我國重載鐵路貨車車輪旋修及壽命周期研究

王文剛，曹玉峰，邵文東，徐世鋒，孔維剛，王 廠

(1.國能鐵路裝備有限責(zé)任公司，北京 100120；2.中車齊齊哈爾車輛有限公司 大連研發(fā)中心，遼寧 大連 116052)

通過對國能鐵路裝備有限責(zé)任公司的5個檢修分公司調(diào)研發(fā)現(xiàn)，80 t級敞車一個段修期內(nèi)約有70%以上的車輪需進(jìn)行旋修，是所有零部件中修理率最高的零部件。因此車輪是制約車輛相關(guān)高級修程的主要零部件，其壽命周期是制定檢修周期的基數(shù)。車輪的旋修周期決定車輛的檢修周期(圖1)，其他零部件的檢修周期應(yīng)以車輪旋修周期為基數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)車輛檢修周期與零部件檢修周期匹配，有效減少過度分解及過度檢修，達(dá)到提高檢修效率、減少或避免臨修故障，提高列車周轉(zhuǎn)率的目的。綜上所述，掌握車輪的磨耗規(guī)律及磨耗原因，確定合理的車輪旋修周期是制定狀態(tài)修修程的根本和關(guān)鍵所在。

圖1 零部件檢修周期與狀態(tài)修修程關(guān)系圖

1 車輪檢修數(shù)據(jù)分析

2018年10月，中車齊齊哈爾車輛有限公司在肅寧、滄州檢修分公司調(diào)研了186條C80型敞車輪對，并通過軸號、車號、車型等信息確定所檢測車輪的唯一性，以此追蹤該車輪上個段修期是否旋修，并推演車輪磨耗與運(yùn)用里程的關(guān)系。表1為車輪磨耗及旋修情況統(tǒng)計。由表1數(shù)據(jù)對比分析可以看出，同為運(yùn)用一個段修期40萬km，新輪磨耗速率為0.55 mm/105km，較經(jīng)過旋修車輪磨耗速率(0.78 mm/105km)約小29.5%。但實(shí)際運(yùn)用的車輛新輪數(shù)量非常少，僅占段修輪對總數(shù)的1%左右，因此狀態(tài)修模式下的車輪旋修周期應(yīng)以旋修車輪再投入運(yùn)用的磨耗周期為主來制定。

表1 車輪磨耗及旋修情況統(tǒng)計

1.1 車輪踏面圓周磨耗深度分析

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，新旋修車輪運(yùn)用1個段修期，其踏面圓周磨耗深度平均值為3.13 mm。按照1個段修期平均運(yùn)用里程為40萬km推算，其磨耗速率為0.78 mm/105km，其中最大磨耗深度為5.2 mm，車輪踏面圓周磨耗深度超過檢修限度3 mm的比例為47.44%。因此，車輪踏面圓周磨耗深度均未超過運(yùn)用限度(8 mm)，車輪40萬km的旋修周期能夠保證車輛運(yùn)用安全。

1.2 車輪踏面圓周磨耗限度分析

車輪旋修率越少，則檢修經(jīng)濟(jì)性越好；車輪臨修率越高，則車輛運(yùn)用維修經(jīng)濟(jì)性越差，車輛運(yùn)用安全性越低。因此，綜合考慮車輪旋修率和臨修率，制定合理的車輪踏面圓周磨耗限度是降低車輛運(yùn)維成本的關(guān)鍵要素之一。通過對我國重載鐵路貨車車輪磨耗調(diào)研及研究結(jié)果[1-5]分析發(fā)現(xiàn)，車輪踏面圓周磨耗速率基本是線性的，本文將按照車輪踏面圓周方向線性磨耗推演1個段修期車輪旋修率和臨修率。

車輪臨修率預(yù)測方法是將車輪按照耐磨性分為兩類：磨耗超過限度的耐磨性較差的車輪均需旋修，下一個段修期磨耗從“0”開始推算，運(yùn)用1個段修期車輪踏面圓周磨耗深度超過運(yùn)用限度8 mm的比例；磨耗小于限度的耐磨性較好的車輪不旋修，下一個段修期磨耗最大從“磨耗限度”開始推算，運(yùn)用1個段修期車輪踏面圓周磨耗深度超過運(yùn)用限度8 mm的比例。

表2為車輪不同檢修限度對應(yīng)的旋修率與臨修率。新旋修車輪的磨耗速率推演結(jié)果表明：車輪踏面圓周磨耗深度≤3.5 mm、同一輪對輪徑差≤2 mm能夠保證車輛運(yùn)用安全，同時車輪旋修率降低44.27%，降低幅度最為明顯，臨修率處于較低水平，經(jīng)濟(jì)性與安全性綜合效益最優(yōu)。重載鐵路貨車運(yùn)行速度一般低于80 km/h，參照2016版《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》中“非提速貨車輪徑差檢修限度按2 mm”掌握。多年運(yùn)用數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)表明，將輪徑差檢修限度設(shè)置為2 mm,安全性與經(jīng)濟(jì)性綜合效益較高，因此,重載鐵路貨車同一輪對輪徑差限度設(shè)置為2 mm較為合理。

表2 車輪不同檢修限度對應(yīng)的旋修率與臨修率

1.3 車輪輪緣磨耗分析

對186條輪對車輪的輪緣磨耗進(jìn)行分析，輪緣厚度統(tǒng)計如表3所示。由表3可知，車輪輪緣最小厚度為27.9 mm，最大厚度為37.0 mm，平均厚度為31.6～33.5 mm。車輪輪緣磨耗輕微，沒有超過檢修限度。因此，車輪輪緣磨耗不是影響重載鐵路貨車車輪旋修周期的主要因素。

表3 輪緣厚度統(tǒng)計

2 車輪磨耗影響因素分析

影響車輪磨耗的主要因素包括輪輞硬度、閘瓦制動、輪徑及踏面廓形等。

2.1 輪輞硬度

對重載鐵路貨車車輪和高鐵車輪的研究結(jié)果表明：新輪踏面向下3 mm范圍內(nèi)硬度較高，沿輪輞徑向方向硬度變化梯度較大，車輪芯部硬度梯度不明顯；車輪硬度越高，耐磨性越好，磨耗量越小。這也是新輪踏面磨耗速率小于旋修后車輪踏面磨耗速率的原因。

2.2 閘瓦制動

表4為不同輪位正常制動與關(guān)門車運(yùn)行22萬km車輪踏面垂直平均磨耗量。重載鐵路貨車輪瓦及輪軌監(jiān)測試驗(yàn)研究結(jié)果表明：通過設(shè)置關(guān)門車工況，與正常制動車輛的車輪磨耗進(jìn)行對比，得出閘瓦對車輪踏面磨耗的貢獻(xiàn)值約為23%。因此，閘瓦對車輪磨耗影響不大，車輪磨耗主要來自于輪軌磨耗。

表4 不同輪位正常制動與關(guān)門車運(yùn)行22萬km車輪踏面垂直平均磨耗量 mm

2.3 輪徑及踏面廓形

為研究輪徑及踏面廓形對車輪磨耗的影響，根據(jù)實(shí)際檢測的數(shù)據(jù)和踏面形狀測量的實(shí)際踏面廓形，選取C80型敞車，按照不同輪徑、踏面廓形、輪緣厚度設(shè)置了10個計算工況(表5)。圖2為不同工況下踏面磨耗量與踏面磨耗指數(shù)的關(guān)系，圖3為車輪直徑與踏面磨耗指數(shù)和踏面磨耗量的關(guān)系。由圖2和圖3可知，車輪直徑對接觸點(diǎn)的分布幾乎沒有影響；磨耗后踏面隨著車輪直徑的減小，踏面磨耗指數(shù)略有上升；新踏面磨耗指數(shù)隨車輪直徑變化不明顯；磨耗后踏面廓形較新，LM型的踏面磨耗指數(shù)更大。

圖2 踏面磨耗量與踏面磨耗指數(shù)的關(guān)系

圖3 車輪直徑與踏面磨耗指數(shù)和踏面磨耗量的關(guān)系

表5 計算工況設(shè)置

綜上分析結(jié)果表明：車輪直徑對車輪踏面圓周磨耗量影響不大；車輪芯部硬度梯度不明顯，與調(diào)研結(jié)果中的不同輪徑踏面圓周磨耗變化不明顯的規(guī)律一致。因此,新輪較新旋修車輪磨耗小的主要影響因素是輪輞硬度。

3 車輪旋修分析

3.1 車輪旋修情況

輪對進(jìn)入檢修車間執(zhí)行的檢修工藝為：車輪踏面檢測(設(shè)備自動檢測)、軸承故障檢測→車輪旋修→旋修后車輪直徑、輪緣厚度等數(shù)據(jù)檢測→輪對交付。車輪執(zhí)行的檢修標(biāo)準(zhǔn)為：踏面磨耗深度≤3 mm、同一輪對輪徑差≤1 mm、輪緣厚度分4個限度(26 mm、28 mm、30 mm、32 mm)、段修輪輞剩余厚度≥26 mm、運(yùn)用輪輞剩余厚度限度≥23 mm。

車輪的壽命周期由兩方面因素決定：踏面磨耗量和踏面旋修量。在車輪磨耗量一定的條件下，車輪旋修量越小，車輪的使用壽命越長。輪緣旋修后的剩余厚度分為4個限度，分別為：26 mm、28 mm、30 mm、32 mm，踏面和輪緣采用多刀成型方法加工獲得。表6為車輪旋修量統(tǒng)計，圖4為車輪踏面旋修量與輪緣旋修量的關(guān)系。

由表6和圖4可以看出，車輪踏面旋修量與輪緣旋修量沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系，提高了車輪旋修的經(jīng)濟(jì)性，有效保證了車輪的使用壽命。

表6 車輪旋修量統(tǒng)計 mm

圖4 車輪踏面旋修量與輪緣旋修量的關(guān)系

3.2 車輪旋修量與踏面磨耗量、旋修前車輪直徑的關(guān)系

同一輪對的車輪旋修量的確定方式為：首先檢測小輪側(cè)車輪踏面磨耗量，然后確定小輪側(cè)車輪踏面旋修量，再結(jié)合輪徑差，最終確定大輪側(cè)車輪踏面旋修量，即輪徑差之半與小輪側(cè)車輪踏面旋修量之和。所以大輪徑車輪的旋修量要大于小輪徑車輪旋修量，即踏面旋修量與旋修前的車輪直徑成正比(圖5)，與踏面磨耗量成反比(圖6)。綜上所述，制定合理的輪徑差限度能夠有效降低車輪旋修率及踏面旋修量，進(jìn)而提高車輪使用壽命。

圖5 踏面旋修量與旋修前車輪直徑的關(guān)系

圖6 踏面旋修量與踏面磨耗量的關(guān)系

3.3 輪緣旋修量與輪緣厚度的關(guān)系

由于輪緣旋修后的厚度可依旋修量最小原則在26 mm、28 mm、30 mm、32 mm之間選取，較薄側(cè)輪緣旋修后達(dá)到26～28 mm、較厚側(cè)輪緣旋修后達(dá)到30～32 mm即可。圖7為輪緣旋修量與輪徑差的關(guān)系，圖8為輪緣旋修量與旋修前車輪直徑的關(guān)系。

圖7 輪緣旋修量與輪徑差的關(guān)系

圖8 輪緣旋修量與旋修前車輪直徑的關(guān)系

由圖7和圖8可以看出，輪緣旋修量與同一輪對輪徑差、旋修前車輪直徑并沒有明顯對應(yīng)關(guān)系，符合車輪經(jīng)濟(jì)旋修理念。輪緣旋修不是制定車輪旋修周期的主要影響因素。

3.4 車輪旋修周期

圖9為車輪輪輞厚度減少量與踏面磨耗量、踏面旋修量的關(guān)系。由圖9(a)可以看出，踏面磨耗量與踏面旋修量較為接近，且差距越來越小，即車輪的踏面磨耗量和踏面旋修量相當(dāng)，說明車輪磨耗限度制定的較為嚴(yán)格，即檢修里程較短，這顯然是不經(jīng)濟(jì)的。圖9(b)中，踏面磨耗量大于踏面旋修量，且差距越來越大，說明車輪輪輞厚度減少量主要來源于磨耗，經(jīng)濟(jì)性好，但踏面磨耗量超過5 mm、接近運(yùn)用限度8 mm的情況較多，安全裕量較小，臨修率高，說明車輪旋修周期太長，雖然經(jīng)濟(jì)但不利于安全。圖9(c)中，踏面磨耗量始終大于踏面旋修量，說明車輪輪輞厚度減少量主要來源于磨耗，經(jīng)濟(jì)性好，同時兩條趨勢線基本平行且磨耗量基本不超過5 mm，距離運(yùn)用限度8 mm有足夠的安全裕量，說明車輪狀態(tài)比較穩(wěn)定且可控。因此，圖9(c)對應(yīng)的40萬km車輪旋修里程最優(yōu)。

圖9 車輪輪輞厚度減少量與踏面磨耗量、踏面旋修量的關(guān)系

4 車輪壽命分析

通過調(diào)研分析得出，新輪使用第1個段修期的車輪踏面圓周平均磨耗量為2.18 mm、旋修平均量為1.48 mm，因此得出1個段修期車輪輪輞厚度平均減少量為3.66 mm。新旋修車輪每個段修期踏面圓周平均磨耗量為3.13 mm、旋修平均量為1.70 mm，因此得出1個段修期車輪輪輞厚度平均減少量為4.83 mm、車輪直徑平均減少量為9.66 mm。按照段修車輪輪輞剩余厚度限度26 mm、廠修車輪輪輞剩余厚度限度28 mm、運(yùn)用車輪輪輞剩余厚度限度23 mm推算，C80型敞車車輪的使用壽命約為200～240萬km、10～12年左右，這與輪軸檢修車間按照車輪報廢統(tǒng)計的車輪壽命約為11年相吻合。

5 結(jié)束語

本文通過對重載鐵路貨車的運(yùn)用檢修調(diào)研分析、車輪磨耗原因分析、車輪旋修工藝分析和車輪壽命分析，可以得出如下結(jié)論：

(1)將重載鐵路貨車車輪檢修限度定為同一輪對輪徑差≤2 mm、車輪踏面圓周磨耗深度≤3.5 mm、輪緣厚度≥26 mm和40萬km旋修周期，不僅輪對旋修率大幅降低，同時又能夠保證臨修率非常低，此時經(jīng)濟(jì)性與安全性綜合效益最優(yōu)。

(2)按照車輪踏面磨耗量和旋修量推算，C80型敞車車輪的壽命約為200～240萬km、10～12年左右，與車輪報廢統(tǒng)計得出的車輪壽命相吻合。

本文通過車輪旋修周期和壽命的研究，掌握了車輪磨耗規(guī)律，制定了車輪檢修限度，為零部件檢修周期及壽命周期匹配提供了基礎(chǔ)，并為狀態(tài)修修程制定提供了有力支撐，可有效提高檢修效率及列車周轉(zhuǎn)率。