我國重載鐵路貨車車輪旋修及壽命周期研究

王文剛，曹玉峰，邵文東，徐世鋒，孔維剛，王 廠

(1.國能鐵路裝備有限責任公司，北京 100120；2.中車齊齊哈爾車輛有限公司 大連研發中心，遼寧 大連 116052)

通過對國能鐵路裝備有限責任公司的5個檢修分公司調研發現，80 t級敞車一個段修期內約有70%以上的車輪需進行旋修，是所有零部件中修理率最高的零部件。因此車輪是制約車輛相關高級修程的主要零部件，其壽命周期是制定檢修周期的基數。車輪的旋修周期決定車輛的檢修周期(圖1)，其他零部件的檢修周期應以車輪旋修周期為基數，從而實現車輛檢修周期與零部件檢修周期匹配，有效減少過度分解及過度檢修，達到提高檢修效率、減少或避免臨修故障，提高列車周轉率的目的。綜上所述，掌握車輪的磨耗規律及磨耗原因，確定合理的車輪旋修周期是制定狀態修修程的根本和關鍵所在。

圖1 零部件檢修周期與狀態修修程關系圖

1 車輪檢修數據分析

2018年10月，中車齊齊哈爾車輛有限公司在肅寧、滄州檢修分公司調研了186條C80型敞車輪對，并通過軸號、車號、車型等信息確定所檢測車輪的唯一性，以此追蹤該車輪上個段修期是否旋修，并推演車輪磨耗與運用里程的關系。表1為車輪磨耗及旋修情況統計。由表1數據對比分析可以看出，同為運用一個段修期40萬km，新輪磨耗速率為0.55 mm/105km，較經過旋修車輪磨耗速率(0.78 mm/105km)約小29.5%。但實際運用的車輛新輪數量非常少，僅占段修輪對總數的1%左右，因此狀態修模式下的車輪旋修周期應以旋修車輪再投入運用的磨耗周期為主來制定。

表1 車輪磨耗及旋修情況統計

1.1 車輪踏面圓周磨耗深度分析

根據調研數據統計分析，新旋修車輪運用1個段修期，其踏面圓周磨耗深度平均值為3.13 mm。按照1個段修期平均運用里程為40萬km推算，其磨耗速率為0.78 mm/105km，其中最大磨耗深度為5.2 mm，車輪踏面圓周磨耗深度超過檢修限度3 mm的比例為47.44%。因此，車輪踏面圓周磨耗深度均未超過運用限度(8 mm)，車輪40萬km的旋修周期能夠保證車輛運用安全。

1.2 車輪踏面圓周磨耗限度分析

車輪旋修率越少，則檢修經濟性越好；車輪臨修率越高，則車輛運用維修經濟性越差，車輛運用安全性越低。因此，綜合考慮車輪旋修率和臨修率，制定合理的車輪踏面圓周磨耗限度是降低車輛運維成本的關鍵要素之一。通過對我國重載鐵路貨車車輪磨耗調研及研究結果[1-5]分析發現，車輪踏面圓周磨耗速率基本是線性的，本文將按照車輪踏面圓周方向線性磨耗推演1個段修期車輪旋修率和臨修率。

車輪臨修率預測方法是將車輪按照耐磨性分為兩類：磨耗超過限度的耐磨性較差的車輪均需旋修，下一個段修期磨耗從“0”開始推算，運用1個段修期車輪踏面圓周磨耗深度超過運用限度8 mm的比例；磨耗小于限度的耐磨性較好的車輪不旋修，下一個段修期磨耗最大從“磨耗限度”開始推算，運用1個段修期車輪踏面圓周磨耗深度超過運用限度8 mm的比例。

表2為車輪不同檢修限度對應的旋修率與臨修率。新旋修車輪的磨耗速率推演結果表明：車輪踏面圓周磨耗深度≤3.5 mm、同一輪對輪徑差≤2 mm能夠保證車輛運用安全，同時車輪旋修率降低44.27%，降低幅度最為明顯，臨修率處于較低水平，經濟性與安全性綜合效益最優。重載鐵路貨車運行速度一般低于80 km/h，參照2016版《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規則》中“非提速貨車輪徑差檢修限度按2 mm”掌握。多年運用數據和經驗表明，將輪徑差檢修限度設置為2 mm,安全性與經濟性綜合效益較高，因此,重載鐵路貨車同一輪對輪徑差限度設置為2 mm較為合理。

表2 車輪不同檢修限度對應的旋修率與臨修率

1.3 車輪輪緣磨耗分析

對186條輪對車輪的輪緣磨耗進行分析，輪緣厚度統計如表3所示。由表3可知，車輪輪緣最小厚度為27.9 mm，最大厚度為37.0 mm，平均厚度為31.6～33.5 mm。車輪輪緣磨耗輕微，沒有超過檢修限度。因此，車輪輪緣磨耗不是影響重載鐵路貨車車輪旋修周期的主要因素。

表3 輪緣厚度統計

2 車輪磨耗影響因素分析

影響車輪磨耗的主要因素包括輪輞硬度、閘瓦制動、輪徑及踏面廓形等。

2.1 輪輞硬度

對重載鐵路貨車車輪和高鐵車輪的研究結果表明：新輪踏面向下3 mm范圍內硬度較高，沿輪輞徑向方向硬度變化梯度較大，車輪芯部硬度梯度不明顯；車輪硬度越高，耐磨性越好，磨耗量越小。這也是新輪踏面磨耗速率小于旋修后車輪踏面磨耗速率的原因。

2.2 閘瓦制動

表4為不同輪位正常制動與關門車運行22萬km車輪踏面垂直平均磨耗量。重載鐵路貨車輪瓦及輪軌監測試驗研究結果表明：通過設置關門車工況，與正常制動車輛的車輪磨耗進行對比，得出閘瓦對車輪踏面磨耗的貢獻值約為23%。因此，閘瓦對車輪磨耗影響不大，車輪磨耗主要來自于輪軌磨耗。

表4 不同輪位正常制動與關門車運行22萬km車輪踏面垂直平均磨耗量 mm

2.3 輪徑及踏面廓形

為研究輪徑及踏面廓形對車輪磨耗的影響，根據實際檢測的數據和踏面形狀測量的實際踏面廓形，選取C80型敞車，按照不同輪徑、踏面廓形、輪緣厚度設置了10個計算工況(表5)。圖2為不同工況下踏面磨耗量與踏面磨耗指數的關系，圖3為車輪直徑與踏面磨耗指數和踏面磨耗量的關系。由圖2和圖3可知，車輪直徑對接觸點的分布幾乎沒有影響；磨耗后踏面隨著車輪直徑的減小，踏面磨耗指數略有上升；新踏面磨耗指數隨車輪直徑變化不明顯；磨耗后踏面廓形較新，LM型的踏面磨耗指數更大。

圖2 踏面磨耗量與踏面磨耗指數的關系

圖3 車輪直徑與踏面磨耗指數和踏面磨耗量的關系

表5 計算工況設置

綜上分析結果表明：車輪直徑對車輪踏面圓周磨耗量影響不大；車輪芯部硬度梯度不明顯，與調研結果中的不同輪徑踏面圓周磨耗變化不明顯的規律一致。因此,新輪較新旋修車輪磨耗小的主要影響因素是輪輞硬度。

3 車輪旋修分析

3.1 車輪旋修情況

輪對進入檢修車間執行的檢修工藝為：車輪踏面檢測(設備自動檢測)、軸承故障檢測→車輪旋修→旋修后車輪直徑、輪緣厚度等數據檢測→輪對交付。車輪執行的檢修標準為：踏面磨耗深度≤3 mm、同一輪對輪徑差≤1 mm、輪緣厚度分4個限度(26 mm、28 mm、30 mm、32 mm)、段修輪輞剩余厚度≥26 mm、運用輪輞剩余厚度限度≥23 mm。

車輪的壽命周期由兩方面因素決定：踏面磨耗量和踏面旋修量。在車輪磨耗量一定的條件下，車輪旋修量越小，車輪的使用壽命越長。輪緣旋修后的剩余厚度分為4個限度，分別為：26 mm、28 mm、30 mm、32 mm，踏面和輪緣采用多刀成型方法加工獲得。表6為車輪旋修量統計，圖4為車輪踏面旋修量與輪緣旋修量的關系。

由表6和圖4可以看出，車輪踏面旋修量與輪緣旋修量沒有明顯的對應關系，提高了車輪旋修的經濟性，有效保證了車輪的使用壽命。

表6 車輪旋修量統計 mm

圖4 車輪踏面旋修量與輪緣旋修量的關系

3.2 車輪旋修量與踏面磨耗量、旋修前車輪直徑的關系

同一輪對的車輪旋修量的確定方式為：首先檢測小輪側車輪踏面磨耗量，然后確定小輪側車輪踏面旋修量，再結合輪徑差，最終確定大輪側車輪踏面旋修量，即輪徑差之半與小輪側車輪踏面旋修量之和。所以大輪徑車輪的旋修量要大于小輪徑車輪旋修量，即踏面旋修量與旋修前的車輪直徑成正比(圖5)，與踏面磨耗量成反比(圖6)。綜上所述，制定合理的輪徑差限度能夠有效降低車輪旋修率及踏面旋修量，進而提高車輪使用壽命。

圖5 踏面旋修量與旋修前車輪直徑的關系

圖6 踏面旋修量與踏面磨耗量的關系

3.3 輪緣旋修量與輪緣厚度的關系

由于輪緣旋修后的厚度可依旋修量最小原則在26 mm、28 mm、30 mm、32 mm之間選取，較薄側輪緣旋修后達到26～28 mm、較厚側輪緣旋修后達到30～32 mm即可。圖7為輪緣旋修量與輪徑差的關系，圖8為輪緣旋修量與旋修前車輪直徑的關系。

圖7 輪緣旋修量與輪徑差的關系

圖8 輪緣旋修量與旋修前車輪直徑的關系

由圖7和圖8可以看出，輪緣旋修量與同一輪對輪徑差、旋修前車輪直徑并沒有明顯對應關系，符合車輪經濟旋修理念。輪緣旋修不是制定車輪旋修周期的主要影響因素。

3.4 車輪旋修周期

圖9為車輪輪輞厚度減少量與踏面磨耗量、踏面旋修量的關系。由圖9(a)可以看出，踏面磨耗量與踏面旋修量較為接近，且差距越來越小，即車輪的踏面磨耗量和踏面旋修量相當，說明車輪磨耗限度制定的較為嚴格，即檢修里程較短，這顯然是不經濟的。圖9(b)中，踏面磨耗量大于踏面旋修量，且差距越來越大，說明車輪輪輞厚度減少量主要來源于磨耗，經濟性好，但踏面磨耗量超過5 mm、接近運用限度8 mm的情況較多，安全裕量較小，臨修率高，說明車輪旋修周期太長，雖然經濟但不利于安全。圖9(c)中，踏面磨耗量始終大于踏面旋修量，說明車輪輪輞厚度減少量主要來源于磨耗，經濟性好，同時兩條趨勢線基本平行且磨耗量基本不超過5 mm，距離運用限度8 mm有足夠的安全裕量，說明車輪狀態比較穩定且可控。因此，圖9(c)對應的40萬km車輪旋修里程最優。

圖9 車輪輪輞厚度減少量與踏面磨耗量、踏面旋修量的關系

4 車輪壽命分析

通過調研分析得出，新輪使用第1個段修期的車輪踏面圓周平均磨耗量為2.18 mm、旋修平均量為1.48 mm，因此得出1個段修期車輪輪輞厚度平均減少量為3.66 mm。新旋修車輪每個段修期踏面圓周平均磨耗量為3.13 mm、旋修平均量為1.70 mm，因此得出1個段修期車輪輪輞厚度平均減少量為4.83 mm、車輪直徑平均減少量為9.66 mm。按照段修車輪輪輞剩余厚度限度26 mm、廠修車輪輪輞剩余厚度限度28 mm、運用車輪輪輞剩余厚度限度23 mm推算，C80型敞車車輪的使用壽命約為200～240萬km、10～12年左右，這與輪軸檢修車間按照車輪報廢統計的車輪壽命約為11年相吻合。

5 結束語

本文通過對重載鐵路貨車的運用檢修調研分析、車輪磨耗原因分析、車輪旋修工藝分析和車輪壽命分析，可以得出如下結論：

(1)將重載鐵路貨車車輪檢修限度定為同一輪對輪徑差≤2 mm、車輪踏面圓周磨耗深度≤3.5 mm、輪緣厚度≥26 mm和40萬km旋修周期，不僅輪對旋修率大幅降低，同時又能夠保證臨修率非常低，此時經濟性與安全性綜合效益最優。

(2)按照車輪踏面磨耗量和旋修量推算，C80型敞車車輪的壽命約為200～240萬km、10～12年左右，與車輪報廢統計得出的車輪壽命相吻合。

本文通過車輪旋修周期和壽命的研究，掌握了車輪磨耗規律，制定了車輪檢修限度，為零部件檢修周期及壽命周期匹配提供了基礎，并為狀態修修程制定提供了有力支撐，可有效提高檢修效率及列車周轉率。