：R450，閘瓦厚度：45 mm，則構(gòu)成閘瓦摩擦體的內(nèi)圓直徑為(450-45)×2=810 mm，而車輪外形尺寸為直徑840 mm，顯然閘瓦摩擦體構(gòu)成的圓弧直徑要小于車輪的直徑，即閘瓦摩擦體、車輪踏面之間有一定的間隙，如圖示3所示。

圖3 車輪輪緣、踏面與閘瓦摩擦體配合示意圖(單位：mm)

從圖示可看出，閘瓦摩擦體雖然有導(dǎo)角，但由于車輪踏面有R14、R100、R220的過渡圓弧，閘瓦與過渡圓弧接觸點(diǎn)處于踏面基點(diǎn)向上10 mm左右；按車輪輪輞寬度135 mm，輪緣厚度32 mm，車輪外側(cè)導(dǎo)角5 mm測算，踏面過渡圓弧就分布在(135-32-5)=98 mm的范圍內(nèi)。當(dāng)制動(dòng)時(shí)，閘瓦平行推進(jìn)后與車輪踏面接觸：首先由閘瓦摩擦體局部(圖中陰影部分)與車輪踏面進(jìn)行接觸，摩擦部位主要是輪緣根部，屬先期非正常摩擦；當(dāng)摩擦體的局部與踏面過渡圓弧摩擦到外形吻合后，閘瓦與車輪踏面才進(jìn)行整體的正常接觸摩擦；一定程度上閘瓦的局部先期磨耗，加劇了車輪踏面對中弧度的磨耗，導(dǎo)致對中能力下降的惡性循環(huán)，進(jìn)一步加劇車輪踏面的磨耗，如圖示4所示。通常情況下，在一個(gè)段修期內(nèi)，車輪踏面圓周磨耗在3.675～4.65 mm之間，而輪緣剩余厚度是30 mm左右，當(dāng)輪緣根部成為主要磨耗部位，進(jìn)而導(dǎo)致在鏇修時(shí)要鏇掉突出的輪緣高度，同時(shí)在踏面平面再鏇出R14、R100、R220的過渡圓弧，其整體的鏇修量將進(jìn)一步加大。

圖4 閘瓦與車輪踏面、輪緣根部磨耗示例圖

1.4 輪軌硬度匹配

大秦線所用鋼軌普及為75 kg/M的重型鋼軌，其它線路則以60 kg/M為主，由于從60 kg/M標(biāo)準(zhǔn)提高到75 kg/M，在整體的強(qiáng)度、硬度上有了較大的提高，特別是鋼軌頭部，是經(jīng)特殊處理的，其耐磨性和強(qiáng)度、硬度有較大提高；而車輛的車輪材質(zhì)，以CL60車輪鋼牌號(hào)為例，輪輞表面的HBS硬度270以上，踏面下30 mm的HBS硬度為265以上，相差5，提高僅為1.8%，但是在鏇修的情況下，鏇修后表面無法進(jìn)行熱處理，硬度相比新造是下降的，車輪踏面的硬度則隨段修次數(shù)，硬度呈越來越低的趨勢；與此同時(shí)，車輛的載重由60 t提高到80 t，車輛軸重由21 t提高到25 t、27 t軸重，提高比例為19%，也就是鋼軌硬度提高、車輛載重增加而車輪硬度相對不變的情況下，三者間發(fā)生磨耗的可能性增加。

1.5 固定編組、固定區(qū)段與固定朝向的運(yùn)行組合

由于大秦線對C80車實(shí)行了客車化管理，管內(nèi)普及整列編組萬噸、2萬噸列車實(shí)行點(diǎn)對點(diǎn)、環(huán)線裝卸車，導(dǎo)致固定編組、固定區(qū)段與固定朝向車輛的運(yùn)行路況“基本不變”，尤其是車輪輪緣、踏面與鋼軌出現(xiàn)周期性的接觸，一定程度上形成了規(guī)律，即運(yùn)行到某一路段一定接觸、到某一路段一定擺動(dòng)，造成了車輪輪緣、踏面與鋼軌同一部位周期性的磨耗。

2 解決方案

通過上述分析，在嚴(yán)格落實(shí)檢修工藝、提高檢修質(zhì)量的同時(shí)，為進(jìn)一步降低重載車輛車輪的磨耗速度，避免集中到限造成的檢修和運(yùn)輸壓力，提出如下建議：

2.1 適當(dāng)增加線路軌距

2.2 適當(dāng)提高檢修限度

在嚴(yán)格執(zhí)行廠修、段修檢修工藝標(biāo)準(zhǔn)的前提下，對于實(shí)行走行公里檢修的長交路車輛，在車輪加修時(shí)應(yīng)按上限執(zhí)行，甚至恢復(fù)原型，確保檢修后車輪磨耗有足夠余量，滿足一個(gè)檢修期內(nèi)的運(yùn)行需求和運(yùn)行安全。

圖5 輪軸受力變形示意圖

2.3 改進(jìn)閘瓦摩擦體的外形尺寸

在基本工藝標(biāo)準(zhǔn)不變的情況下，對閘瓦摩擦體外形應(yīng)充分考慮車輪踏面外形，確保第一時(shí)間實(shí)現(xiàn)全面接觸和吻合；再充分考慮現(xiàn)場更換的需要，可將閘瓦摩擦體既有的內(nèi)平面改為梯形平面或按車輪踏面原型外形進(jìn)行定制，最大限度減少閘瓦對車輪輪緣根部與踏面的先期磨耗。

2.4 改進(jìn)車輪材質(zhì)和外形尺寸

在充分考慮鋼軌材質(zhì)差異、日常打磨強(qiáng)度差異的情況下，車輪的材質(zhì)取其適合的最小磨耗量的指標(biāo)值，對車輪材質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)還需充分考慮75 kg/M的重型鋼軌和60 kg/M標(biāo)準(zhǔn)鋼軌軌頭的差異，對車輪外形進(jìn)行改進(jìn)，包括適當(dāng)增大車輪外型直徑，綜合輪徑大小不同、輪軌接觸面積受力不同的情況，適應(yīng)不同鋼軌、不同載重車輛，最大限度減少非正常的磨耗。

2.5 適當(dāng)調(diào)整整列編組的朝向

鑒于大秦線主要卸車站、裝車站基本實(shí)現(xiàn)環(huán)線裝卸車的特點(diǎn)，對實(shí)現(xiàn)客車化管理的循環(huán)列車，每10個(gè)周期進(jìn)行一次朝向調(diào)整；同時(shí)為減少編組站、組合站的調(diào)整朝向?qū)\(yùn)輸組織的影響，建議在特定中間站增設(shè)適合萬噸、2萬噸編組列車調(diào)整朝向的“環(huán)島”(圖6)，便于進(jìn)行周期性朝向調(diào)整。

圖6 “環(huán)島”示意圖

3 結(jié)語

綜上所述，重載車輛是重載運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，是鐵路創(chuàng)新發(fā)展及新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝集中應(yīng)用的重要體現(xiàn)，特別是重載車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、檢修標(biāo)準(zhǔn)、材料配件應(yīng)用、整體性能要求及運(yùn)行環(huán)境對重載運(yùn)輸安全來說，是一個(gè)整體的互動(dòng)和共贏。大秦線重載車輛作為重載運(yùn)輸?shù)闹餍拓涇嚽臆囕v車輪磨損作為主要故障，其研究解決的意義重大。在總結(jié)多年重載運(yùn)輸經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)多角度、全方位去分析研判導(dǎo)致車輪磨損的因素，突破傳統(tǒng)思維，著力從輪軌、輪瓦關(guān)系的匹配，車輪材質(zhì)、車輛配件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，車輛的檢修標(biāo)準(zhǔn)、車輛運(yùn)行環(huán)境的調(diào)整等方面入手，包括借鑒、吸收、消化C80E大輪徑(915輪徑)車輪低磨耗的成功經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮內(nèi)在和外在的因素，攻堅(jiān)克難，以創(chuàng)新思維來解決問題，全面準(zhǔn)確分析大秦線重載車輛車輪磨損集中到期原因，對既有重載車輛的運(yùn)行品質(zhì)提高和新造重載車輛研究策略，提供了可借鑒的參考，具有深遠(yuǎn)的意義，能夠不斷適應(yīng)運(yùn)輸組織的變化，有效地防范輪對故障風(fēng)險(xiǎn)隱患，提高運(yùn)輸效率，確保車輛的運(yùn)行安全，服務(wù)于運(yùn)輸大局。

[1]周 磊，陳 雷.鐵路貨車科普培訓(xùn)教材-鐵路貨車主要結(jié)構(gòu)與使用[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

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