鐵路貨車車輪傷損及踏面磨耗規(guī)律的研究

丁 勇，王新銳，曲金娟

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

隨著鐵路貨運運輸向高速重載的發(fā)展，鐵路貨車車輪的損傷及磨耗問題引起廣泛關注，在貨車車輛軸重達到27～30 t，運營速度100 km／h以上時，貨車車輪的損傷及磨耗將呈現(xiàn)何種狀態(tài)，對貨車的正常運用及維修將會造成何種影響，是我們急待研究的課題。

結合提速貨車環(huán)行線120 km／h可靠性試驗，充分挖掘分析試驗中車輪損傷和磨耗數(shù)據(jù)，尋求車輛軸重、走行公里與車輪損傷、磨耗的關系，統(tǒng)計規(guī)律以進一步預測新一代貨車車輪可能發(fā)生的損傷和磨耗，為今后新一代貨車設計和運用維護提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗條件

提速貨車120 km／h可靠性試驗在環(huán)行線進行了歷時5年2個階段的試驗［4－5］，第1階段試驗總里程182 741．5 km，其中120 km／h的里程約占總里程的70%；第2階段試驗總里程167 603 km，其中120 km／h的里程約占總里程的64．47%。

試驗線路為中國鐵道科學研究院環(huán)行試驗線路，全長8．5 km，鋼軌為60 kg／m U74熱軋鋼軌，強度等級為780 MPa。大環(huán)曲線半徑1 432 m，超高105 mm；小環(huán)半徑1 000 m，超高150 mm，中間直線段長度755 m。第1階段試驗沒有側線工況，第2階段試驗線路在直線段增加了12＃側線。每日的運行試驗中，安排5次列車制動，包括調速制動2次，常用制動停車2次和緊急制動停車1次。

參試車輛基本覆蓋了我國鐵路主型貨車，包括敞車、棚車、平車、罐車等通用貨車、雙層集裝箱貨車、70 t級貨車、80 t級運煤專用貨車，以及轉K2、轉8G提速改造車等。試驗列車編組最長達68輛，見表1。

2 檢測手段及檢測間隔

試驗中，車輪的傷損及磨耗運用情況由列檢專業(yè)人員和課題組共同按照現(xiàn)行的《鐵路貨車運用維修規(guī)程》［1］定期進行檢查，采用專用量具（輪徑尺、車輪第4種檢查器）和踏面型狀檢測儀進行數(shù)據(jù)測量并有效記錄，其中人工專用量具測量試驗里程間隔約為8 000 km，儀器測量試驗里程間隔約為30 000 km。

表1 提速貨車120 km／h環(huán)行線可靠性試驗參試車輛狀況

3 車輪更換原則、故障比率、更換率

按《鐵路貨車運用維修規(guī)程》，車輪損傷或磨耗超過運用限度時將被更換。

研究樣本：考慮車輪的損傷及磨耗情況需要在車輛運行一定的里程下才能充分體現(xiàn)，因此，我們選擇參試車輛中試驗考核里程較為完整、車輛數(shù)目較多的新造21 t軸重通用貨車作為主要的分析研究樣本，此樣本車輛第1階段試驗為24輛，第2階段繼續(xù)試驗為20輛。

故障比率：在兩個階段約35萬運行里程的試驗中，新造21 t軸重通用貨車共有32條輪對被更換，除少量車輪由于軸承故障被更換外，由于輪對損傷和磨耗原因被更換的輪對數(shù)占總更換輪對的94%。

圖1 輪對更換故障比率

輪對更換率：由于環(huán)行線試驗中空重車不換載，被更換輪對的車輛在試驗中都是重車狀態(tài)，而我國通用貨車在實際運營中空車率指標始終在30%左右［2］，一定時間內空車走行公里與重車走行公里之比約為3∶7，因此對試驗中輪對的更換率以70%折算系數(shù)按下式計算：

計算結果：第1階段18萬km輪對更換率為17．5%，第2階段約17萬km輪對更換率為23．3%，在第2階段輪對更換率有所提高，主要是由于輪對踏面磨耗超限更換都在第2階段試驗中發(fā)生。

4 車輪損傷情況分析

4．1 車輪損傷故障模式及微觀分析

試驗中，車輪損傷故障模式表現(xiàn)為踏面剝離長度超限、局部凹下深度超限及少量踏面擦傷。

車輪剝離發(fā)展表現(xiàn)為刻度狀裂紋的損傷初始階段、進一步的剝離掉塊發(fā)展階段（圖2）。觀察中發(fā)現(xiàn)，刻度狀裂紋是踏面損傷的初始形式，裂紋呈刻度狀，為大致平行于軸向的一系列平行裂紋組成，沿圓周分布，一般地，刻度狀裂紋在圓周上的分布是相對均勻的，分布于踏面的靠輪緣部、中部或者靠外端部，也可能同時在這其中兩個部位出現(xiàn)。隨著試驗的進行，裂紋逐漸變長和間隔變窄。

圖2 車輪刻度狀裂紋損傷及車輪剝離掉快損傷

研究表明，刻度狀裂紋是典型的踏面制動熱負荷反復作用下而形成的熱裂紋，當車輪受到高能量制動時，車輪踏面淺表層將重復周向壓應力－塑性變形－周向拉應力這一低周應力疲勞的循環(huán)過程，這一熱疲勞下的損傷不斷累積，最后萌生垂直于表層的熱裂紋。

踏面剝離、局部凹下?lián)p傷超限更換的車輪共計23條，其中第1階段試驗更換14條，第2階段更換了9條；其中K2轉向架11條，K4轉向架12條，損傷輪位有一定差異，但差異不大且表現(xiàn)為隨機性。

4．2 車輪損傷與運用里程的關系

將試驗中車輪損傷更換與對應的試驗里程繪出關系趨勢圖如圖3，可以看到，試驗運行里程在4萬km左右即開始有損傷超限車輪出現(xiàn)，18萬km為損傷換輪高峰期，21萬km又出現(xiàn)次高峰。

圖3 輪對損傷故障與里程關系

車輪損傷對車輛性能會產(chǎn)生直接影響，同樣以21 t軸重車為樣本，考慮實際運營中裝載狀態(tài)的變化，計算車輪由于損傷的更換率如表2。

表2 21 t軸重車兩個階段試驗車輪損傷更換率

計算結果表明，新輪在運用18萬km（相當一個段修期），大約有15%的輪對將由于損傷需要旋輪或更換，運用35萬km（相當約兩個段修期），損傷更換比例將達到約34%，因此可以認為車輪的損傷將成為今后鐵路重載提速后車輛運用維修的主要故障之一。

5 車輪磨耗情況分析

5．1 車輪磨耗情況與運行里程關系

在環(huán)行線試驗中，車輪磨耗主要表現(xiàn)為踏面圓周磨耗，輪緣磨耗較小。新造21 t軸重通用貨車共有7條輪對由于踏面圓周磨耗超過運用限度（8 mm）被更換，更換情況見表3。被更換的車輪都是重車車輪，車型為敞、平、罐車型，沒有棚車，運用里程大部分在20萬～32萬km之間。

表3 新造21 t軸重通用貨車車輪圓周磨耗到限更換記錄

由上述數(shù)據(jù)可初步判斷，對于新造21 t軸重車輛，即使提速到120 km／h運用條件下，在第1個段修期（相應18萬km運用里程）內，其使用的直徑840 mm車輪磨耗一般不會達到圓周磨耗運用限度。

5．2 車輪踏面圓周磨耗率

由于我們更關心的是車輛軸重提高對車輪磨耗的影響，而我國目前投入運行的貨車最高軸重為25T，對于今后新一代貨車軸重提高后車輪磨耗的發(fā)展趨勢，我們只能根據(jù)現(xiàn)有運行車輛車輪磨耗情況尋求規(guī)律進行推測，因此我們將23，25T軸重的試驗車輛納入研究樣本，首先以車輪實測磨耗量數(shù)據(jù)，對試驗中不同軸重車輛車輪踏面圓周磨耗率進行計算，按式（1）

其中磨耗率是以每輛車8個輪的磨耗量平均值與該車的實際運行噸公里數(shù)的比值獲得，數(shù)據(jù)如表4，計算結果：

重車平均磨耗率α＝0．021 7 mm／萬t·km

空車平均磨耗率β＝0．040 4 mm／萬t·km

表4 試驗車輪圓周磨耗率

從以上的計算結果分析：

（1）空車的車輪平均圓周磨耗率大于重車，大約為重車的1．9倍；但由于重車平均單輪承載大，同樣運行里程下，噸公里數(shù)大于空車，因此重車車輪圓周實際磨耗量大于空車，大約為空車的2．2倍。

（2）隨著軸重的提高，車輪圓周實際磨耗量成上升趨勢，例如重車條件下，25T軸重車比21 t軸重車運行18萬km多磨耗約0．9 mm。

（3）21 t軸重改造車的車輪圓周磨耗率及實際磨耗量都呈現(xiàn)出相對較大，與21 t改造車車況較其他車型差有關，因此可以說，車況好壞是影響車輪圓周磨耗快慢的一個直接因素。

5．3 數(shù)據(jù)誤差分析

以上述平均磨耗率作為基礎數(shù)據(jù)，反推計算21，23，25T軸重車輛運行18萬km的磨耗量，與試驗中實測磨耗量進行比較，見圖4。相對誤差計算見表5。

圖4 輪對磨耗計算與實測對比

表5 試驗重車、空車車輪圓周磨耗量計算值與實測值對比

計算結果表明，反推磨耗量計算值與實測磨耗量誤差不大，相對誤差在±12%以內（其中正誤差表示反推磨耗量高估，負誤差表示低估）。

5．4 車輪圓周磨耗量經(jīng)驗公式

以上分析表明：以平均磨耗率計算出的反推磨耗量與試驗實測磨耗量的誤差不大，并普遍略有高估（只有21 t改造車略低估），因此我們認為可以將上述計算得出的空重車車輪平均磨耗率作為基本參數(shù)，以期對不同軸重不同運行里程的車輛車輪圓周磨耗進行推測，因此提出經(jīng)驗公式如下：

式中M為車輪磨耗量（mm）；S為運行里程（萬公里）；α為重車車輪平均磨耗率（取值0．021 7）；β為空車車輪平均磨耗率（取值0．040 4）；K1、K2為空重車比率（通用車重車K1取0．7，空車K2取0．3，專用車K1取0．5，K2取0．5）。按經(jīng)驗公式（2）對現(xiàn)有運用車（21，23，25T軸重）及新一代貨車（27，31．5 t軸重）車輪圓周磨耗量進行推算，計算中21，23，25T軸重車自重分別取22．3，23．7，20 t；27，31．5 t軸重車自重分別取28，30 t，計算結果見圖5、表6。

圖5 不同軸重輪對磨耗推測

表6 不同軸重車輪圓周磨耗量推算（18萬km）

計算結果表明：通用車軸重若提高到27 t，車輛運行18萬km，車輪圓周磨耗量為4．5 mm（空重比率按3∶7計算）；專用車軸重若提高到31．5 t，車輛運行18萬km，車輪圓周磨耗量為4．4 mm（空重比率按1∶1計算）；兩者數(shù)據(jù)相當，可以近似的認為，31．5 t的專用車在專用線運輸，如若按重車去空車返的運輸方式使用，在相同的運用里程下車輪的圓周磨耗量與27 t軸重通用車磨耗量相當。

考慮到通用車段修期已延長到2年（約運行24萬km），推測27 t軸重通用車一個段修期的車輪圓周磨耗約為6．0 mm。對車輪圓周磨耗的推算是基于環(huán)行線可靠性試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行的，試驗的運行速度高于我國現(xiàn)有貨車的實際運行速度，線路及裝載條件與正線實際情況也有一定差異，因此，為了更加全面的對車輪圓周磨耗進行分析，將2005年齊車公司大秦線貨車車輪磨耗調研的結果［3］與環(huán)行線進行對比，以期對新一代貨車在大秦線運用條件下的車輪磨耗進行預估。

5．5 環(huán)行線與大秦線車輪圓周磨耗綜合對比分析

我國大秦線23 t軸重的C70、C70H，25T軸重的C80系列重載車輛的磨耗調研結果，如表7所示。

表7 大秦線各車型車輪踏面圓周磨耗情況 mm

以表7中10萬km車輪平均磨耗數(shù)據(jù)推算可得，運行18萬km，23，25T軸重車輛的車輪圓周磨耗量分別是1．15，1．97 mm，該值大約是環(huán)行線可靠性試驗中測試結果的一半左右。環(huán)行線測試結果較大秦線調研結果大的原因我們認為與車輛運行速度有關，環(huán)行線試驗中120 km／h速度級的運行里程占60%以上，100 km／h及以上速度級占90%以上，這大大高于大秦線的運行速度。環(huán)行線及大秦線車輪圓周磨耗量分布如圖6。

圖6 不同軸重車輪圓周磨耗量分布

結合大秦線車輪調研數(shù)據(jù)與環(huán)行線的試驗數(shù)據(jù)，將25T軸重車輛運行18萬km車輪圓周磨耗的數(shù)據(jù)進行比較，求出數(shù)據(jù)比例系數(shù)0．579（1．97／3．4），簡單的認為是速度影響因子γ，以此修正經(jīng)驗公式為（3），對專用線上新一代貨車（27，31．5 t軸重）車輪圓周磨耗量進行推測，結果見表8。式中γ為速度影響因子（當車輛運行速度120 km／h時，取1，大秦線目前情況取0．579）。

表8 大秦線運用條件新一代貨車車輪圓周磨耗量推算

計算結果：

①27，31．5 t軸重專用車輛，空重車比率1∶1，大秦線使用條件，運行40萬km，車輪圓周磨耗量分別是5．02，5．67 mm；按兩年段修期計，運行50萬km，分別是6．28，7．08 mm，超過段修限度，但小于運用限度，車輪在段修時都將由于磨耗到限進行旋修。

②27 t軸重的通用車輛，空重車比率3∶7，以段修期2年運行約24萬km計，車輪圓周磨耗將達到6．0 mm，小于運用限度8 mm，但大于段修限度5 mm，車輛在段修時，車輪也都將面臨磨耗到限需旋修。

綜上所述，考慮到車輪磨耗情況，對于新一代貨車，專用車軸重若提高到31．5 t，全面檢查修修程宜采用運行里程小于40萬km或2年，通用車軸重若提高到27 t，段修期不宜超過2年。

隨著新一代貨車軸重、速度的提高，輪軌動作用力增大，車輪的磨耗、損傷問題將更加突出，為適應鐵路貨車提速重載技術的發(fā)展，使用與鋼軌匹配合理的車輪踏面外形和耐磨性好的材質，是提高車輪壽命、降低車輪檢修成本的重要措施，“十一五”期間，我國已先后研發(fā)了25T軸重直徑840 mm的HESA、HEZD型車輪，進行了輾鋼車輪CL65、CL70鋼種及鑄鋼車輪ZL－C鋼種的研究，并提出了增大車輪輪徑以降低車輪制動熱負荷的方案，因此對于車輪輪徑增大及材質變化后輪軌磨耗情況應開展進一步的深入研究。

5．6 車輪磨耗與轉向架類型、車型的關系

目前我國的主型貨車上裝用的轉向架主要為交叉桿式的K2、K6型轉向架和擺式的K4、K5型轉向架，通過對環(huán)行線可靠性試驗裝用不同轉向架車輛車輪磨耗的對比，以及敞、棚、平、罐車不同車型車輪磨耗的對比，尋求車輪磨耗與轉向架類型、車型的關系，得出結論：

① 裝用擺式轉向架K4、K5的車輛，車輪圓周磨耗略大于裝用交叉桿式轉向架K2、K6的車輛；K2改造車的車輪圓周磨耗略大于非改造車。② 車型與車輪的磨耗大小沒有明顯的規(guī)律性對應關系，21 t軸重車平車的車輪磨耗大一些，70 t級車敞車較其他車型大一些。

6 結論

通過對環(huán)行線可靠性試驗及大秦線調研結果中車輪損傷和磨耗數(shù)據(jù)的分析，認為新一代貨車的發(fā)展，軸重及速度的提高都將面臨貨車車輛關鍵部件車輪損傷及磨耗的瓶頸制約，雖然其影響是在車輛運營一段時間才會逐漸顯現(xiàn)，但未雨綢繆，提前預測，防患于未然應該是我們努力繼續(xù)去做的工作，由上面的專題工作，得出下面幾點結論：

（1）貨車軸重、速度提高后車輪的損傷將成為車輛運用維修的主要故障之一，新輪在運用18萬km（相當一個段修期），大約有15%的輪對將由于損傷需要旋輪或更換，運用36萬km（相當兩個段修期），損傷更換比例將達到約34%。

（2）以環(huán)行線試驗數(shù)據(jù)及大秦線調研統(tǒng)計數(shù)據(jù)綜合推測，對于新一代貨車，通用車軸重若提高到27 t，以段修期兩年或運行24萬km計，車輪圓周磨耗將達到6．0 mm左右；專用車軸重若提高到31．5 t，運行40萬km或兩年段修期的車輪圓周磨耗將達到5．67～7．08 mm；可以預見，貨車軸重及速度提高后，按現(xiàn)有的段修限度要求，段修中將有大量的車輪圓周磨耗到限需要旋輪。

（3）車輪圓周磨耗與車型沒有明顯的規(guī)律性對應關系，但與車輛裝用的轉向架類型有一定的相關關系，裝用擺式轉向架K4、K5的車輛，車輪圓周磨耗略大于裝用交叉桿式轉向架K2、K6的車輛；K2改造車的車輪圓周磨耗比新造裝用K2轉向架的車輛的磨耗相對大一些。

［1］中國鐵道出版社．鐵路貨車運用維修規(guī)程［M］．北京：中國鐵道出版社，2003．

［2］王國玉，韓 調．有關空率的理論探討［J］．中國鐵路，1981，（02）：1－6．

［3］胡海濱，等．大秦鐵路貨車車輪磨耗問題的調查與研究［J］．鐵道學報，2010，32（1）：30－37．

［4］提速貨車120 km／h可靠性試驗第一階段（環(huán)行線）試驗總報告［R］．中國鐵道科學研究院研究報告，TY字第2015號，2005．

［5］提速貨車120 km／h可靠性試驗第二階段（環(huán)行線）試驗總報告［R］．中國鐵道科學研究院研究報告，TY字第2470號，2008．