貨車輪緣異常磨耗原因分析及建議

白正方

（中國鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司 車輛處，河南 鄭州 450052）

1 問題提出

輪軸作為貨車的重要部件，承擔(dān)著貨車承載、走行的功能，是直接關(guān)系到鐵路貨車行車安全的關(guān)鍵部件[1-3]。2014年12月鐵路調(diào)圖后，大幅增開120 km/h貨物列車，鐵路運(yùn)輸對(duì)輪軸的技術(shù)狀態(tài)提出了更高要求，但貨車運(yùn)用中發(fā)生的車輪磨耗、擦傷、剝離、輪緣偏磨等故障依然較多，這些故障已成為貨車運(yùn)行安全的最大隱患。近年來，中國鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱鄭州局集團(tuán)公司）貨車運(yùn)用部門已發(fā)現(xiàn)多起車輪輪緣嚴(yán)重偏磨情況（見圖1），危及鐵路行車安全。

貨車輪緣異常磨耗不但縮短車輪的使用壽命，影響貨車通過曲線和道岔的可靠性，降低列車運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性，更會(huì)導(dǎo)致貨車脫軌、顛覆等安全事故，給鐵路運(yùn)輸帶來巨大安全隱患。

2 貨車輪緣厚度超限故障統(tǒng)計(jì)

根據(jù)HMIS統(tǒng)計(jì)，2016—2017年鄭州局集團(tuán)公司管內(nèi)列檢發(fā)現(xiàn)輪緣厚度超限、站修更換的輪對(duì)共計(jì)190條。輪緣厚度超限故障的輪位分布情況見表1。

由表1可知：

（1）貨車運(yùn)用中輪緣存在異常磨耗，表現(xiàn)為不同輪位的輪緣磨耗不均，四、六位車輪輪緣厚度超限數(shù)量明顯高于其他輪位，分別占故障總數(shù)的35.3%、32.1%；

（2）載質(zhì)量70 t貨車因檢修周期等因素，輪緣磨耗明顯高于載質(zhì)量60 t貨車，C70、C70E、C70H、P70型貨車輪緣厚度超限故障分別為51、21、18、24條，占此類故障總數(shù)的60%。

3 磨耗情況現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

2016年10—12月，對(duì)新密車站5列272輛貨車進(jìn)行調(diào)查，其中重車151輛、空車121輛，在制動(dòng)狀態(tài)下實(shí)測(cè)2 176個(gè)閘瓦外側(cè)的車輪踏面寬度數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)梁發(fā)生橫向位移現(xiàn)象較多，主要表現(xiàn)為制動(dòng)梁一端閘瓦靠近、磨損輪緣，另一端閘瓦遠(yuǎn)離輪緣、甚至出現(xiàn)偏出踏面現(xiàn)象（見圖2）。

圖1 車輪輪緣異常磨耗、連續(xù)缺損情況

表1 輪緣厚度超限故障的輪位分布情況

圖2 同一車輛同一制動(dòng)梁兩端閘瓦形態(tài)

制動(dòng)梁與側(cè)架滑槽采用間隙配合，允許在合理范圍內(nèi)左右偏移；同時(shí)考慮輪對(duì)、制動(dòng)梁的檢修限度，閘瓦作用于車輪踏面的位置略有不同。根據(jù)名義尺寸計(jì)算，制動(dòng)梁居中時(shí)，閘瓦與輪緣的間隙為[4-5]：（1 524-85-1 353-32-32）/2=11 mm；閘瓦外側(cè)車輪踏面寬度為：135-32-85-11=7 mm。其中：135為車輪輪輞寬度；1 524為制動(dòng)梁兩閘瓦托中心距離；85為閘瓦寬度；1 353為貨車輪對(duì)內(nèi)側(cè)距離；32為車輪輪緣厚度。

若以制動(dòng)梁兩端閘瓦外側(cè)的車輪踏面寬度差≤10 mm視為正位、＞10 mm視為偏移，調(diào)查中則發(fā)現(xiàn)貨車制動(dòng)梁的正位率為25.4%（重車23.8%、空車27.3%），偏移率為74.6%（重車76.2%、空車72.7%）。制動(dòng)梁偏移情況見表2、表3。

表2 空車狀態(tài)制動(dòng)梁偏移統(tǒng)計(jì)

表3 重車狀態(tài)制動(dòng)梁偏移統(tǒng)計(jì)

當(dāng)閘瓦外側(cè)的踏面寬度超過135-32-85=18 mm，說明此時(shí)對(duì)側(cè)閘瓦已接觸并磨損輪緣。實(shí)測(cè)的2 176個(gè)車輪中，閘瓦接觸并磨損輪緣的共661個(gè)，占比30.4%；其中空車239個(gè)、占比24.7%，重車422個(gè)、占比34.9%?？?、重車狀態(tài)下閘瓦接觸或磨損輪緣的具體情況見表4、表5。

通過對(duì)制動(dòng)梁偏移、閘瓦磨損輪緣的調(diào)查分析可知：

（1）運(yùn)用中制動(dòng)梁向一側(cè)偏移現(xiàn)象十分普遍，并與閘瓦磨損輪緣存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

（2）中拉桿結(jié)構(gòu)的貨車在空、重車狀態(tài)下，制動(dòng)梁偏移趨勢(shì)基本一致，即1、4位制動(dòng)梁易發(fā)生右移，2、3位制動(dòng)梁易發(fā)生左移；

表4 空車狀態(tài)閘瓦接觸、磨損輪緣統(tǒng)計(jì)

表5 重車狀態(tài)閘瓦接觸、磨損輪緣統(tǒng)計(jì)

（3）采用中拉桿結(jié)構(gòu)的貨車，2、3位制動(dòng)梁左移與4、6位車輪輪緣異常磨耗存在位置相符、數(shù)量正比的邏輯關(guān)系；

（4）從上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可以看出：基礎(chǔ)制動(dòng)裝置縱向中心線與轉(zhuǎn)向架（車體）縱向中心線存在一定夾角，1位轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置相對(duì)于轉(zhuǎn)向架多傾向于反時(shí)針偏轉(zhuǎn)，2位轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置多傾向于順時(shí)針偏轉(zhuǎn)。

4 原因分析

根據(jù)上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，制動(dòng)梁發(fā)生偏移、閘瓦磨損輪緣與轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)形式和在運(yùn)行中受力有著密切的關(guān)聯(lián)，以C70型敞車（配裝305X254制動(dòng)缸）為例，對(duì)轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)和受力進(jìn)行分析。

4.1 轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

C70型敞車裝用轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架，轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架采用中拉桿式單側(cè)閘瓦制動(dòng)裝置，由左、右組合式制動(dòng)梁、中拉桿、固定杠桿、游動(dòng)杠桿、鏈?zhǔn)焦潭ǜ軛U支點(diǎn)等組成。其基礎(chǔ)制動(dòng)裝置主要結(jié)構(gòu)見圖3—圖5。

4.2 轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架制動(dòng)梁橫向力分析

4.2.1 制動(dòng)狀態(tài)的制動(dòng)梁橫向力

在緩解狀態(tài)下，制動(dòng)梁雖也受到橫向力作用，但因各部間隙等因素，閘瓦與車輪有一定間隙，不會(huì)造成車輪踏面和輪緣磨損。

制動(dòng)狀態(tài)下，若上拉桿、中拉桿、支點(diǎn)因受制動(dòng)拉應(yīng)力或壓應(yīng)力作用，其中心線均與車輛縱向中心線平行，制動(dòng)力在傳遞過程中不產(chǎn)生橫向分力。但由于轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，縱向傳遞的制動(dòng)力會(huì)對(duì)制動(dòng)梁產(chǎn)生一個(gè)橫向分力，從而導(dǎo)致制動(dòng)梁偏移。

（1）中拉桿傾斜產(chǎn)生的橫向分力。由于固定杠桿與游動(dòng)杠桿的傾斜角度及各圓銷孔間尺寸不同，中拉桿與車輛的縱向中心線并不完全平行，而是有一較小的夾角（見圖4、圖5）。經(jīng)計(jì)算，在制動(dòng)梁居中的情況下，中拉桿兩端的工作銷孔（一端按內(nèi)孔，另一端按中孔）在水平平面內(nèi)的相對(duì)橫向偏移量為34.55 mm，換算成中拉桿的角度為1.792°，在縱向垂直平面內(nèi)的相對(duì)垂向偏移量為20.80 mm，換算成中拉桿的角度為1.079°。制動(dòng)時(shí)，傾斜的中拉桿對(duì)制動(dòng)梁有一個(gè)橫向分力，固定杠桿端制動(dòng)梁所受的橫向力指向無支點(diǎn)座側(cè)，游動(dòng)杠桿端制動(dòng)梁所受的橫向力指向支點(diǎn)座側(cè)。當(dāng)列車主管壓力為500 kPa，制動(dòng)時(shí)空車制動(dòng)缸壓力按140 kPa、重車按360 kPa計(jì)算，空車時(shí)中拉桿的壓力38 707 N[6]，按中拉桿的水平平面內(nèi)角度計(jì)算得出中拉桿的橫向分力為1 210 N；重車時(shí)中拉桿的壓力為99 532 N，計(jì)算得出中拉桿的橫向分力為3 112 N。中拉桿傾斜產(chǎn)生的橫向分力較大，是導(dǎo)致制動(dòng)梁偏移的主要作用力。

圖3 C70型敞車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

圖4 轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

圖5 轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置側(cè)視圖

（2）空、重車支點(diǎn)座高度變化產(chǎn)生的橫向分力。重車狀態(tài)時(shí)，支點(diǎn)座比理想位置低21 mm。制動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)固定杠桿產(chǎn)生一個(gè)向下的分力，由于固定杠桿是傾斜的，因此對(duì)制動(dòng)梁產(chǎn)生一個(gè)橫向分力，指向無支點(diǎn)座側(cè)，也即因固定杠桿支點(diǎn)座位置固定的限制作用，使得2位制動(dòng)梁產(chǎn)生一個(gè)偏向3位車輪的橫向分力，3位制動(dòng)梁產(chǎn)生一個(gè)偏向5位車輪的橫向分力。制動(dòng)時(shí)制動(dòng)梁沿與車輛縱向水平線夾角12°的側(cè)架滑槽向車輪靠近，制動(dòng)梁上移，同時(shí)固定杠桿在縱向垂直平面傾斜角度變小，即固定杠桿由緩解狀態(tài)的傾斜變直立，擴(kuò)大了支點(diǎn)座與固定杠桿的高度差，導(dǎo)致制動(dòng)梁所受的指向無支點(diǎn)座側(cè)的橫向分力增大?？哲嚑顟B(tài)時(shí)，支點(diǎn)座比理想位置高出22 mm。制動(dòng)時(shí)支點(diǎn)座將帶動(dòng)支點(diǎn)和固定杠桿上升，由于固定杠桿是傾斜的，因此對(duì)制動(dòng)梁產(chǎn)生一個(gè)橫向分力，指向有支點(diǎn)座側(cè)。制動(dòng)過程中，制動(dòng)梁沿側(cè)架滑槽上移，縮小了支點(diǎn)座與固定杠桿的高度差，導(dǎo)致制動(dòng)梁所受的指向有支點(diǎn)座側(cè)橫向分力變小。

4.2.2 制動(dòng)梁橫向受力、偏移與輪緣磨耗的關(guān)系

重車狀態(tài)制動(dòng)時(shí)，游動(dòng)杠桿端制動(dòng)梁承受中拉桿傾斜產(chǎn)生的橫向力，向支點(diǎn)座側(cè)移動(dòng)（右移），左側(cè)閘瓦靠近并磨損1、7位輪緣；固定杠桿端制動(dòng)梁承受的中拉桿傾斜產(chǎn)生的橫向力與支點(diǎn)座、杠桿高度差產(chǎn)生的橫向力疊加，推動(dòng)制動(dòng)梁向無支點(diǎn)座側(cè)移動(dòng)（左移），右側(cè)閘瓦靠近并磨損4、6位輪緣；由于4、6位輪緣承受的橫向力最大，因而輪緣磨耗大于其他位車輪，與表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相符。

空車狀態(tài)制動(dòng)時(shí)，游動(dòng)杠桿端制動(dòng)梁均受中拉桿傾斜產(chǎn)生的橫向力，向支點(diǎn)座側(cè)移動(dòng)（右移），左側(cè)閘瓦靠近并磨損1、7位輪緣；固定杠桿端制動(dòng)梁受到中拉桿傾斜產(chǎn)生的橫向力指向無支點(diǎn)座側(cè)，而支點(diǎn)座與杠桿高度差產(chǎn)生的橫向力指向有支點(diǎn)座側(cè)，兩者抵消。對(duì)比表2與表3、表4與表5可知，支點(diǎn)座帶動(dòng)制動(dòng)梁向有支點(diǎn)座側(cè)移動(dòng)的力量較小，不能克服中拉桿傾斜產(chǎn)生的橫向力帶動(dòng)制動(dòng)梁向支點(diǎn)座側(cè)移動(dòng)、復(fù)位，因此固定杠桿端制動(dòng)梁仍處于靠近4、6位車輪輪緣，指向無支點(diǎn)座側(cè)的橫向力雖有部分抵消，但仍磨損4、6位車輪輪緣。

同理，表1中所列的各車型均采用中拉桿式基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)向架，4、6位車輪均為固定杠桿端有支點(diǎn)座側(cè)，因此其輪緣磨耗大于其他位車輪。

4.3 輪徑對(duì)制動(dòng)梁偏移、閘瓦磨損輪緣的影響

輪徑偏小的車輪制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)梁沿側(cè)架滑槽抬升的高度大。重車狀態(tài)會(huì)擴(kuò)大支點(diǎn)座與固定杠桿的高度差，導(dǎo)致制動(dòng)梁所受的指向無支點(diǎn)座側(cè)的橫向分力增大；空車狀態(tài)會(huì)縮小支點(diǎn)座與固定杠桿的高度差，導(dǎo)致制動(dòng)梁所受的指向有支點(diǎn)座側(cè)的橫向分力變小。因此，固定杠桿端的輪徑偏小時(shí)，加劇固定杠桿端有支點(diǎn)座側(cè)車輪的輪緣磨耗。

同一輪對(duì)兩端的輪徑影響側(cè)架滑槽的高度。輪徑偏小端的制動(dòng)梁向下傾斜，在重力作用下產(chǎn)生一個(gè)指向輪徑偏小端的橫向分力。檢修后同一輪對(duì)兩端車輪的直徑差不大于2 mm，運(yùn)用中因車輪圓周磨耗不同直徑差會(huì)略有變化，但因制動(dòng)梁的質(zhì)量（含閘瓦等）僅64.36 kg，制動(dòng)梁傾斜角度小，該橫向分力對(duì)制動(dòng)梁在制動(dòng)狀態(tài)的橫向移動(dòng)影響不大。但若制動(dòng)梁傾斜產(chǎn)生的橫向力與制動(dòng)梁偏移同向時(shí)，會(huì)在車輛運(yùn)行中持續(xù)磨損輪緣。因此，同一輪對(duì)輪徑偏小的車輪位于2、3、5、8位時(shí)，會(huì)加劇1、4、6、7位輪緣磨損；但位于1、4、6、7位時(shí)，并不會(huì)改變制動(dòng)梁的偏移狀態(tài)。

4.4 制動(dòng)梁長(zhǎng)度對(duì)制動(dòng)梁偏移、閘瓦磨損輪緣的影響

轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)梁偏移受到側(cè)架滑槽的限制。經(jīng)計(jì)算，側(cè)架滑槽磨耗板內(nèi)側(cè)橫向間距為，而制動(dòng)梁全長(zhǎng)原型為mm。制動(dòng)梁全長(zhǎng)處于上限時(shí)，在側(cè)架滑槽內(nèi)向左、右側(cè)的偏移量為3.9～14.6 mm；處于下限時(shí)，在側(cè)架滑槽內(nèi)向左、右側(cè)的偏移量為8.4～19.1 mm?？紤]到滑塊磨耗套的磨耗，運(yùn)用中制動(dòng)梁全長(zhǎng)可能低于下限，制動(dòng)梁在側(cè)架滑槽內(nèi)的偏移量更大。制動(dòng)梁偏移量超過閘瓦與輪緣間11 mm的正常間隙后，制動(dòng)梁所受的橫向力通過閘瓦直接作用于輪緣，進(jìn)而磨耗輪緣。因此，控制制動(dòng)梁全長(zhǎng)，若制動(dòng)梁在側(cè)架滑槽內(nèi)的偏移量小于11 mm時(shí)，制動(dòng)梁的橫向力作用于側(cè)架滑槽，并不會(huì)磨損輪緣。

制動(dòng)梁兩閘瓦托中心至支柱中心距離差（簡(jiǎn)稱L差）的段修限度為不大于15 mm。若閘瓦托中心至支柱中心距離較小的一端處于閘瓦靠近輪緣的一側(cè)，即使制動(dòng)梁偏移量不足11 mm，閘瓦仍會(huì)接觸并磨耗輪緣。因此，控制制動(dòng)梁L差，特別是避免將閘瓦托中心至支柱中心距離較小的一端安裝在轉(zhuǎn)向架的固定杠桿端有支點(diǎn)座側(cè)，有利于降低輪緣異常磨耗。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

綜合以上分析得出如下結(jié)論：

（1）轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架是中拉桿結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架，由于中拉桿傾斜、支點(diǎn)座與固定杠桿的高度差導(dǎo)致制動(dòng)梁制動(dòng)時(shí)偏移，制動(dòng)梁全長(zhǎng)較短時(shí)會(huì)產(chǎn)生閘瓦接觸并磨損輪緣。

（2）重車狀態(tài)制動(dòng)時(shí)，固定杠桿端制動(dòng)梁因受固定杠桿支點(diǎn)座位置限制，所受的橫向分力較大，制動(dòng)梁向左側(cè)偏移，偏移量達(dá)到一定程度時(shí)，閘瓦磨損輪緣導(dǎo)致固定杠桿支點(diǎn)座側(cè)車輪的輪緣異常磨耗，是該位輪緣磨耗大于其他輪緣磨耗的主要原因。

（3）游動(dòng)杠桿端制動(dòng)梁所受的橫向力相對(duì)較小，制動(dòng)梁偏移雖然導(dǎo)致無支點(diǎn)座側(cè)車輪的輪緣磨損，但檢修周期內(nèi)不至于發(fā)生批量的輪緣厚度超限。

（4）閘瓦托中心至支柱中心距離較小端、輪徑較小的輪對(duì)更容易導(dǎo)致閘瓦磨損輪緣，若處于固定杠桿端的有支點(diǎn)座側(cè)，會(huì)加劇輪緣異常磨耗。

5.2 建議

（1）在轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)中，優(yōu)化中拉桿在水平面的傾斜角度，適當(dāng)提高支點(diǎn)座高度，改善制動(dòng)梁橫向受力。

（2）在制動(dòng)梁檢修中，盡可能按制動(dòng)梁全長(zhǎng)的上限修復(fù)，控制L差值，限制制動(dòng)梁偏移量，進(jìn)而減少閘瓦磨損輪緣。

（3）轉(zhuǎn)向架組裝時(shí)，盡可能避免將小輪徑的輪對(duì)安在固定杠桿端。

（4）對(duì)現(xiàn)有中拉桿轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，增設(shè)制動(dòng)梁正位或復(fù)位裝置。

（5）在運(yùn)用中，增加檢查確認(rèn)制動(dòng)梁偏移量的要求，即通過側(cè)架三角孔觀察、測(cè)量閘瓦外側(cè)的踏面寬度，當(dāng)外側(cè)寬度大于18 mm時(shí)，要確認(rèn)輪緣磨耗情況，對(duì)輪緣磨耗嚴(yán)重的車輛進(jìn)行扣車處理。