大秦线重载车辆车轮磨损分析及解决方案

张 亮

(大秦铁路股份有限公司湖东车辆段，山西 大同 037300)

0 引言

目前，我国重载运输发展已历经14年：从2003年8月全路首列重载万吨列车于安太堡发车，到2003-09-01起在大秦线试运行万吨重载列车列入正式运行图；再到2004-12-12首列2万吨重载列车从里八庄发车试验成功；以及到2014-04-02首列3万吨重载列车从袁树林发车运行试验圆满成功，太原铁路局一直引领全路重载运输发展方向(注：原北京铁路局大同铁路分局2004年12月改制为大秦铁路股份有限公司，太原铁路局控股，安太堡、里八庄、袁树林均为大同铁路分局管辖)，而C80型车辆自2004年2月投入大秦线后，一直承担着重载运输主型货车的角色，主要用于编组单元万吨、组合万吨和2万吨组合列车，占到大秦线运用车总量的近70%。据统计，全路18%的重载列车牵引里程几乎承担了90%以上的重点物资的发送量。即使到如今，也仅有大秦线以常态化开行2万吨列车为主，日均开行50对以上，其它呼局、沈阳局则只开行万吨列车，大秦线重载运输在全路处于举足轻重的地位，C80重载车辆的运行安全不容忽视。

近年来，随着C80型车辆的不断投入，累计已达到36 348辆，其中湖东段配属33 348辆、集通公司配属3 000辆，检修周期以走行公里和定期检修周期相结合，入段厂修、段修以湖东段为主，日均厂段修80辆、月均2 400辆。运行区段主要是太原局管内大秦线及其关联的北同蒲线、迁曹线和呼局管内大包线、大准线等，其中大秦线约600 km运行区段中，沿途曲线、坡道、钢轨、轨距、线路状况是相对固定的，运行区段相对单一。从历年的重载车辆故障来看，C80型货车车轮磨损(圆周磨耗、轮缘到限)仍是主要故障之一。湖东段每年临修C80车换轮：2013年8 311辆，2014年11 649辆、2015年6 092辆、2016年6 781辆，日均23～44辆，其中90%因车轮圆周磨耗、轮缘到限而扣修，且呈现集中到限的趋势，对运输组织产生较大影响，同时直接影响车辆的运行品质，形势严峻，亟待解决。

1 车轮磨损分析

结合大秦线重载车辆运行路况、轮轨关系、车型结构和检修周期的特点，分析造成车轮圆周磨耗、轮缘磨耗集中到限的原因，主要与运行线路、闸瓦外形、检修限度等因素有关，分析结果如下：

1.1 线路轨距差异大

通过上述分析测算，车轮轮缘外侧与钢轨内侧的“间隙”为-1.6～13.4 mm，波动范围较大。(1)当钢轨轨距为最小、车轮轮缘外侧间距离为最大时，轮缘外侧与钢轨直接接触，发生咬合(尺寸重叠)，并磨耗；在此情况下，最易造成钢轨、轮缘异常磨耗。(2)虽然轨枕是统一模型定制，其横向的轨距也相对固定，但是由于钢轨的韧性，钢轨与轨枕铺设后，线路“局部”呈S型曲线分布。在正常运行过程中，车轮运行到“局部”曲线区段时，仍保持直线运行，造成一侧轮缘外侧与钢轨距离加大，特别是受线路不平顺、弯道的横向载荷作用，加上车辆运行中自身的惯性作用，一侧轮缘外侧与钢轨距离减小，“蛇行运动”过程中轮缘与钢轨间频繁接触，加剧了轮缘外侧与钢轨间的磨耗(如图示1所示)；磨耗较大时，现场可听到刺耳的“磨刀”声，也可观察到车辆左右晃动。

图1 轮缘一侧偏磨的情况示例图

在此情况下，由于车轴在承载的情况下变形较小，不足1 mm(见表1)，在暂不考虑车轴承载变形引起的复杂磨耗时，轮缘根部与踏面成为主要受力面，加之踏面受蛇行运行横向载荷的作用，加剧轮缘根部、踏面间的磨耗，踏面原有的坡度趋于平缓，失去原有“锥形”踏面的对中作用，加剧了车轮踏面的圆周磨耗和轮缓厚度的磨耗，同时也易造成重伤钢轨的恶性循环。

表1 大秦线主型车轴相关部位的弯曲变形(mm)表

1.2 车轮加修尺寸限度

根据《铁路货车轮轴组装检修及管理规则》规定，厂、段修轮对加修均有明确要求，如图示2所示。从车轮轮缘踏面外形和车轮轮缘踏面(LM型)外形系列尺寸(见表2)中可以看出，不同尺寸下的外形系列尺寸A、B、C值是不一样的，特别是C值，越小，R100弧度越长，相应的B值轮缘厚度也越大，踏面弧度起到自动对中的作用。

图2 车轮轮缘踏面(LM型)外形及尺寸示意图(单位：mm)

型号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

事实上，新造车轮的轮缘厚度往往>32 mm，相当于储备了一定的预备磨耗量。因此，运用中很少发现运行一个段修期内(2年或40万公里)发生轮缘磨耗过限、踏面磨耗过限的情况。而在做段修施修时，按轮缘厚度≥26 mm、踏面圆周磨耗段修≤5 mm即可，则运用中轮缘厚度余量仅为3 mm、圆周磨耗仅为3 mm，相比原型余量比分别为11∶3和8∶3，差距是明显的。

1.3 闸瓦外型尺寸与轮缘踏面非正常摩擦

大秦线C80型敞车全部统一装用HGM-D型高摩合成闸瓦。高摩合成闸瓦钢背外弧：R450，闸瓦厚度：45 mm，则构成闸瓦摩擦体的内圆直径为(450-45)×2=810 mm，而车轮外形尺寸为直径840 mm，显然闸瓦摩擦体构成的圆弧直径要小于车轮的直径，即闸瓦摩擦体、车轮踏面之间有一定的间隙，如图示3所示。

图3 车轮轮缘、踏面与闸瓦摩擦体配合示意图(单位：mm)

从图示可看出，闸瓦摩擦体虽然有导角，但由于车轮踏面有R14、R100、R220的过渡圆弧，闸瓦与过渡圆弧接触点处于踏面基点向上10 mm左右；按车轮轮辋宽度135 mm，轮缘厚度32 mm，车轮外侧导角5 mm测算，踏面过渡圆弧就分布在(135-32-5)=98 mm的范围内。当制动时，闸瓦平行推进后与车轮踏面接触：首先由闸瓦摩擦体局部(图中阴影部分)与车轮踏面进行接触，摩擦部位主要是轮缘根部，属先期非正常摩擦；当摩擦体的局部与踏面过渡圆弧摩擦到外形吻合后，闸瓦与车轮踏面才进行整体的正常接触摩擦；一定程度上闸瓦的局部先期磨耗，加剧了车轮踏面对中弧度的磨耗，导致对中能力下降的恶性循环，进一步加剧车轮踏面的磨耗，如图示4所示。通常情况下，在一个段修期内，车轮踏面圆周磨耗在3.675～4.65 mm之间，而轮缘剩余厚度是30 mm左右，当轮缘根部成为主要磨耗部位，进而导致在镟修时要镟掉突出的轮缘高度，同时在踏面平面再镟出R14、R100、R220的过渡圆弧，其整体的镟修量将进一步加大。

图4 闸瓦与车轮踏面、轮缘根部磨耗示例图

1.4 轮轨硬度匹配

大秦线所用钢轨普及为75 kg/M的重型钢轨，其它线路则以60 kg/M为主，由于从60 kg/M标准提高到75 kg/M，在整体的强度、硬度上有了较大的提高，特别是钢轨头部，是经特殊处理的，其耐磨性和强度、硬度有较大提高；而车辆的车轮材质，以CL60车轮钢牌号为例，轮辋表面的HBS硬度270以上，踏面下30 mm的HBS硬度为265以上，相差5，提高仅为1.8%，但是在镟修的情况下，镟修后表面无法进行热处理，硬度相比新造是下降的，车轮踏面的硬度则随段修次数，硬度呈越来越低的趋势；与此同时，车辆的载重由60 t提高到80 t，车辆轴重由21 t提高到25 t、27 t轴重，提高比例为19%，也就是钢轨硬度提高、车辆载重增加而车轮硬度相对不变的情况下，三者间发生磨耗的可能性增加。

1.5 固定编组、固定区段与固定朝向的运行组合

由于大秦线对C80车实行了客车化管理，管内普及整列编组万吨、2万吨列车实行点对点、环线装卸车，导致固定编组、固定区段与固定朝向车辆的运行路况“基本不变”，尤其是车轮轮缘、踏面与钢轨出现周期性的接触，一定程度上形成了规律，即运行到某一路段一定接触、到某一路段一定摆动，造成了车轮轮缘、踏面与钢轨同一部位周期性的磨耗。

2 解决方案

通过上述分析，在严格落实检修工艺、提高检修质量的同时，为进一步降低重载车辆车轮的磨耗速度，避免集中到限造成的检修和运输压力，提出如下建议：

2.1 适当增加线路轨距

2.2 适当提高检修限度

在严格执行厂修、段修检修工艺标准的前提下，对于实行走行公里检修的长交路车辆，在车轮加修时应按上限执行，甚至恢复原型，确保检修后车轮磨耗有足够余量，满足一个检修期内的运行需求和运行安全。

图5 轮轴受力变形示意图

2.3 改进闸瓦摩擦体的外形尺寸

在基本工艺标准不变的情况下，对闸瓦摩擦体外形应充分考虑车轮踏面外形，确保第一时间实现全面接触和吻合；再充分考虑现场更换的需要，可将闸瓦摩擦体既有的内平面改为梯形平面或按车轮踏面原型外形进行定制，最大限度减少闸瓦对车轮轮缘根部与踏面的先期磨耗。

2.4 改进车轮材质和外形尺寸

在充分考虑钢轨材质差异、日常打磨强度差异的情况下，车轮的材质取其适合的最小磨耗量的指标值，对车轮材质进行改进，同时还需充分考虑75 kg/M的重型钢轨和60 kg/M标准钢轨轨头的差异，对车轮外形进行改进，包括适当增大车轮外型直径，综合轮径大小不同、轮轨接触面积受力不同的情况，适应不同钢轨、不同载重车辆，最大限度减少非正常的磨耗。

2.5 适当调整整列编组的朝向

鉴于大秦线主要卸车站、装车站基本实现环线装卸车的特点，对实现客车化管理的循环列车，每10个周期进行一次朝向调整；同时为减少编组站、组合站的调整朝向对运输组织的影响，建议在特定中间站增设适合万吨、2万吨编组列车调整朝向的“环岛”(图6)，便于进行周期性朝向调整。

图6 “环岛”示意图

3 结语

综上所述，重载车辆是重载运输的重要组成部分，是铁路创新发展及新技术、新设备、新工艺集中应用的重要体现，特别是重载车辆结构设计、检修标准、材料配件应用、整体性能要求及运行环境对重载运输安全来说，是一个整体的互动和共赢。大秦线重载车辆作为重载运输的主型货车且车辆车轮磨损作为主要故障，其研究解决的意义重大。在总结多年重载运输经验的基础上，应多角度、全方位去分析研判导致车轮磨损的因素，突破传统思维，着力从轮轨、轮瓦关系的匹配，车轮材质、车辆配件结构的优化，车辆的检修标准、车辆运行环境的调整等方面入手，包括借鉴、吸收、消化C80E大轮径(915轮径)车轮低磨耗的成功经验，综合考虑内在和外在的因素，攻坚克难，以创新思维来解决问题，全面准确分析大秦线重载车辆车轮磨损集中到期原因，对既有重载车辆的运行品质提高和新造重载车辆研究策略，提供了可借鉴的参考，具有深远的意义，能够不断适应运输组织的变化，有效地防范轮对故障风险隐患，提高运输效率，确保车辆的运行安全，服务于运输大局。

[1]周 磊，陈 雷.铁路货车科普培训教材-铁路货车主要结构与使用[M].北京：中国铁道出版社，2012.

[2]铁道部运输局.铁路货车轮轴组装、检修及管理规则[M].北京：中国铁道出版社，2012.

[3]铁道部运输局.铁路货车制动装置检修规则[M].北京：中国铁道出版社，2008.

[4]严隽耄.车辆工程[M].北京：中国铁道出版社，2003.