制動梁橫移對鐵路貨車車輪磨耗的影響

衣美玲

（遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市軌道交通學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

1 引言

鐵路貨運具備低碳環(huán)保的優(yōu)勢，但目前在各種運輸方式中僅承擔(dān)貨運總量的8%。在綠色可持續(xù)的發(fā)展目標(biāo)指引下，貨車裝備將進(jìn)一步提速并加大軸重，輪軌異常磨耗問題將更加突出。目前中國近90萬輛貨車中，制動梁固定杠桿支點布置在靠近車輪4、6位的車輛占90%以上，調(diào)研發(fā)現(xiàn)車輪踏面與輪緣磨耗在固定支點側(cè)略大的普遍規(guī)律[1-3]。這一現(xiàn)象被認(rèn)為與貨車廣泛采用的中拉桿式制動梁密切相關(guān)，國內(nèi)外理論分析和試驗研究[4-6]發(fā)現(xiàn)因傾斜式固定和游動杠桿的制動梁存在未平衡的橫向力，導(dǎo)致制動梁橫移，進(jìn)而由車輪與閘瓦間制動磨耗的不對稱引起車輪偏磨，產(chǎn)生輪徑差。在現(xiàn)有貨車定期檢修體制下，尚缺乏成熟的車輪直徑動態(tài)檢測技術(shù)和輪徑差檢修限度標(biāo)準(zhǔn)。在鐵路貨車平均約兩年的段修期內(nèi)，車輪踏面異常磨損導(dǎo)致輪徑差過大問題因速度低和軸重小尚未充分暴露，但貨車提速重載后其影響不可忽略。研究表明大輪徑差作用下，車輪貼靠一側(cè)鋼軌運行時仍能維持車輛較高的橫向平穩(wěn)性，但會引起輪緣的快速磨損[7]。諸多研究人員通過仿真分析，評估了輪徑差的影響[8-11]。但仿真工況尚未充分反映實際輪徑差分布規(guī)律，貨車實際車輪磨耗規(guī)律不符，難以發(fā)揮指導(dǎo)實踐作用。因而，在調(diào)研分析基礎(chǔ)上，仿真評估了制動磨耗對車輪磨耗的影響，并提出對應(yīng)措施。

2 制動梁橫移調(diào)研分析

我國約有4%裝用轉(zhuǎn)8G型轉(zhuǎn)向架的60t級鐵路貨車使用下拉桿式組合式制動梁，其他的各型號貨車均裝用的是中拉桿式組合式制動梁，其結(jié)構(gòu)，如圖1所示。與下拉桿式制動梁橫向無傾斜的固定和游動杠桿相比，中拉桿式制動梁的固定和游動杠桿則傾斜放置，理論分析表明，杠桿未平衡的重力橫向分量提供了制動梁橫移的動力[6]。

圖1 制動梁結(jié)構(gòu)Fig.1 Brake Beam Construction

制動梁安裝在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)架內(nèi)側(cè)面的滑槽磨耗板內(nèi)，車輛運行過程中，制動梁橫移后，一側(cè)閘瓦可能接觸輪緣，另一側(cè)則遠(yuǎn)離輪緣，如圖2中A2減小，A1增大。在制動時，接觸閘瓦的輪緣會產(chǎn)生額外的磨耗，導(dǎo)致此側(cè)閘瓦與車輪踏面的接觸磨耗位置靠近輪緣根部；另一側(cè)閘瓦與踏面接觸的部位則遠(yuǎn)離輪緣根部，偏離了理論的軌道中心線位置，促使同一輪對兩側(cè)車輪踏面的輪瓦間磨耗不均。

圖2 制動梁端部及輪—瓦間隙Fig.2 Brake Beam End and Clearance Between Wheel and Brake Shoe

為掌握制動梁橫移的實際規(guī)律，調(diào)研了列車經(jīng)過長大坡道在博克圖站制動停車后，制動梁上閘瓦與車輪的相對位置。調(diào)研線路為濱州線（上行）興安嶺～博克圖區(qū)段，線路總長約30km，其中上行線段區(qū)間內(nèi)最大坡度為16.5‰。制動梁端部閘瓦外側(cè)與車輪踏面端面的理論距離為10mm，制動梁橫移后出現(xiàn)的三種典型情況，如圖3所示。

因此可依據(jù)“外側(cè)貼靠”狀態(tài)判定制動梁向某輪方向發(fā)生了橫移。經(jīng)調(diào)研統(tǒng)計，選取基礎(chǔ)制動裝置布置相同的貨車，如圖4所示。

統(tǒng)計了76 輛貨車各位車輪與閘瓦發(fā)生“外側(cè)貼靠”的百分比。選取數(shù)據(jù)樣本較多的三種車型分析共50輛，固定杠桿支點均設(shè)置在4、6位，其中C62（7輛）、C64（15輛）、C70（28輛）。

可知，第2、3、5、8位車輪與閘瓦“外側(cè)貼靠”比例約占50%，說明車輛制動停車后，固定杠桿側(cè)與游動杠桿側(cè)制動梁發(fā)生了反向橫移，如圖5所示。此時1、4、6、7位車輪踏面上閘瓦位置更靠近輪緣。

圖5 制動梁橫移方向Fig.5 Lateral Displacement Direction of Brake Beam

3 制動磨耗對輪對橫向動態(tài)平衡的影響

3.1 車輪磨耗量中制動磨耗比例

車輪的磨耗量是由車輪與鋼軌滾動摩擦磨損和車輪與閘瓦制動時滑動摩擦磨損兩部分組成。對重載貨車關(guān)門車（切除制動）及正常車輛車輪磨損量的定期跟蹤檢測發(fā)現(xiàn)，如圖6 所示。運行20萬公里后無制動車輪踏面磨耗約減輕（15～20）%[12]。

圖6 有無制動車輪踏面磨耗對比Fig.6 Comparison of Wheel Tread Wear with or without Brake

當(dāng)制動梁橫移后，如圖7所示。車輪與閘瓦間的磨耗在車輪踏面上的位置將不對稱，逐漸形成左右車輪的輪徑差。根據(jù)既有通用線貨車車輪磨耗調(diào)研結(jié)論[2]，車輪踏面磨耗呈固定支點側(cè)的2、4、6、8位輪略大，且支點所在的4、6位磨耗量最大的規(guī)律。可以推斷4、6位車輪踏面磨耗速率更快，并促使2、3位輪對形成輪徑差，這主要是因為支點側(cè)4、6位車輪踏面在移向輪緣位置的制動磨耗和輪軌磨耗疊加作用下，踏面先較快產(chǎn)生磨耗。但實際一輛車內(nèi)各位車輪磨耗總體規(guī)律并未呈現(xiàn)與制動梁橫移規(guī)律相符的1、4、6、7位車輪踏面磨耗嚴(yán)重的特征，這主要是因為在綜合因素影響下，如車輪踏面橫向材料表面硬化或硬度分布不均，輪徑差對車輛動力學(xué)性能及磨耗特性的影響超過了非支點側(cè)輪對制動磨耗不對稱的影響。

圖7 制動梁橫移后輪瓦相對位置Fig.7 Relative Position of Wheel and Brake Shoe After Brake Beam Displacement

3.2 制動磨耗對輪對動態(tài)平衡的影響

同一輪對左右車輪與閘瓦位置的不對稱，將引起踏面外形的不對稱變化，進(jìn)而通過輪軌關(guān)系影響車輛動力學(xué)性能。

基于橫移與搖頭2自由度有約束輪對動力學(xué)方程[13]：

式中：TηL/R和TξL/R—橫/縱向蠕滑力；vηL/R和vξL/R—橫/縱向蠕滑率；fη、fξ—橫/縱向蠕滑系數(shù)；l0—左右車輪滾動圓橫向跨距的一半。縱向和橫向蠕滑率可近似表示為：

式中：λ—等效錐度；r0—滾動圓半徑；v—運行速度；y和ψ—輪對橫移量和搖頭角。代入式（1）得輪對橫向平衡關(guān)系式：

式中：γ—左右輪接觸角差的等效線性參數(shù)；W—輪對重力。當(dāng)車速低于臨界速度時，負(fù)阻尼“”較小，因此有：

式（5）左側(cè)為輪對重力剛度恢復(fù)力，右側(cè)為輪對搖頭運動引起的橫向蠕滑力。可知在穩(wěn)態(tài)下，當(dāng)輪對重力剛度提供的對中能力減弱后，輪軌蠕滑勢必增大。而且，在輪對橫移量較大時，因接觸角增大，車輪自旋蠕滑不可忽略，車輪表面磨耗功在原橫、縱向蠕滑兩項，增加了自旋蠕滑的波動影響。

制動梁橫移后，閘瓦貼近或靠近輪緣一側(cè)的車輪，其直徑和錐度將隨表面材料磨損而逐漸下降；而對側(cè)車輪因閘瓦遠(yuǎn)離輪緣，車輪直徑基本不變，但踏面端部的錐度將增大。為了維持輪對滾動時左右車輪實際滾動圓直徑相同，產(chǎn)生輪徑差的輪對將向小輪徑側(cè)橫移，并穩(wěn)定在新的輪對橫向平衡位置。但此處左右車輪踏面錐度已不對稱，當(dāng)輪對橫移時，重力剛度提供的恢復(fù)力更易使輪對向小錐度側(cè)車輪移動，即帶動輪軌接觸磨耗的位置也向小錐度（輪徑）側(cè)移動，越接近輪緣位置輪軌磨耗速率越快。輪對平衡位置逐漸向小輪徑側(cè)移動，輪徑差的方向難以改變，左右車輪踏面磨耗量差值只能越來越大。

對于兩軸轉(zhuǎn)向架而言，在其中一條輪對產(chǎn)生輪徑差后，此輪對向小輪徑側(cè)橫移，其產(chǎn)生的橫向蠕滑力將通過懸掛約束內(nèi)力作用在側(cè)架及搖枕上，促使另一條輪對也向相同方向移動，逐漸形成兩條輪對同向輪徑差。因而，鐵路貨車在支點側(cè)車輪踏面快速磨損形成輪徑差后，也將帶動非支點側(cè)輪對產(chǎn)生橫移，逐漸發(fā)展為支點側(cè)車輪普遍更大的規(guī)律。

4 輪徑差對車輪磨耗的影響

為評估輪徑差對車輪磨耗的影響，建立主型C70型敞車的單車動力學(xué)模型，配裝轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架。建模將輪對、側(cè)架、搖枕、車體等部件處理為剛體，假定車輛勻速運動，計算中線路激擾取美國5級譜。以含自旋蠕滑項改進(jìn)的愛因斯磨耗數(shù)為磨耗評價指標(biāo)，其余指標(biāo)按GB5599計算與評定。分析了直線線路，速度（60～120）km/h的空車與重車工況。為反映實際貨車磨耗中支點側(cè)（4、6位）車輪先產(chǎn)生輪徑差的規(guī)律，設(shè)置轉(zhuǎn)向架內(nèi)僅一條輪對存在輪徑差0mm、2mm、4mm、6mm、8mm的工況。存在輪徑差時，車輛橫向性能將受到顯著影響，如圖8所示。

圖8 輪徑差對最大輪軌橫向力的影響Fig.8 Influence of RRD on the Maximum Wheel-Rail Lateral Force

輪軌橫向力總體隨輪徑差增加而增大，但空車在時速（70～110）km時，2mm的輪徑差下輪軌橫向力增幅顯著，重車則在時速（80～120）km時，4mm的輪徑差下輪軌橫向力增幅明顯。輪徑差對空車低速橫向平穩(wěn)性影響較小，在時速（80～120）km內(nèi)平穩(wěn)性隨輪徑差增大近似均勻衰減，如圖9所示。而重車在2mm輪徑差下，橫向平穩(wěn)性顯著降低。而空、重車在輪徑差（0～6）mm的區(qū)間內(nèi)，橫向平穩(wěn)性逐漸惡化，但輪徑差達(dá)到8mm后，平穩(wěn)性則有所回升，這主要是因為在輪徑差作用下，輪對橫移后越接近輪緣的位置，車輪接近貼靠輪緣運行時平穩(wěn)性反而越好，即進(jìn)入“亞穩(wěn)定區(qū)”[7]。

圖9 輪徑差對橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的影響Fig.9 Influence of RRD on the Lateral Stability Index

輪徑差增大后，車輪磨耗顯著增加，但車輪磨耗增量并不隨輪徑差線性增加，如圖10所示。

圖10 輪徑差對車輪磨耗數(shù)的影響Fig.10 Influence of RRD on the Wheel Wear Number

統(tǒng)計了不同輪徑差下，車輪磨耗數(shù)相對于無輪徑差車輪的增幅百分比，如圖11所示。綜合圖10、圖11，空車在輪徑差2mm時車輪磨耗增加48%，特別是在時速（70～100）km的主要運用速度區(qū)間，磨耗增加81%。重車則在輪徑差達(dá)4mm時，磨耗平均增加76%，在時速（90～120）km的提速或達(dá)速區(qū)間，磨耗增加92%。通用線車輪磨耗規(guī)律顯示，當(dāng)輪徑差超過4mm后輪緣磨耗加速發(fā)展，而輪緣磨損后，因輪緣角度關(guān)系，車輪鏇修量需提高約4倍。綜上，鑒于空車時磨耗指數(shù)偏低，建議以4mm為鐵路貨車輪徑差的控制限度。

圖11 輪徑差對車輪磨耗增量的影響Fig.11 Influence of RRD on the Wheel Wear Increment

5 制動梁橫移限制措施

為減緩制動梁橫移的負(fù)面影響，可從限制和消除制動梁橫移現(xiàn)象制定解決措施。

5.1 既有車輛

對于已運用的既有車，可限制制動梁橫向與側(cè)架端部的間隙。制動梁端部安裝滑塊磨耗套，制動過程中與滑槽磨耗板接觸，并相對滑動。因而可采取以下限位措施：

（1）將滑塊磨耗套與滑槽磨耗板底部接觸的端部增加一定厚度。

（2）將滑槽磨耗板改進(jìn)設(shè)計，將與制動梁端部接觸的底面適當(dāng)抬高。

（3）增加制動梁橫移彈性復(fù)原裝置，控制制動梁橫移量。

但鐵路貨車鑄造三大件式轉(zhuǎn)向架加工及組裝公差累積影響，其限位措施的技術(shù)效果難以徹底解決制動梁橫移問題。

5.2 新造車輛

對于新造車輛，應(yīng)從結(jié)構(gòu)上避免零部件傾斜布置而產(chǎn)生的重力橫向分量，采用結(jié)構(gòu)本身無未平衡的橫向約束內(nèi)力的機構(gòu)，可從根本上消除制動磨耗不對稱對車輪磨耗規(guī)律的影響。

（1）采用集成制動裝置，將制動缸、閘調(diào)器及制動杠桿等集成在制動梁上，消除了傾斜杠桿，如圖12所示。調(diào)研結(jié)果顯示[12]，裝用集成制動車輛各位車輪未產(chǎn)生明顯的不均勻磨耗。

圖12 集成制動裝置結(jié)構(gòu)Fig.12 Integrated Brake Device Structure

（2）在現(xiàn)有中拉桿式制動梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計，將固定和游動杠桿改為垂直放置，在保持制動倍率不變前提下，適當(dāng)修改拉桿和搖枕孔結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)論

（1）在中拉桿式制動梁未平衡的橫向力作用下，轉(zhuǎn)向架內(nèi)兩制動梁產(chǎn)生反向橫移。同一輪對左右車輪踏面制動產(chǎn)生的磨耗橫向位置不對稱，促使輪對產(chǎn)生輪徑差。（2）車輪踏面非對稱磨耗后，輪對新平衡位置兩側(cè)橫移時的重力恢復(fù)力并不相同，更易于使輪對進(jìn)一步移向小輪徑側(cè)，約束內(nèi)力經(jīng)懸掛傳遞給轉(zhuǎn)向架側(cè)架后，將帶動另一條輪對產(chǎn)生橫移，逐漸發(fā)展為貨車同向輪徑差特征。（3）空車工況在輪徑差2mm的（70～100）km/h區(qū)間車輪磨耗增加81%，重車則在輪徑差4mm時，在（90～120）km/h的提速或達(dá)速區(qū)間，車輪磨耗增加92%。結(jié)合車輪磨耗實際發(fā)展規(guī)律，建議以4mm作為貨車輪徑差控制標(biāo)準(zhǔn)。可對既有結(jié)構(gòu)增加限位措施，或者對新造車輛采用新結(jié)構(gòu)，消除制動梁橫移的影響。