鐵路重載貨車輪對技術的發展現狀

張彥臣 滕杰

摘? 要：概述了國內外鐵路重載貨運的發展現狀，對我國鐵路重載貨車輪對技術現狀進行了分析，提出了針對重載的與貨車輪對技術有關的車軸車輪制造技術以及輪對檢測技術的發展方向。

關鍵詞：重載鐵路;貨車輪對;發展現狀;述評

中圖分類號：U270.33? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）26-0143-03

Abstract： In this paper， the development status of railway heavy-duty freight transportation at home and abroad was summarized， the technical status of heavy-duty wheelset of wagons on China's railway was analyzed， and the development direction of the axle & wheel manufacturing and detection technology related to the wheelset technology of heavy truck? have been proposed.

Keywords： heavy-duty transportation; wheelset of wagons; development status; review

隨著“一帶一路”倡議的實施，我國與東歐和歐洲的貿易迅猛發展，對鐵路運輸能力提出了更高的要求。重載運輸是世界鐵路貨運發展的主要方向之一，是除高速鐵路以外，鐵路現代化的又一個標志。提高貨車的軸重是實現重載運輸所采用的一個重要手段，而要提高軸重就必須提高重載貨車輪對技術水平。

我國目前鐵路貨運線上運行的70噸級貨車的軸重為23噸，80噸級貨車的軸重為25噸，軸重為21噸的貨車還在大量的使用，顯然，我國貨車的軸重水平與重載運輸先進國家相比存在較大差距，研發出重載輪對以滿足研制更大軸重貨運裝備的需要，任務迫切。

1 國內外鐵路重載貨運發展現狀

2005年，國際重載協會在巴西召開年會，對“重載鐵路”進行了新的定義[1]，即滿足三條，一是單線年貨運量不少于4000萬噸，運距在150公里以上，二是單元式列車或者組合式列車牽引重量不小于8000噸，三是車輛軸重達到或超過27噸。

目前國外的情況是，美國、加拿大、澳大利亞、巴西、南非等國家煤炭和礦石資源豐富，貨物運量很大，重載運輸技術發展較快[2]。美國主要采取重載單元列車方式運輸，列車總重達到136000噸，軸重（29.8-35.7）噸，所有一級鐵路的標準軸重為33噸，對不同軸重的貨車進行長期運行試驗比較，再經過綜合分析，美國開行最經濟的是32.43噸軸重貨車。加拿大一級鐵路標準軸重己升級為33噸。澳大利亞重載運輸技術近年來進步明顯，其重載鐵路的軸重己經提高到35噸，40噸軸重的機車和貨車也已在BHP線路上廣泛應用，牽引重量最高達45000噸，年運量超過億噸。巴西卡拉齊斯重載鐵路的軸重是30噸。俄羅斯鐵路已經將現有貨車軸重提高到了27噸，適用于35噸軸重車輛的關鍵零部件正在抓緊研制中。

從運輸量和運輸密度來看，我國的重載運輸均位于世界前列。我國重載鐵運技術的發展思路是，綜合各線路具體情況，逐步提高車輛軸重以提升貨運能力，以國鐵重載運煤專線為例，軸重普遍由25噸升級為27噸，再進一步向30噸發展。

上世紀八十年代，我國設計制造的60噸級耐候鋼貨車的軸重為21噸。上世紀九十年代，以開行整列式重載列車的方式對沿海繁忙干線進行技術改造，牽引重量達到5000噸以上。為了滿足大秦鐵路運行兩萬噸重載列車的需要，進入21世紀，我國設計制造了軸重為25噸的C80型鋁合金、C80B型不銹鋼運煤專用敞車;2006年，我國全面生產軸重23噸、載重70噸、時速120km的新型貨車，完成了載重貨車由60噸級向70噸級的全面升級。從2004年到2007年，針對大秦鐵路線的貨車運輸設備和移動設備，進行了全面的擴能技術改造，其年運量遞增5000萬噸，到2014年年運量達到4.5億噸，成為了世界上運輸密度最大、運輸能力最高的重載鐵路。2009年以來，通過對27噸軸重通用貨車的系統研究，2014年6月首批軸重為27噸的C80E貨車投入大秦線試運行，進行實時考驗，并于2016年1月通過鐵總的運行考核技術評審，標志著我國與國外重載貨車領域的技術差距正在逐步縮小，朝著世界先進重載技術國家邁進了堅實的一步[3]。

2 鐵路重載貨車輪對技術現狀分析

大力發展鐵路重載貨運的有效途徑之一是采用大軸重貨車，目前世界鐵路貨車重載技術發展處于前列的國家主要有美國、加拿大、澳大利亞、南非、巴西等，軸重達到27～40噸，國內外重載貨車牽引重量及軸重見表1[3]。

隨著鐵路重載運輸的發展，提高貨車軸重和列車牽引重量是最有效的兩個途徑，其中，開發并應用大軸重輪對及其對應的重載轉向架，可以進一步提升既有線路貨運能力，故提高車輛軸重、增大單車載重，是世界重載運輸國家采取的主要技術措施之一。

提高貨運速度是世界重載運輸國家采取的主要技術措施之二。北美、歐洲鐵路快運貨物列車最高運行速度已達到160km/h，德國正在設計構造速度達到200km/h的貨運列車，法國也在試運行200km/h高速貨運。我國正在開發160km/h快捷貨運，已進入可靠性試驗階段。

3 鐵路重載貨車輪對技術發展趨勢

3.1 重載貨車車軸技術

要大幅提高貨車輪對的承載能力，首先要大幅提高重載車軸技術，主要有三個途徑：一是車軸用鋼新材料研發及其熱處理工藝優化;二是車軸結構形式優化，降低車軸的最大應力;三是對車軸表面進行改性處理，提高疲勞強度。

3.1.1 研發車軸用鋼新材料和優化熱處理工藝

根據相關標準，車軸疲勞壽命設計值要求為30年以上，或者車軸循環次數超過107。車軸的疲勞強度與車軸材質及熱處理工藝密切相關。傳統的火車用車軸鋼為中碳鋼，最終熱處理態為正火，已不能滿足高速重載的要求。

（1）歐系車軸

以德國、英國為代表的歐洲國家，如EN13261標準中的EA4T車軸鋼，采取降低碳含量、加入適量的Ni、Cr、Mo、V等合金元素的方法來提高車軸的疲勞強度，相當于我國的25CrMo合金鋼，對車軸進行調質熱處理，以獲得回火索氏體組織，提高車軸的綜合力學性能進而提高車軸的疲勞強度。

（2）日本北美系車軸

以日本和美國為代表的國家，車軸用鋼采用碳素鋼，但是對車軸的熱處理工藝進行了改進。日本標準JISE4502中，S38C車軸鋼的含碳量大約在0.35%～0.41%，含碳量略有降低，對車軸的輪座部位進行中、高頻感應淬火處理，在車軸表層形成壓應力，提高了車軸疲勞強度。北美標準ARR中相當于我國的LZ50鋼的F級車軸鋼，一方面通過調質熱處理改善車軸的綜合力學性能，另一方面通過對車軸易于產生疲勞斷裂的部位進行溫度在535℃～565℃范圍的淬火[4]，F級車軸鋼的力學性能保持不降低，車軸表面的殘余壓應力和疲勞強度大大提高了。

3.1.2 車軸合理的結構設計

車軸結構設計的不合理會導致疲勞裂紋的產生，車軸結構對車軸疲勞強度影響顯著。優化車軸結構的途徑有兩個，一方面是采用空心車軸替代實心車軸[4]，不僅可以提升車軸的疲勞強度，而且由于車軸屬于“簧下質量”，降低車軸自重可以有效降低車輪和軌道之間的磨損，還能有效節約資源。另一方面，綜合考慮輪座直徑、軸身直徑、過渡圓弧等結構參數，合理地設計壓裝過盈配合部位的形狀，再結合相應的材質和熱處理工藝，找到最合理的高速車軸結構。

3.1.3 合理的表面改性處理

近年來，表面改性技術得到了長足發展，如對零件表面進行鍍鉬、噴丸、滾壓等機械化加工硬化處理，不僅可以減小疲勞裂紋源的產生，而且能提高零件的疲勞強度。對于車軸，采用上述表面改性技術后，能提高車軸表面殘余壓應力水平，增強車軸的表面強度和硬度，從而有效抑制了疲勞裂紋源的萌生和擴展[4]。

歐洲等國家針對中、低合金高強度鋼（EA4T、34CrNiMo6等），采用調質處理加表面滾壓技術來確保車軸具有良好的力學性能和疲勞強度。我國株洲電力機車廠下屬車軸制造廠采用EA4T機車軸表面鍍鉬的方法提高車軸強度，硬度可達到260HB。另外，對車軸表層進行滲C、滲N或者是C、N共滲等熱處理方法，利用電刷鍍、電鍍等電沉積技術，不僅保留了車軸心部良好的韌塑性，而且提高了車軸表面的殘余壓應力水平和疲勞強度，有效地阻止疲勞裂紋的擴展，改善車軸的抗腐蝕性能[4]。

3.2 重載貨車車輪技術

要大幅提高貨車輪對的承載能力，必然要研發與之適應的重載車輪，途徑之一就是車輪用鋼新材料的研究。近年來，為了將貨車軸重逐步提高到30噸，行駛速度提高到120km/h，并提高30%的運行效率，馬鋼通過與國內高等院校、鐵道科研院所的“產學研”合作，在車輪新材質和新結構研究領域取得了長足進步。在充分調研大秦鐵路C80重載貨車車輪的服役情況下，通過不斷探索，調整了CL60車輪用鋼中C、Si、Mn等合金元素的含量，研發出適用中國重載鐵路需求的材質為CL65、CL70的重載車輪用鋼，并在大秦線重載鐵路線通過了17萬km裝車運用負載試驗，通過了重載貨車車輪研發項目專家組評審[5]。可靠性試驗結果表明，該車輪用鋼的性能參數和綜合性能的提高較為顯著。2007年11月，CL65、CL70的重載車輪陸續投入大秦鐵路使用，使用結果表明，車輪踏面磨損正常、車輪使用狀況良好，提高了單車運載能力，貨車運行效率提高20%。根據以上研究思路和成果基礎，進一步成功開發了大軸重（30-40噸）的重載車輪，出口北美、澳大利亞、巴西等國家和地區，我國重載車輪的制造水平已居于世界先進行列。

提高車輪承載能力的途徑之二是，車輪合理的結構設計。合理的車輪結構對降低輪軌接觸應力和輪軌磨耗影響很大。利用ANSYS、SIMPACK等大型工程軟件，建立大軸重貨車動力學模型，分別計算和仿真分析在直線上和曲線軌道上，車輪不同的結構形狀和尺寸對車輪的溫度場、車輪熱應力場、車輪的靜強度、疲勞強度、接觸強度的影響，以及仿真檢驗磨耗到限時車輪超常工況下等效應力是否超過許用應力，探求哪種車輪模型能夠大大降低接觸應力和輪軌磨耗。據此選擇確定合適的輪型和與之匹配的軌道型號。文獻[6]對32.5t軸重貨車車輪的研究結果表明，LM磨耗型踏面與60kg/m鋼軌匹配比與75kg/m鋼軌匹配更良好。

在北美，利用大型計算機工程軟件，對貨車車輪提高軸重后的結構進行仿真研究，得出了許多有用的結論[7]。如，通過不斷修改幅板結構、優化車輪尺寸參數，危險部位應力狀態得到改善，即在不增加車輪重量（不加大車輪踏面直徑）的情況下，通過改進車輪結構形狀，在保證同樣的安全系數下，提高了軸重。

3.3 重載貨車輪對尺寸自動檢測技術

輪對是鐵路貨車行走機構中的關鍵部件，如果輪對在運行中發生故障，將會對貨車本身以及鐵路設施帶來傷害，給鐵路運輸造成重大損失。輪對故障導致的安全事故屢見不鮮，貨車使用了重載輪對后，故障率會有所下降，但不會就此沒有故障了，研究開發在線經濟可行的檢測設備，對貨車輪對尺寸進行動態檢測，以及時發現并預報輪緣尺寸超限的輪對，來實現確保車輛運行安全。

目前，我國大多采用人工現場抽檢的方式對輪對進行檢測，不但效率低下、檢測項目少，而且經常漏檢或誤檢，檢測精度以及可檢測項目不盡如人意。按照原理分類，常用的輪對尺寸自動檢測技術可分為激光位移測距、視覺自動測量和光截圖像原理等三類。

有一種基于PSD的激光測距檢測系統[8]，充分利用了PSD測量技術的分辨率高、后續處理簡單、實時性強、軌邊設備安裝簡便的特點，該輪對尺寸動態檢測系統，具備系統自標定技術，檢測指標多樣且能達到較高的精度，能滿足對貨車輪對動態檢測的要求。另一種應用于貨車的入庫檢查以及地鐵在線監查的檢測裝置[9]，自帶傳送翻轉機構、測量及其控制系統、信號處理系統，待貨車輪對沿著輸入軌道進入測量位置后，通過激光傳感器、電渦流傳感器與各個部件的協同作用，經A/D采集卡及信號處理系統，自動完成對輪對各參數的測量。

4 結束語

根據我國的實際技術現狀和不斷大幅增長的貨運需要，研發重載輪對來提高貨車的軸重是實現重載貨運的必由之路，需加強重載輪對的研發力度，盡快將27噸的軸重提升到專用貨車的32.5噸軸重，貨車輪對的技術進步將直接關系到我國鐵路貨運重載目標的實現。

研制我國新一代大軸重貨車輪對的關鍵在于，在盡量不增加“簧下質量”的前提下，大幅提高車軸和車輪的承載能力。重載車軸技術進步在于：車軸材質微合金化及熱處理工藝優化;車軸結構形式優化，降低車軸的最大應力;對車軸表面進行改性處理，提高疲勞強度。重載車輪技術進步在于：進一步開發重載車輪用鋼新材料;車輪合理的結構設計。采用現代檢測技術，有利于使用好重載輪對。

參考文獻：

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