制動(dòng)梁橫移對(duì)鐵路貨車(chē)車(chē)輪磨耗的影響

衣美玲

（遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市軌道交通學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

1 引言

鐵路貨運(yùn)具備低碳環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，但目前在各種運(yùn)輸方式中僅承擔(dān)貨運(yùn)總量的8%。在綠色可持續(xù)的發(fā)展目標(biāo)指引下，貨車(chē)裝備將進(jìn)一步提速并加大軸重，輪軌異常磨耗問(wèn)題將更加突出。目前中國(guó)近90萬(wàn)輛貨車(chē)中，制動(dòng)梁固定杠桿支點(diǎn)布置在靠近車(chē)輪4、6位的車(chē)輛占90%以上，調(diào)研發(fā)現(xiàn)車(chē)輪踏面與輪緣磨耗在固定支點(diǎn)側(cè)略大的普遍規(guī)律[1-3]。這一現(xiàn)象被認(rèn)為與貨車(chē)廣泛采用的中拉桿式制動(dòng)梁密切相關(guān)，國(guó)內(nèi)外理論分析和試驗(yàn)研究[4-6]發(fā)現(xiàn)因傾斜式固定和游動(dòng)杠桿的制動(dòng)梁存在未平衡的橫向力，導(dǎo)致制動(dòng)梁橫移，進(jìn)而由車(chē)輪與閘瓦間制動(dòng)磨耗的不對(duì)稱(chēng)引起車(chē)輪偏磨，產(chǎn)生輪徑差。在現(xiàn)有貨車(chē)定期檢修體制下，尚缺乏成熟的車(chē)輪直徑動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)和輪徑差檢修限度標(biāo)準(zhǔn)。在鐵路貨車(chē)平均約兩年的段修期內(nèi)，車(chē)輪踏面異常磨損導(dǎo)致輪徑差過(guò)大問(wèn)題因速度低和軸重小尚未充分暴露，但貨車(chē)提速重載后其影響不可忽略。研究表明大輪徑差作用下，車(chē)輪貼靠一側(cè)鋼軌運(yùn)行時(shí)仍能維持車(chē)輛較高的橫向平穩(wěn)性，但會(huì)引起輪緣的快速磨損[7]。諸多研究人員通過(guò)仿真分析，評(píng)估了輪徑差的影響[8-11]。但仿真工況尚未充分反映實(shí)際輪徑差分布規(guī)律，貨車(chē)實(shí)際車(chē)輪磨耗規(guī)律不符，難以發(fā)揮指導(dǎo)實(shí)踐作用。因而，在調(diào)研分析基礎(chǔ)上，仿真評(píng)估了制動(dòng)磨耗對(duì)車(chē)輪磨耗的影響，并提出對(duì)應(yīng)措施。

2 制動(dòng)梁橫移調(diào)研分析

我國(guó)約有4%裝用轉(zhuǎn)8G型轉(zhuǎn)向架的60t級(jí)鐵路貨車(chē)使用下拉桿式組合式制動(dòng)梁，其他的各型號(hào)貨車(chē)均裝用的是中拉桿式組合式制動(dòng)梁，其結(jié)構(gòu)，如圖1所示。與下拉桿式制動(dòng)梁橫向無(wú)傾斜的固定和游動(dòng)杠桿相比，中拉桿式制動(dòng)梁的固定和游動(dòng)杠桿則傾斜放置，理論分析表明，杠桿未平衡的重力橫向分量提供了制動(dòng)梁橫移的動(dòng)力[6]。

圖1 制動(dòng)梁結(jié)構(gòu)Fig.1 Brake Beam Construction

制動(dòng)梁安裝在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)架內(nèi)側(cè)面的滑槽磨耗板內(nèi)，車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，制動(dòng)梁橫移后，一側(cè)閘瓦可能接觸輪緣，另一側(cè)則遠(yuǎn)離輪緣，如圖2中A2減小，A1增大。在制動(dòng)時(shí)，接觸閘瓦的輪緣會(huì)產(chǎn)生額外的磨耗，導(dǎo)致此側(cè)閘瓦與車(chē)輪踏面的接觸磨耗位置靠近輪緣根部；另一側(cè)閘瓦與踏面接觸的部位則遠(yuǎn)離輪緣根部，偏離了理論的軌道中心線(xiàn)位置，促使同一輪對(duì)兩側(cè)車(chē)輪踏面的輪瓦間磨耗不均。

圖2 制動(dòng)梁端部及輪—瓦間隙Fig.2 Brake Beam End and Clearance Between Wheel and Brake Shoe

為掌握制動(dòng)梁橫移的實(shí)際規(guī)律，調(diào)研了列車(chē)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)大坡道在博克圖站制動(dòng)停車(chē)后，制動(dòng)梁上閘瓦與車(chē)輪的相對(duì)位置。調(diào)研線(xiàn)路為濱州線(xiàn)（上行）興安嶺～博克圖區(qū)段，線(xiàn)路總長(zhǎng)約30km，其中上行線(xiàn)段區(qū)間內(nèi)最大坡度為16.5‰。制動(dòng)梁端部閘瓦外側(cè)與車(chē)輪踏面端面的理論距離為10mm，制動(dòng)梁橫移后出現(xiàn)的三種典型情況，如圖3所示。

因此可依據(jù)“外側(cè)貼靠”狀態(tài)判定制動(dòng)梁向某輪方向發(fā)生了橫移。經(jīng)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，選取基礎(chǔ)制動(dòng)裝置布置相同的貨車(chē)，如圖4所示。

統(tǒng)計(jì)了76 輛貨車(chē)各位車(chē)輪與閘瓦發(fā)生“外側(cè)貼靠”的百分比。選取數(shù)據(jù)樣本較多的三種車(chē)型分析共50輛，固定杠桿支點(diǎn)均設(shè)置在4、6位，其中C62（7輛）、C64（15輛）、C70（28輛）。

可知，第2、3、5、8位車(chē)輪與閘瓦“外側(cè)貼靠”比例約占50%，說(shuō)明車(chē)輛制動(dòng)停車(chē)后，固定杠桿側(cè)與游動(dòng)杠桿側(cè)制動(dòng)梁發(fā)生了反向橫移，如圖5所示。此時(shí)1、4、6、7位車(chē)輪踏面上閘瓦位置更靠近輪緣。

圖5 制動(dòng)梁橫移方向Fig.5 Lateral Displacement Direction of Brake Beam

3 制動(dòng)磨耗對(duì)輪對(duì)橫向動(dòng)態(tài)平衡的影響

3.1 車(chē)輪磨耗量中制動(dòng)磨耗比例

車(chē)輪的磨耗量是由車(chē)輪與鋼軌滾動(dòng)摩擦磨損和車(chē)輪與閘瓦制動(dòng)時(shí)滑動(dòng)摩擦磨損兩部分組成。對(duì)重載貨車(chē)關(guān)門(mén)車(chē)（切除制動(dòng)）及正常車(chē)輛車(chē)輪磨損量的定期跟蹤檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，如圖6 所示。運(yùn)行20萬(wàn)公里后無(wú)制動(dòng)車(chē)輪踏面磨耗約減輕（15～20）%[12]。

圖6 有無(wú)制動(dòng)車(chē)輪踏面磨耗對(duì)比Fig.6 Comparison of Wheel Tread Wear with or without Brake

當(dāng)制動(dòng)梁橫移后，如圖7所示。車(chē)輪與閘瓦間的磨耗在車(chē)輪踏面上的位置將不對(duì)稱(chēng)，逐漸形成左右車(chē)輪的輪徑差。根據(jù)既有通用線(xiàn)貨車(chē)車(chē)輪磨耗調(diào)研結(jié)論[2]，車(chē)輪踏面磨耗呈固定支點(diǎn)側(cè)的2、4、6、8位輪略大，且支點(diǎn)所在的4、6位磨耗量最大的規(guī)律?？梢酝茢?、6位車(chē)輪踏面磨耗速率更快，并促使2、3位輪對(duì)形成輪徑差，這主要是因?yàn)橹c(diǎn)側(cè)4、6位車(chē)輪踏面在移向輪緣位置的制動(dòng)磨耗和輪軌磨耗疊加作用下，踏面先較快產(chǎn)生磨耗。但實(shí)際一輛車(chē)內(nèi)各位車(chē)輪磨耗總體規(guī)律并未呈現(xiàn)與制動(dòng)梁橫移規(guī)律相符的1、4、6、7位車(chē)輪踏面磨耗嚴(yán)重的特征，這主要是因?yàn)樵诰C合因素影響下，如車(chē)輪踏面橫向材料表面硬化或硬度分布不均，輪徑差對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能及磨耗特性的影響超過(guò)了非支點(diǎn)側(cè)輪對(duì)制動(dòng)磨耗不對(duì)稱(chēng)的影響。

圖7 制動(dòng)梁橫移后輪瓦相對(duì)位置Fig.7 Relative Position of Wheel and Brake Shoe After Brake Beam Displacement

3.2 制動(dòng)磨耗對(duì)輪對(duì)動(dòng)態(tài)平衡的影響

同一輪對(duì)左右車(chē)輪與閘瓦位置的不對(duì)稱(chēng)，將引起踏面外形的不對(duì)稱(chēng)變化，進(jìn)而通過(guò)輪軌關(guān)系影響車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能。

基于橫移與搖頭2自由度有約束輪對(duì)動(dòng)力學(xué)方程[13]：

式中：TηL/R和TξL/R—橫/縱向蠕滑力；vηL/R和vξL/R—橫/縱向蠕滑率；fη、fξ—橫/縱向蠕滑系數(shù)；l0—左右車(chē)輪滾動(dòng)圓橫向跨距的一半?？v向和橫向蠕滑率可近似表示為：

式中：λ—等效錐度；r0—滾動(dòng)圓半徑；v—運(yùn)行速度；y和ψ—輪對(duì)橫移量和搖頭角。代入式（1）得輪對(duì)橫向平衡關(guān)系式：

式中：γ—左右輪接觸角差的等效線(xiàn)性參數(shù)；W—輪對(duì)重力。當(dāng)車(chē)速低于臨界速度時(shí)，負(fù)阻尼“”較小，因此有：

式（5）左側(cè)為輪對(duì)重力剛度恢復(fù)力，右側(cè)為輪對(duì)搖頭運(yùn)動(dòng)引起的橫向蠕滑力?？芍诜€(wěn)態(tài)下，當(dāng)輪對(duì)重力剛度提供的對(duì)中能力減弱后，輪軌蠕滑勢(shì)必增大。而且，在輪對(duì)橫移量較大時(shí)，因接觸角增大，車(chē)輪自旋蠕滑不可忽略，車(chē)輪表面磨耗功在原橫、縱向蠕滑兩項(xiàng)，增加了自旋蠕滑的波動(dòng)影響。

制動(dòng)梁橫移后，閘瓦貼近或靠近輪緣一側(cè)的車(chē)輪，其直徑和錐度將隨表面材料磨損而逐漸下降；而對(duì)側(cè)車(chē)輪因閘瓦遠(yuǎn)離輪緣，車(chē)輪直徑基本不變，但踏面端部的錐度將增大。為了維持輪對(duì)滾動(dòng)時(shí)左右車(chē)輪實(shí)際滾動(dòng)圓直徑相同，產(chǎn)生輪徑差的輪對(duì)將向小輪徑側(cè)橫移，并穩(wěn)定在新的輪對(duì)橫向平衡位置。但此處左右車(chē)輪踏面錐度已不對(duì)稱(chēng)，當(dāng)輪對(duì)橫移時(shí)，重力剛度提供的恢復(fù)力更易使輪對(duì)向小錐度側(cè)車(chē)輪移動(dòng)，即帶動(dòng)輪軌接觸磨耗的位置也向小錐度（輪徑）側(cè)移動(dòng)，越接近輪緣位置輪軌磨耗速率越快。輪對(duì)平衡位置逐漸向小輪徑側(cè)移動(dòng)，輪徑差的方向難以改變，左右車(chē)輪踏面磨耗量差值只能越來(lái)越大。

對(duì)于兩軸轉(zhuǎn)向架而言，在其中一條輪對(duì)產(chǎn)生輪徑差后，此輪對(duì)向小輪徑側(cè)橫移，其產(chǎn)生的橫向蠕滑力將通過(guò)懸掛約束內(nèi)力作用在側(cè)架及搖枕上，促使另一條輪對(duì)也向相同方向移動(dòng)，逐漸形成兩條輪對(duì)同向輪徑差。因而，鐵路貨車(chē)在支點(diǎn)側(cè)車(chē)輪踏面快速磨損形成輪徑差后，也將帶動(dòng)非支點(diǎn)側(cè)輪對(duì)產(chǎn)生橫移，逐漸發(fā)展為支點(diǎn)側(cè)車(chē)輪普遍更大的規(guī)律。

4 輪徑差對(duì)車(chē)輪磨耗的影響

為評(píng)估輪徑差對(duì)車(chē)輪磨耗的影響，建立主型C70型敞車(chē)的單車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，配裝轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架。建模將輪對(duì)、側(cè)架、搖枕、車(chē)體等部件處理為剛體，假定車(chē)輛勻速運(yùn)動(dòng)，計(jì)算中線(xiàn)路激擾取美國(guó)5級(jí)譜。以含自旋蠕滑項(xiàng)改進(jìn)的愛(ài)因斯磨耗數(shù)為磨耗評(píng)價(jià)指標(biāo)，其余指標(biāo)按GB5599計(jì)算與評(píng)定。分析了直線(xiàn)線(xiàn)路，速度（60～120）km/h的空車(chē)與重車(chē)工況。為反映實(shí)際貨車(chē)磨耗中支點(diǎn)側(cè)（4、6位）車(chē)輪先產(chǎn)生輪徑差的規(guī)律，設(shè)置轉(zhuǎn)向架內(nèi)僅一條輪對(duì)存在輪徑差0mm、2mm、4mm、6mm、8mm的工況。存在輪徑差時(shí)，車(chē)輛橫向性能將受到顯著影響，如圖8所示。

圖8 輪徑差對(duì)最大輪軌橫向力的影響Fig.8 Influence of RRD on the Maximum Wheel-Rail Lateral Force

輪軌橫向力總體隨輪徑差增加而增大，但空車(chē)在時(shí)速（70～110）km時(shí)，2mm的輪徑差下輪軌橫向力增幅顯著，重車(chē)則在時(shí)速（80～120）km時(shí)，4mm的輪徑差下輪軌橫向力增幅明顯。輪徑差對(duì)空車(chē)低速橫向平穩(wěn)性影響較小，在時(shí)速（80～120）km內(nèi)平穩(wěn)性隨輪徑差增大近似均勻衰減，如圖9所示。而重車(chē)在2mm輪徑差下，橫向平穩(wěn)性顯著降低。而空、重車(chē)在輪徑差（0～6）mm的區(qū)間內(nèi)，橫向平穩(wěn)性逐漸惡化，但輪徑差達(dá)到8mm后，平穩(wěn)性則有所回升，這主要是因?yàn)樵谳啅讲钭饔孟?，輪?duì)橫移后越接近輪緣的位置，車(chē)輪接近貼靠輪緣運(yùn)行時(shí)平穩(wěn)性反而越好，即進(jìn)入“亞穩(wěn)定區(qū)”[7]。

圖9 輪徑差對(duì)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的影響Fig.9 Influence of RRD on the Lateral Stability Index

輪徑差增大后，車(chē)輪磨耗顯著增加，但車(chē)輪磨耗增量并不隨輪徑差線(xiàn)性增加，如圖10所示。

圖10 輪徑差對(duì)車(chē)輪磨耗數(shù)的影響Fig.10 Influence of RRD on the Wheel Wear Number

統(tǒng)計(jì)了不同輪徑差下，車(chē)輪磨耗數(shù)相對(duì)于無(wú)輪徑差車(chē)輪的增幅百分比，如圖11所示。綜合圖10、圖11，空車(chē)在輪徑差2mm時(shí)車(chē)輪磨耗增加48%，特別是在時(shí)速（70～100）km的主要運(yùn)用速度區(qū)間，磨耗增加81%。重車(chē)則在輪徑差達(dá)4mm時(shí)，磨耗平均增加76%，在時(shí)速（90～120）km的提速或達(dá)速區(qū)間，磨耗增加92%。通用線(xiàn)車(chē)輪磨耗規(guī)律顯示，當(dāng)輪徑差超過(guò)4mm后輪緣磨耗加速發(fā)展，而輪緣磨損后，因輪緣角度關(guān)系，車(chē)輪鏇修量需提高約4倍。綜上，鑒于空車(chē)時(shí)磨耗指數(shù)偏低，建議以4mm為鐵路貨車(chē)輪徑差的控制限度。

圖11 輪徑差對(duì)車(chē)輪磨耗增量的影響Fig.11 Influence of RRD on the Wheel Wear Increment

5 制動(dòng)梁橫移限制措施

為減緩制動(dòng)梁橫移的負(fù)面影響，可從限制和消除制動(dòng)梁橫移現(xiàn)象制定解決措施。

5.1 既有車(chē)輛

對(duì)于已運(yùn)用的既有車(chē)，可限制制動(dòng)梁橫向與側(cè)架端部的間隙。制動(dòng)梁端部安裝滑塊磨耗套，制動(dòng)過(guò)程中與滑槽磨耗板接觸，并相對(duì)滑動(dòng)。因而可采取以下限位措施：

（1）將滑塊磨耗套與滑槽磨耗板底部接觸的端部增加一定厚度。

（2）將滑槽磨耗板改進(jìn)設(shè)計(jì)，將與制動(dòng)梁端部接觸的底面適當(dāng)抬高。

（3）增加制動(dòng)梁橫移彈性復(fù)原裝置，控制制動(dòng)梁橫移量。

但鐵路貨車(chē)鑄造三大件式轉(zhuǎn)向架加工及組裝公差累積影響，其限位措施的技術(shù)效果難以徹底解決制動(dòng)梁橫移問(wèn)題。

5.2 新造車(chē)輛

對(duì)于新造車(chē)輛，應(yīng)從結(jié)構(gòu)上避免零部件傾斜布置而產(chǎn)生的重力橫向分量，采用結(jié)構(gòu)本身無(wú)未平衡的橫向約束內(nèi)力的機(jī)構(gòu)，可從根本上消除制動(dòng)磨耗不對(duì)稱(chēng)對(duì)車(chē)輪磨耗規(guī)律的影響。

（1）采用集成制動(dòng)裝置，將制動(dòng)缸、閘調(diào)器及制動(dòng)杠桿等集成在制動(dòng)梁上，消除了傾斜杠桿，如圖12所示。調(diào)研結(jié)果顯示[12]，裝用集成制動(dòng)車(chē)輛各位車(chē)輪未產(chǎn)生明顯的不均勻磨耗。

圖12 集成制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)Fig.12 Integrated Brake Device Structure

（2）在現(xiàn)有中拉桿式制動(dòng)梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，將固定和游動(dòng)杠桿改為垂直放置，在保持制動(dòng)倍率不變前提下，適當(dāng)修改拉桿和搖枕孔結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)論

（1）在中拉桿式制動(dòng)梁未平衡的橫向力作用下，轉(zhuǎn)向架內(nèi)兩制動(dòng)梁產(chǎn)生反向橫移。同一輪對(duì)左右車(chē)輪踏面制動(dòng)產(chǎn)生的磨耗橫向位置不對(duì)稱(chēng)，促使輪對(duì)產(chǎn)生輪徑差。（2）車(chē)輪踏面非對(duì)稱(chēng)磨耗后，輪對(duì)新平衡位置兩側(cè)橫移時(shí)的重力恢復(fù)力并不相同，更易于使輪對(duì)進(jìn)一步移向小輪徑側(cè)，約束內(nèi)力經(jīng)懸掛傳遞給轉(zhuǎn)向架側(cè)架后，將帶動(dòng)另一條輪對(duì)產(chǎn)生橫移，逐漸發(fā)展為貨車(chē)同向輪徑差特征。（3）空車(chē)工況在輪徑差2mm的（70～100）km/h區(qū)間車(chē)輪磨耗增加81%，重車(chē)則在輪徑差4mm時(shí)，在（90～120）km/h的提速或達(dá)速區(qū)間，車(chē)輪磨耗增加92%。結(jié)合車(chē)輪磨耗實(shí)際發(fā)展規(guī)律，建議以4mm作為貨車(chē)輪徑差控制標(biāo)準(zhǔn)?？蓪?duì)既有結(jié)構(gòu)增加限位措施，或者對(duì)新造車(chē)輛采用新結(jié)構(gòu)，消除制動(dòng)梁橫移的影響。