貨車(chē)輪對(duì)磨耗分布與運(yùn)行安全性的關(guān)系

劉立平

（北京鐵路局 豐臺(tái)車(chē)輛段，北京100070）

貨車(chē)輪對(duì)磨耗分布與運(yùn)行安全性的關(guān)系

劉立平

（北京鐵路局 豐臺(tái)車(chē)輛段，北京100070）

通過(guò)對(duì)TPDS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的運(yùn)行安全性不良貨車(chē)輪對(duì)數(shù)據(jù)及其磨耗情況研究，以及與定檢到期貨車(chē)的輪對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)比，分析了在異常情況下貨車(chē)輪對(duì)磨耗分布規(guī)律與運(yùn)行安全性的關(guān)系。依據(jù)分析結(jié)論，從輪對(duì)磨耗的角度給出了防范和處置貨車(chē)運(yùn)行安全性下降風(fēng)險(xiǎn)的方法。

鐵道車(chē)輛；運(yùn)行安全性；輪對(duì)；磨耗

由車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)軌邊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPDS）得到的貨車(chē)運(yùn)行狀態(tài)，與車(chē)輛運(yùn)行安全性有著密切關(guān)系，TPDS運(yùn)行狀態(tài)積分值較高的車(chē)輛其運(yùn)行安全性較差。由于輪對(duì)踏面形狀為錐形結(jié)構(gòu)，貨車(chē)轉(zhuǎn)向架在運(yùn)行中會(huì)隨著輪對(duì)蛇行運(yùn)行產(chǎn)生橫向擺動(dòng)，在正常條件下，輪對(duì)兩車(chē)輪的磨耗比較對(duì)稱(chēng)。如果在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和車(chē)輛內(nèi)在因素的共同作用下，輪對(duì)在運(yùn)行中逐漸產(chǎn)生了異常磨耗，那么在輪對(duì)踏面異常磨耗到達(dá)一定程度時(shí)，就會(huì)對(duì)車(chē)輛運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。

對(duì)TPDS運(yùn)行狀態(tài)積分值較高車(chē)輛的輪對(duì)磨耗分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，在普通車(chē)輛進(jìn)行了對(duì)比分析，找出了影響貨車(chē)運(yùn)行安全的整車(chē)輪對(duì)磨耗分布規(guī)律和改進(jìn)方法。

1　輪對(duì)磨耗情況

通過(guò)TPDS系統(tǒng)對(duì)貨車(chē)輪軌橫向力進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)獲取的積分值是評(píng)價(jià)車(chē)輛運(yùn)行安全性的關(guān)鍵指標(biāo)之一，聯(lián)網(wǎng)積分值越高，車(chē)輛安全性越差，脫軌風(fēng)險(xiǎn)也越大。從中國(guó)鐵路總公司組織的多次運(yùn)行狀態(tài)不良貨車(chē)的分解檢查結(jié)果來(lái)看，輪對(duì)異常磨耗狀況出現(xiàn)的頻率最高，而影響車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的輪對(duì)異常磨耗因素主要包括同輪對(duì)輪徑差和車(chē)輪的輪緣及踏面廓形（以下簡(jiǎn)稱(chēng)車(chē)輪廓形）。

在輪徑差方面，通過(guò)對(duì)38輛TPDS聯(lián)網(wǎng)積分值較高車(chē)輛的152條輪對(duì)進(jìn)行輪徑檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，同一輪對(duì)左右車(chē)輪的輪徑差ΔD（計(jì)算方法為ΔD=D左-D右，下同）絕對(duì)值大于4 m m者為46條，比例為30.3%，大于6 m m者為29條，比例為19.1%。

在車(chē)輪踏面形狀方面，從上述車(chē)輛踏面磨耗后的形狀分析，部分輪對(duì)踏面呈現(xiàn)左右不對(duì)稱(chēng)的異常磨耗，踏面形狀嚴(yán)重偏離L M型踏面標(biāo)準(zhǔn)形狀，車(chē)輪踏面的正常錐度被嚴(yán)重破壞。圖1和圖2分別是從C64K 4948768的2位和3位輪對(duì)采集的左右車(chē)輪廓形，其中紅線代表的是左輪廓形，藍(lán)線代表右輪。

圖1　正常磨耗廓形示例（輪徑差為1 m m）

圖2　異常磨耗廓形示例（輪徑差為9.2 m m）

2　整車(chē)輪對(duì)磨耗分布規(guī)律

2.1輪對(duì)磨耗分布

為了研究運(yùn)行安全性不良車(chē)輛的整車(chē)輪對(duì)磨耗分布，在38輛TPDS聯(lián)網(wǎng)積分值較高車(chē)輛中抽取27輛為樣本，這些車(chē)輛均裝用了轉(zhuǎn)K2或轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架且上拉桿與現(xiàn)車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)一致（即固定杠桿支點(diǎn)均在現(xiàn)車(chē)內(nèi)側(cè)2位端）。通過(guò)統(tǒng)計(jì)各軸位輪徑差ΔD、轉(zhuǎn)向架對(duì)角磨耗H值（其中H1=ΔD1-ΔD2，H2=ΔD3-ΔD4）、前后轉(zhuǎn)向架扭轉(zhuǎn)磨耗（定義為T(mén) PD值，T PD=H1-H2）等參數(shù)，數(shù)據(jù)如表1所示。

其中，對(duì)確定經(jīng)過(guò)臨修更換的輪對(duì)，ΔD取了其他車(chē)輛在該輪位的平均值。分析表1的數(shù)據(jù)，運(yùn)行狀態(tài)不良貨車(chē)輪對(duì)磨耗的分布反映出以下規(guī)律：

表1　運(yùn)行安全性不良車(chē)輛輪徑差分析表

（1）轉(zhuǎn)向架對(duì)角磨耗嚴(yán)重。在54個(gè)轉(zhuǎn)向架中H值大于5 m m者有38個(gè)，比例70.4%。導(dǎo)致此差值的主要因素是2位、3位輪對(duì)右側(cè)車(chē)輪輪徑相對(duì)較小。若把H值小于1 m m者近似為0，H1與H2分布為“負(fù)/正”的情況較為普遍，27輛車(chē)中有19輛，比例70.4%；“零/正”4輛，比例14.8%；“負(fù)/零”3輛，比例11.1%。

（2）前后轉(zhuǎn)向架扭轉(zhuǎn)磨耗嚴(yán)重。參數(shù)T PD值均為負(fù)值，其平均值為-11.4 m m，且T PD大于7 m m者24輛，比例88.9%。

2.2車(chē)輪廓形

對(duì)38輛TPDS聯(lián)網(wǎng)積分值較高車(chē)輛中的24輛進(jìn)行了車(chē)輪廓形采集。共有37條輪對(duì)存在與圖2情況類(lèi)似的車(chē)輪廓形較嚴(yán)重破壞，比例為38.5%；涉及31個(gè)轉(zhuǎn)向架，比例為64.6%；涉及22輛車(chē)，比例為91.7%（在另兩輛車(chē)中，其中一輛車(chē)的2位、3位輪對(duì)在運(yùn)用中經(jīng)過(guò)臨修換輪，無(wú)法采集到當(dāng)時(shí)的踏面磨耗情況）。

3　輪對(duì)磨耗與車(chē)輛運(yùn)行安全性的關(guān)聯(lián)分析

3.1輪對(duì)磨耗分布因素

理想的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向架4個(gè)車(chē)輪直徑基本相等，經(jīng)檢修合格的貨車(chē)轉(zhuǎn)向架每條輪對(duì)左右車(chē)輪直徑基本相同，但兩條輪對(duì)可以存在規(guī)程限度允許范圍內(nèi)的輪徑差。而運(yùn)行安全性不良車(chē)輛，H值和T PD值卻呈現(xiàn)出較明顯不同的分布規(guī)律。表1反映的車(chē)輛輪徑差均值分布情況如圖3所示，即呈現(xiàn)轉(zhuǎn)向架對(duì)角磨耗及前后轉(zhuǎn)向架扭轉(zhuǎn)磨耗的特點(diǎn)。

圖3　車(chē)輛的輪徑差分布

（1）轉(zhuǎn)向架對(duì)角磨耗H值普遍較大反映出：在每條輪對(duì)等效純滾線偏離軌道中心線的距離隨ΔD而增大的同時(shí)，同轉(zhuǎn)向架兩條輪對(duì)的偏離方向與軌道中心線相反，引起車(chē)輛運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向架發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，使某一輪對(duì)的沖角較大，增大輪軸橫向力，并對(duì)該輪對(duì)的輪重減載率帶來(lái)不利影響。

（2）前后轉(zhuǎn)向架扭轉(zhuǎn)磨耗T PD值參數(shù)反映出：車(chē)輛在運(yùn)行時(shí)，兩轉(zhuǎn)向架偏轉(zhuǎn)方向相反的情況較普遍，另有少數(shù)車(chē)輛是單一轉(zhuǎn)向架偏轉(zhuǎn)。這樣，借助心盤(pán)及常接觸式旁承的阻尼傳遞作用，車(chē)輛的橫向擺動(dòng)增大，從而增大了輪軸橫向力，車(chē)輛運(yùn)行安全性下降。

為了進(jìn)一步說(shuō)明輪徑差ΔD對(duì)貨車(chē)運(yùn)行安全性的影響，隨機(jī)選取了近兩年廠、段修到期的10 521輛敞、棚車(chē)（裝用轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架的60 t及70 t級(jí)通用貨車(chē)）進(jìn)行輪徑數(shù)據(jù)對(duì)比分析。數(shù)據(jù)顯示：敞、棚等車(chē)型1～4位輪對(duì)輪徑磨耗規(guī)律大體一致，小輪徑車(chē)輪出現(xiàn)在右側(cè)的概率較大，但在輪對(duì)左、右端的分布具有較大的離散性，見(jiàn)表2。在總體上，右側(cè)車(chē)輪比左側(cè)磨耗嚴(yán)重，其加權(quán)平均值ΔD=0.435 m m。

表2　通用敞、棚車(chē)輪對(duì)磨耗規(guī)律分析表　%

另外，為了對(duì)比轉(zhuǎn)向架對(duì)角磨耗H值及前后轉(zhuǎn)向架扭轉(zhuǎn)磨耗T PD值在通用貨車(chē)的分布情況，隨機(jī)選取了2015年3月份段修到期的648輛敞、棚車(chē)（裝用轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架的60 t及70 t級(jí)通用貨車(chē)）進(jìn)行輪徑數(shù)據(jù)分析。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：H值大于5 m m的轉(zhuǎn)向架156個(gè)，比例12.0%；T PD值為負(fù)且絕對(duì)值大于7 m m者34輛，比例5.2%。

將這些通用車(chē)與38輛TPDS聯(lián)網(wǎng)高值車(chē)輛進(jìn)行均值對(duì)比，見(jiàn)表3。

表3　H值及TPD值分析表　%

從表3對(duì)比來(lái)看：運(yùn)行安全性不良貨車(chē)各軸位ΔD分布與運(yùn)用貨車(chē)中的統(tǒng)計(jì)規(guī)律并不一致，但H值及T PD值與之存在弱相關(guān)關(guān)系。T PD值為負(fù)且絕對(duì)值高是運(yùn)用貨車(chē)中的特殊情況，因此，可以作為評(píng)價(jià)貨車(chē)運(yùn)行安全性的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

3.2車(chē)輪廓形因素

理想的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向架4個(gè)車(chē)輪踏面均為L(zhǎng) M型踏面原始形狀，不存在踏面磨耗，從而保證輪對(duì)在線路上具有相對(duì)固定的正弦運(yùn)動(dòng)軌跡。出現(xiàn)類(lèi)似圖2的車(chē)輪異常磨耗時(shí)，踏面輪軌接觸區(qū)相對(duì)L M型原始形狀呈現(xiàn)較明顯的凹陷，單側(cè)甚至雙側(cè)車(chē)輪的踏面等效斜度（作為輪軌幾何接觸中的重要參數(shù)）被嚴(yán)重破壞。遇有H值及T PD值較高的情況時(shí)，輪對(duì)等效純滾線偏離軌道中心線的距離加大，但難以通過(guò)正常的蛇行運(yùn)行來(lái)調(diào)整，勢(shì)必增大輪軌橫向力。

由于目前尚無(wú)被普遍認(rèn)可的貨車(chē)車(chē)輪廓形評(píng)價(jià)參數(shù)，其影響程度還需要進(jìn)一步試驗(yàn)和積累數(shù)據(jù)分析。盡管如此，車(chē)輪廓形的嚴(yán)重磨耗卻與踏面圓周磨耗有著很強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系。以各車(chē)輛的最大車(chē)輪踏面圓周磨耗計(jì)算，22輛存在車(chē)輪廓形破壞嚴(yán)重輪對(duì)的車(chē)輛平均值為6.5 m m，且有4輛達(dá)到或超出輪對(duì)運(yùn)用限度即8 m m。若考慮到其中有13輛車(chē)共計(jì)臨修更換過(guò)18條輪對(duì)，這種關(guān)聯(lián)關(guān)系實(shí)際上會(huì)更加明顯。因此，在貨車(chē)運(yùn)用過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)踏面圓周磨耗臨修故障，施以科學(xué)的分析判定和處置，就可以作為重要防范手段，減緩甚至消除車(chē)輛運(yùn)行安全性惡化的趨勢(shì)。

4　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)車(chē)輛在運(yùn)用中TPD值不斷增大時(shí)，其動(dòng)力學(xué)性能就將惡化，若該車(chē)存在廓形破壞嚴(yán)重的車(chē)輪，該輪對(duì)輪軌橫向力就會(huì)大大增加，從而增大TPDS系統(tǒng)評(píng)分值。

建議：

（1）在處置車(chē)輪踏面圓周磨耗過(guò)限的車(chē)輛臨修故障及TPDS評(píng)分高值車(chē)輛時(shí)，規(guī)定同一輪對(duì)ΔD、同一轉(zhuǎn)向架H值及車(chē)輛T PD值標(biāo)準(zhǔn)，超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)更換相應(yīng)輪對(duì)、同轉(zhuǎn)向架輪對(duì)或同車(chē)輪對(duì)。

（2）在處置車(chē)輪踏面磨耗的車(chē)輛臨修故障及TPDS評(píng)分高值車(chē)輛時(shí)，新安裝的輪對(duì)須經(jīng)過(guò)全面旋修，以保證修復(fù)車(chē)輪廓形。

輪對(duì)異常磨耗與貨車(chē)運(yùn)行的安全性互為因果關(guān)系，是影響貨車(chē)運(yùn)行安全性諸多因素之一。受樣本數(shù)量的限制，本文的分析只針對(duì)了特定主型貨車(chē)。由于不同轉(zhuǎn)向架和不同制動(dòng)形式的車(chē)型輪對(duì)磨耗規(guī)律不同，其他車(chē)型的相關(guān)規(guī)律還需要進(jìn)一步研究。

［1］ 池茂儒，張衛(wèi)華，曾 京，等.輪徑差對(duì)行車(chē)安全性的影響［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2008，8（5）：20-21.

［2］ 劉振明.貨車(chē)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置對(duì)車(chē)輪磨耗的影響［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2011，31（6）：23-29.

［3］ 劉吉遠(yuǎn)，陳 雷.鐵路貨車(chē)輪軸技術(shù)概論［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

Relationship of Freight Vehicle W heel-set Abrasion Distribution and Operational Safety

LIU Liping
（Fengtai Vehicle Depot，Beijing Railway Bureau，Beijing 100070，China）

A nalyzing the data and abrasion condition of the unsafely running freight vehicle w heel-set fro m TPDS m onitoring system，co m paring with the w heel-set data of regularly checked freight vehicles，the relationship between freight vehicle w heel-set abrasion distribution and running safety is analyzed.Fro m the conclusions，the method to avoid the running risk of the freight vehicle is proposed based on w heel-set abrasion condition.

railway vehicles；operational safety；w heel-set abrasion

U272

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.29

1008-7842（2015）05-0119-04

劉立平（1972—）男，高級(jí)工程師（2015-05-10）