淺談C70型貨車車輪輪緣裂紋的原因分析及應(yīng)對(duì)措施

張強(qiáng)洪

摘 要：簡要分析了近期C70型貨車車輪輪緣出現(xiàn)裂紋的相關(guān)數(shù)據(jù)，總結(jié)了導(dǎo)致車輪輪緣出現(xiàn)裂紋的內(nèi)外部因素，并針對(duì)這種情況提出了幾點(diǎn)改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：輪緣裂紋；C70型貨車；車輪軸重；導(dǎo)向輪

中圖分類號(hào)：U270.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.077

C70型貨車是朔黃鐵路公司最早上線運(yùn)行的一批新型車輛。截至目前，C70型貨車相繼出現(xiàn)了車輪踏面圓周磨耗超限、車輪輪緣厚度超限等故障。近期，多個(gè)車輪輪緣裂紋故障尤為嚴(yán)重。輪緣出現(xiàn)裂紋并延伸后，會(huì)直接導(dǎo)致車輪破碎，使得列車脫軌。這些典型故障引起了各方面的高度關(guān)注。為此，車輛技術(shù)人員調(diào)查了現(xiàn)有的故障車，提取了相關(guān)數(shù)據(jù)作分析、研究，并針對(duì)故障提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 調(diào)查情況

朔黃鐵路線路全長594 km，神朔鐵路線路全長221 km，而C70型貨車周轉(zhuǎn)時(shí)間約為2.7 d，那么，車輛年運(yùn)行里程約為2.2×105 km。

現(xiàn)收集了近期出現(xiàn)車輪輪緣裂紋的C70型貨車的相關(guān)數(shù)據(jù)。出現(xiàn)車輪輪緣裂紋的車輛基本信息統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。

調(diào)查結(jié)果顯示，不同生產(chǎn)輪對(duì)的廠家、不同的輪對(duì)出廠時(shí)間和熔煉爐號(hào)生產(chǎn)出的車輪都出現(xiàn)了輪緣裂紋的情況。這說明，輪緣裂紋具有普遍性。出現(xiàn)輪緣裂紋的車輪主要有3種：①踏面圓周磨耗、輪緣厚度磨耗嚴(yán)重的車輪；②相對(duì)于同輪對(duì)的另一個(gè)車輪踏面圓周磨耗、輪緣厚度磨耗嚴(yán)重的；③主要發(fā)生在

2 輪緣裂紋原因分析

2.1 C70型貨車車輪軸重和材質(zhì)問題

在朔黃線上運(yùn)行的其他車型，比如C64型、C64K型、C64H型的貨車運(yùn)行方式與C70型貨車的一樣，但是，并未發(fā)現(xiàn)有車輪輪緣裂紋。鑒于此，相關(guān)工作人員應(yīng)該考慮，C70型貨車輪對(duì)的材質(zhì)和軸重是否能夠滿足朔黃線的運(yùn)行要求。

2.2 踏面圓周、輪緣厚度的磨耗

由相關(guān)數(shù)據(jù)可知，首先出現(xiàn)車輪輪緣裂紋的是踏面圓周磨耗、輪緣厚度磨耗比較嚴(yán)重的車輪。踏面圓周磨耗是車輪長期運(yùn)行時(shí)與鋼軌摩擦造成的。踏面圓周被磨耗后，會(huì)破壞踏面的標(biāo)準(zhǔn)外形，沿車輪直徑方向的尺寸也會(huì)減少，使踏面與鋼軌經(jīng)常接觸部分的錐度變大。這個(gè)過程使輪對(duì)蛇形運(yùn)動(dòng)的波長減小，頻率增高，運(yùn)行阻力增加，從而影響了車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性，同時(shí)，也加劇了輪緣厚度的磨耗。輪緣厚度磨耗是因?yàn)檐囕嗛L期做蛇形運(yùn)動(dòng)，輪緣經(jīng)常與鋼軌內(nèi)側(cè)面發(fā)生沖撞而產(chǎn)生的；再加上曲線受力的作用，外側(cè)車輪輪緣與內(nèi)、外軌內(nèi)側(cè)面摩擦，造成磨耗。輪緣厚度磨耗會(huì)增加輪軌間的橫向游隙，當(dāng)車輛直線通過時(shí)，會(huì)增加其橫動(dòng)量，使其運(yùn)行平穩(wěn)性變差。

綜上所述，這兩種磨耗都會(huì)加重車輪輪緣的磨耗程度，降低車輪的強(qiáng)度。

2.3 同輪對(duì)兩種磨耗差值大

朔黃鐵路主要以運(yùn)輸煤炭為主。C70型貨車多數(shù)是在神木北以西方向的烏蘭木倫、朱蓋塔、大柳塔等裝車站裝車。這些裝車站只有大柳塔具備環(huán)線裝車條件，并且車輛進(jìn)入哪個(gè)裝車站是根據(jù)裝車站的裝車情況隨機(jī)定的，無固定周期計(jì)劃要求的車輛要進(jìn)入大柳塔站換端運(yùn)行。因此，在其他站裝車就會(huì)造成C70型貨車空重車運(yùn)行方向單一，曲線走向固定的情況。工作人員調(diào)查的存在車輪輪緣裂紋的車輛多數(shù)是2006年上線運(yùn)行的，在相對(duì)固定的空重車單方向運(yùn)行的情況下，車輪磨耗情況也是相對(duì)固定的，于是，磨耗嚴(yán)重的車輪多數(shù)會(huì)出現(xiàn)在上行運(yùn)行方向的右側(cè)。車輛常常會(huì)受到外力的橫向作用，使輪對(duì)縱向中心線與軌道中心線不一致。此時(shí)，輪對(duì)兩側(cè)車輪以大小不同的直徑滾動(dòng)，車輛載重會(huì)偏向車輪磨耗嚴(yán)重的一側(cè)。這時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)同輪對(duì)踏面圓周磨耗、輪緣厚度磨耗差值大的情況，進(jìn)而加劇單側(cè)輪緣的磨耗，而且橫向應(yīng)力也會(huì)集中到磨耗嚴(yán)重的車輪上。這樣，在長時(shí)間的運(yùn)行下，車輪輪緣就會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋。

2.4 輪緣裂紋車輪在車輛上的位置分析

轉(zhuǎn)向架通過曲線時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)下面3種位置中的一種，如圖1所示。圖1（a）為弦形位置，即轉(zhuǎn)向架前、后輪對(duì)的外側(cè)車輪輪緣均靠向外軌；圖1（b）為最大傾斜位置，即轉(zhuǎn)向架前輪對(duì)的外側(cè)車輪輪緣靠向外軌，后輪對(duì)的內(nèi)側(cè)車輪輪緣靠向內(nèi)軌；圖1（c）為中間位置，即轉(zhuǎn)向架前輪對(duì)的外側(cè)車輪輪緣靠向外軌，后輪對(duì)的2個(gè)車輪輪緣不與內(nèi)、外軌接觸。

（a）弦形位置 （b）最大傾斜位置 （c）中間位置

圖1 轉(zhuǎn)向架通過曲線時(shí)出現(xiàn)的3種位置情況

從圖1中可以看出，無論線路曲線走向如何，都會(huì)磨耗車輛運(yùn)行方向的各個(gè)轉(zhuǎn)向架的前導(dǎo)向輪。

車輛通過曲線時(shí)，會(huì)受到離心力和向心力的作用。當(dāng)離心力大于向心力時(shí)，就出現(xiàn)輪緣擠壓外軌的情況；反之，則會(huì)出現(xiàn)輪緣擠壓內(nèi)軌的情況。為了給運(yùn)動(dòng)的列車提供一個(gè)向心力，曲線區(qū)段的外軌要比內(nèi)軌高，即超高h(yuǎn)（mm）是根據(jù)曲線的半徑R（m）和列車的速度V（km/h）來確定的，即：

h=11.8V2/R. （1）

當(dāng)超高值滿足式（1）的要求，列車速度滿足表2中車輛在曲線處力平衡時(shí)的速度，超高提供的向心力可全部平衡離心力時(shí)，車輛就會(huì)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。

表2 車輛通過曲線時(shí)的相關(guān)數(shù)值要求

曲線半徑/m 250 300 400 600 800 1 000 1 200 1 500

最大允許速度/（km/h） 68 74 86 105 122 136 149 166

力平衡時(shí)速度/（km/h） 47 62 72 88 102 114 125 139

綜上所述，當(dāng)車輛通過曲線時(shí)，由于曲線半徑R是個(gè)定值，轉(zhuǎn)向架的線形尺寸固定，列車速度V是個(gè)變值，則在實(shí)際操作過程中，司機(jī)很難達(dá)到最佳力平衡時(shí)的速度。這樣也就會(huì)出現(xiàn)各個(gè)轉(zhuǎn)向架前導(dǎo)向輪的車輪輪緣擠壓鋼軌的情況，進(jìn)而增加了前導(dǎo)向輪與鋼軌的接觸應(yīng)力。這一點(diǎn)可由各個(gè)轉(zhuǎn)向架前導(dǎo)向輪的車輪輪緣相對(duì)其他車輪輪緣磨耗的嚴(yán)重度來證明，最終導(dǎo)致前導(dǎo)向輪車輪輪緣出現(xiàn)疲勞裂紋。

3 改進(jìn)措施

3.1 提高車輪材質(zhì)和軸重

神華C70型貨車的輪對(duì)為23 t軸重輾鋼HESA型。為了使朔黃鐵路重載貨車車輪滿足相關(guān)使用條件的需要，建議改進(jìn)CL60級(jí)碳素輾鋼HESA車輪（23 t軸重）的材質(zhì)，使其具有較高的抗接觸損傷、抗磨損和抗熱損傷能力；或者在軸重方面采用25 t軸重輾鋼HESA型，以確保朔黃鐵路的運(yùn)營安全。

3.2 增加環(huán)線設(shè)施

由于朔黃線運(yùn)輸?shù)奶厥庑裕浟鳛閱畏较?，只有大柳塔具備環(huán)線裝車條件，并且重車方向?yàn)槌掷m(xù)下坡道，所以，對(duì)車輛造成的隱性損壞是相當(dāng)嚴(yán)重的，車輛單側(cè)磨耗也非常嚴(yán)重。鑒于此，建議調(diào)度安排車輛定期進(jìn)入大柳塔裝車換端運(yùn)行，減少車輛因單方向運(yùn)行而造成輪對(duì)磨耗不平衡或使車輛發(fā)生其他隱性損壞；或者可以在裝車站烏蘭木倫、朱蓋塔增加環(huán)線設(shè)施。

3.3 縮短段修期限

C70A型貨車定檢廠修期限為8年，段修期限為2年，取消輔修。鑒于出現(xiàn)的故障比較多，建議縮短段修期限，將其改為1年，降低車輛的使用率，保證朔黃鐵路車輛高速重載運(yùn)輸能夠順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕