白正方

（中國鐵路鄭州局集團有限公司 車輛處，河南 鄭州 450052）

1 問題提出

輪軸作為貨車的重要部件，承擔著貨車承載、走行的功能，是直接關系到鐵路貨車行車安全的關鍵部件[1-3]。2014年12月鐵路調圖后，大幅增開120 km/h貨物列車，鐵路運輸對輪軸的技術狀態(tài)提出了更高要求，但貨車運用中發(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行安全的最大隱患。近年來，中國鐵路鄭州局集團有限公司（簡稱鄭州局集團公司）貨車運用部門已發(fā)現(xiàn)多起車輪輪緣嚴重偏磨情況（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，降低列車運行的安全性及穩(wěn)定性，更會導致貨車脫軌、顛覆等安全事故，給鐵路運輸帶來巨大安全隱患。

2 貨車輪緣厚度超限故障統(tǒng)計

根據(jù)HMIS統(tǒng)計，2016—2017年鄭州局集團公司管內列檢發(fā)現(xiàn)輪緣厚度超限、站修更換的輪對共計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）載質量70 t貨車因檢修周期等因素，輪緣磨耗明顯高于載質量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)場調研

2016年10—12月，對新密車站5列272輛貨車進行調查，其中重車151輛、空車121輛，在制動狀態(tài)下實測2 176個閘瓦外側的車輪踏面寬度數(shù)據(jù)并進行分析，發(fā)現(xiàn)制動梁發(fā)生橫向位移現(xiàn)象較多，主要表現(xiàn)為制動梁一端閘瓦靠近、磨損輪緣，另一端閘瓦遠離輪緣、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 同一車輛同一制動梁兩端閘瓦形態(tài)

制動梁與側架滑槽采用間隙配合，允許在合理范圍內左右偏移；同時考慮輪對、制動梁的檢修限度，閘瓦作用于車輪踏面的位置略有不同。根據(jù)名義尺寸計算，制動梁居中時，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為制動梁兩閘瓦托中心距離；85為閘瓦寬度；1 353為貨車輪對內側距離；32為車輪輪緣厚度。

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

表2 空車狀態(tài)制動梁偏移統(tǒng)計

表3 重車狀態(tài)制動梁偏移統(tǒng)計

當閘瓦外側的踏面寬度超過135-32-85=18 mm，說明此時對側閘瓦已接觸并磨損輪緣。實測的2 176個車輪中，閘瓦接觸并磨損輪緣的共661個，占比30.4%；其中空車239個、占比24.7%，重車422個、占比34.9%。空、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。

通過對制動梁偏移、閘瓦磨損輪緣的調查分析可知：

（1）運用中制動梁向一側偏移現(xiàn)象十分普遍，并與閘瓦磨損輪緣存在一定的對應關系；

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

表4 空車狀態(tài)閘瓦接觸、磨損輪緣統(tǒng)計

表5 重車狀態(tài)閘瓦接觸、磨損輪緣統(tǒng)計

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

（4）從上述實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可以看出：基礎制動裝置縱向中心線與轉向架（車體）縱向中心線存在一定夾角，1位轉向架基礎制動裝置相對于轉向架多傾向于反時針偏轉，2位轉向架基礎制動裝置多傾向于順時針偏轉。

4 原因分析

根據(jù)上述實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，制動梁發(fā)生偏移、閘瓦磨損輪緣與轉向架基礎制動裝置結構形式和在運行中受力有著密切的關聯(lián)，以C70型敞車（配裝305X254制動缸）為例，對轉K6型轉向架的基礎制動裝置結構和受力進行分析。

4.1 轉K6型轉向架基礎制動裝置結構

C70型敞車裝用轉K6型轉向架，轉K6型轉向架采用中拉桿式單側閘瓦制動裝置，由左、右組合式制動梁、中拉桿、固定杠桿、游動杠桿、鏈式固定杠桿支點等組成。其基礎制動裝置主要結構見圖3—圖5。

4.2 轉K6型轉向架制動梁橫向力分析

4.2.1 制動狀態(tài)的制動梁橫向力

在緩解狀態(tài)下，制動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，不會造成車輪踏面和輪緣磨損。

制動狀態(tài)下，若上拉桿、中拉桿、支點因受制動拉應力或壓應力作用，其中心線均與車輛縱向中心線平行，制動力在傳遞過程中不產(chǎn)生橫向分力。但由于轉K6型轉向架基礎制動裝置結構特點，縱向傳遞的制動力會對制動梁產(chǎn)生一個橫向分力，從而導致制動梁偏移。

（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)計算，在制動梁居中的情況下，中拉桿兩端的工作銷孔（一端按內孔，另一端按中孔）在水平平面內的相對橫向偏移量為34.55 mm，換算成中拉桿的角度為1.792°，在縱向垂直平面內的相對垂向偏移量為20.80 mm，換算成中拉桿的角度為1.079°。制動時，傾斜的中拉桿對制動梁有一個橫向分力，固定杠桿端制動梁所受的橫向力指向無支點座側，游動杠桿端制動梁所受的橫向力指向支點座側。當列車主管壓力為500 kPa，制動時空車制動缸壓力按140 kPa、重車按360 kPa計算，空車時中拉桿的壓力38 707 N[6]，按中拉桿的水平平面內角度計算得出中拉桿的橫向分力為1 210 N；重車時中拉桿的壓力為99 532 N，計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，是導致制動梁偏移的主要作用力。

圖3 C70型敞車基礎制動裝置結構

圖4 轉K6型轉向架基礎制動裝置結構

圖5 轉K6型轉向架基礎制動裝置側視圖

（2）空、重車支點座高度變化產(chǎn)生的橫向分力。重車狀態(tài)時，支點座比理想位置低21 mm。制動時會對固定杠桿產(chǎn)生一個向下的分力，由于固定杠桿是傾斜的，因此對制動梁產(chǎn)生一個橫向分力，指向無支點座側，也即因固定杠桿支點座位置固定的限制作用，使得2位制動梁產(chǎn)生一個偏向3位車輪的橫向分力，3位制動梁產(chǎn)生一個偏向5位車輪的橫向分力。制動時制動梁沿與車輛縱向水平線夾角12°的側架滑槽向車輪靠近，制動梁上移，同時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，擴大了支點座與固定杠桿的高度差，導致制動梁所受的指向無支點座側的橫向分力增大。空車狀態(tài)時，支點座比理想位置高出22 mm。制動時支點座將帶動支點和固定杠桿上升，由于固定杠桿是傾斜的，因此對制動梁產(chǎn)生一個橫向分力，指向有支點座側。制動過程中，制動梁沿側架滑槽上移，縮小了支點座與固定杠桿的高度差，導致制動梁所受的指向有支點座側橫向分力變小。

4.2.2 制動梁橫向受力、偏移與輪緣磨耗的關系

重車狀態(tài)制動時，游動杠桿端制動梁承受中拉桿傾斜產(chǎn)生的橫向力，向支點座側移動（右移），左側閘瓦靠近并磨損1、7位輪緣；固定杠桿端制動梁承受的中拉桿傾斜產(chǎn)生的橫向力與支點座、杠桿高度差產(chǎn)生的橫向力疊加，推動制動梁向無支點座側移動（左移），右側閘瓦靠近并磨損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)計數(shù)據(jù)相符。

空車狀態(tài)制動時，游動杠桿端制動梁均受中拉桿傾斜產(chǎn)生的橫向力，向支點座側移動（右移），左側閘瓦靠近并磨損1、7位輪緣；固定杠桿端制動梁受到中拉桿傾斜產(chǎn)生的橫向力指向無支點座側，而支點座與杠桿高度差產(chǎn)生的橫向力指向有支點座側，兩者抵消。對比表2與表3、表4與表5可知，支點座帶動制動梁向有支點座側移動的力量較小，不能克服中拉桿傾斜產(chǎn)生的橫向力帶動制動梁向支點座側移動、復位，因此固定杠桿端制動梁仍處于靠近4、6位車輪輪緣，指向無支點座側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制動裝置的轉向架，4、6位車輪均為固定杠桿端有支點座側，因此其輪緣磨耗大于其他位車輪。

4.3 輪徑對制動梁偏移、閘瓦磨損輪緣的影響

輪徑偏小的車輪制動時，制動梁沿側架滑槽抬升的高度大。重車狀態(tài)會擴大支點座與固定杠桿的高度差，導致制動梁所受的指向無支點座側的橫向分力增大；空車狀態(tài)會縮小支點座與固定杠桿的高度差，導致制動梁所受的指向有支點座側的橫向分力變小。因此，固定杠桿端的輪徑偏小時，加劇固定杠桿端有支點座側車輪的輪緣磨耗。

同一輪對兩端的輪徑影響側架滑槽的高度。輪徑偏小端的制動梁向下傾斜，在重力作用下產(chǎn)生一個指向輪徑偏小端的橫向分力。檢修后同一輪對兩端車輪的直徑差不大于2 mm，運用中因車輪圓周磨耗不同直徑差會略有變化，但因制動梁的質量（含閘瓦等）僅64.36 kg，制動梁傾斜角度小，該橫向分力對制動梁在制動狀態(tài)的橫向移動影響不大。但若制動梁傾斜產(chǎn)生的橫向力與制動梁偏移同向時，會在車輛運行中持續(xù)磨損輪緣。因此，同一輪對輪徑偏小的車輪位于2、3、5、8位時，會加劇1、4、6、7位輪緣磨損；但位于1、4、6、7位時，并不會改變制動梁的偏移狀態(tài)。

4.4 制動梁長度對制動梁偏移、閘瓦磨損輪緣的影響

轉K6型轉向架的制動梁偏移受到側架滑槽的限制。經(jīng)計算，側架滑槽磨耗板內側橫向間距為，而制動梁全長原型為mm。制動梁全長處于上限時，在側架滑槽內向左、右側的偏移量為3.9～14.6 mm；處于下限時，在側架滑槽內向左、右側的偏移量為8.4～19.1 mm。考慮到滑塊磨耗套的磨耗，運用中制動梁全長可能低于下限，制動梁在側架滑槽內的偏移量更大。制動梁偏移量超過閘瓦與輪緣間11 mm的正常間隙后，制動梁所受的橫向力通過閘瓦直接作用于輪緣，進而磨耗輪緣。因此，控制制動梁全長，若制動梁在側架滑槽內的偏移量小于11 mm時，制動梁的橫向力作用于側架滑槽，并不會磨損輪緣。

制動梁兩閘瓦托中心至支柱中心距離差（簡稱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，即使制動梁偏移量不足11 mm，閘瓦仍會接觸并磨耗輪緣。因此，控制制動梁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向架的固定杠桿端有支點座側，有利于降低輪緣異常磨耗。

5 結論與建議

5.1 結論

綜合以上分析得出如下結論：

（1）轉K6型轉向架是中拉桿結構的轉向架，由于中拉桿傾斜、支點座與固定杠桿的高度差導致制動梁制動時偏移，制動梁全長較短時會產(chǎn)生閘瓦接觸并磨損輪緣。

（2）重車狀態(tài)制動時，固定杠桿端制動梁因受固定杠桿支點座位置限制，所受的橫向分力較大，制動梁向左側偏移，偏移量達到一定程度時，閘瓦磨損輪緣導致固定杠桿支點座側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）游動杠桿端制動梁所受的橫向力相對較小，制動梁偏移雖然導致無支點座側車輪的輪緣磨損，但檢修周期內不至于發(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、輪徑較小的輪對更容易導致閘瓦磨損輪緣，若處于固定杠桿端的有支點座側，會加劇輪緣異常磨耗。

5.2 建議

（1）在轉向架設計中，優(yōu)化中拉桿在水平面的傾斜角度，適當提高支點座高度，改善制動梁橫向受力。

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

（3）轉向架組裝時，盡可能避免將小輪徑的輪對安在固定杠桿端。

（4）對現(xiàn)有中拉桿轉向架結構，增設制動梁正位或復位裝置。

（5）在運用中，增加檢查確認制動梁偏移量的要求，即通過側架三角孔觀察、測量閘瓦外側的踏面寬度，當外側寬度大于18 mm時，要確認輪緣磨耗情況，對輪緣磨耗嚴重的車輛進行扣車處理。