重載鐵路貨車輪徑差與車輪圓周磨耗關(guān)系的試驗研究

王 鼎

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

輪徑差和車輪踏面圓周磨耗是影響車輛運行安全性的重要因素［1-4］。文中數(shù)據(jù)出自“神華重載鐵路模擬狀態(tài)修運行試驗研究”。試驗中，通過定期開展車輪磨耗數(shù)據(jù)跟蹤測量，獲取大量不同運行里程階段輪軌磨耗及踏面外形的數(shù)據(jù)，將對其中裝有轉(zhuǎn)K6 型轉(zhuǎn)向架的C80型敞車，通過設(shè)置不同輪徑差，對運用20 萬km 的輪對磨耗情況、踏面外形變化及重載貨車的車輪磨耗規(guī)律進行深入研究。

樣本選取216 輛貨車進行跟蹤測試。其中，新輪393 條、新旋修輪狀態(tài)輪對274 條，初始設(shè)置1 mm 輪徑差（［1，0］）輪對157 條，初始設(shè)置2 mm輪徑差（［2，0］）輪對149 條，初始設(shè)置1 mm 輪徑差、3 mm 踏面圓周磨耗（［1，3］）輪對30 條；2 mm輪徑差、3 mm 踏面圓周磨耗（［2，3］）輪對23 條；2 mm 輪徑差、3.5 mm 踏面圓周磨耗（［2，3.5］）輪對21 條［5-6］。

1 車輪磨耗規(guī)律研究

1.1 新輪、新旋修輪磨耗規(guī)律

運行20 萬km 的車輪踏面圓周磨耗隨里程變化曲線如圖1 所示，由圖1 可以看出，C80型敞車在運行20 萬km 內(nèi)：

圖1 運行20 萬km 的車輪踏面圓周磨耗隨里程變化曲線（不設(shè)初始輪徑差）

（1）踏面圓周磨耗隨運行里程而增加，10 萬km 后磨耗速率有所增加；

（2）新輪、新旋修輪狀態(tài)下車輪踏面圓周磨耗速率基本一致。

1.2 踏面圓周磨耗統(tǒng)計分析

針對新輪、新旋修輪對，按照輪對裝車位數(shù)，對運用20 萬km 后的車輪圓周磨耗情況進行了統(tǒng)計，如圖2 所示。從圖2 統(tǒng)計情況來看，C80型敞車在運用過程中，裝用在不同位數(shù)的車輪同一輪對左右端車輪踏面圓周磨耗量平均差值不大，但存在1、4、6、7 位車輪踏面圓周磨耗量平均值略高于2、3、5、8 位車輪的情況。

圖2 運用20 萬km 后的車輪圓周磨耗情況

使用符號秩檢驗方法對同一位數(shù)左右端車輪踏面圓周磨耗量進行顯著性水平α設(shè)為0.05 的顯著性檢驗，結(jié)果見表1。其中，h=0 表明2 組數(shù)據(jù)的總體差別不顯著，h=1 則表明2 組數(shù)據(jù)在統(tǒng)計上認為是總體差別顯著；p為2 個總體樣本為一致的顯著性概率，若p接近于0，則不一致較明顯。

表1 同一位數(shù)左右端車輪踏面圓周磨耗量符號秩檢驗結(jié)果

分析認為，C80型敞車在運用過程中存在不同程度的輪對偏磨問題，且具有共同的特點為：車輛的1、4、6、7 位車輪踏面圓周磨耗量平均值略高于2、3、5、8 位車輪，呈現(xiàn)對角磨耗規(guī)律，1、4 位輪對差異較顯著，2、3 位輪對差異不顯著。

2 輪徑差對車輪圓周磨耗規(guī)律的影響

上文對初始無輪徑差輪對運用20 萬km 后踏面圓周磨耗規(guī)律進行了分析，而實際運用中輪徑差對車輛圓周磨耗有著一定的影響。下文將對初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差的輪對運行20 萬km 后輪徑差分布和踏面圓周磨耗情況做進一步分析。

2.1 車輪圓周磨耗隨運行里程變化規(guī)律

初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差運行20 萬km 的車輪踏面圓周磨耗隨里程變化曲線如圖3 所示，由圖3可以看出，C80型敞車運行20 萬km 內(nèi)：

圖3 初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差運行20 萬km 的車輪踏面圓周磨耗隨里程變化曲線

（1）運行10 萬km 以前，踏面圓周磨耗速率較為平緩，10 萬km 后磨耗速率有所增大。

（2）初始設(shè)置2 mm 輪徑差車輪的踏面圓周磨耗較初始設(shè)置1 mm 輪徑差的車輪平均磨耗量趨于增大。

2.2 輪徑差隨運行里程變化規(guī)律

初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差運用20 萬km 后的輪徑差分布如圖4 所示，由圖4 可以看出，初始設(shè)置1 mm 輪 徑 差 的C80型 敞 車 運 行20 萬km 后，輪 徑 差主要集中在0~2 mm，其輪對所占比例約為70%，輪徑差超過3 mm 的輪對比例約占8%；初始設(shè)置2 mm 輪 徑 差 的C80型 敞 車 運 行20 萬km 后，輪 徑 差主要集中在3~5 mm，其輪對所占比例約為60%，輪徑差超過5 mm 的輪對比例約占5%。

圖4 初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差運用20 萬km 后的輪徑差的分布圖

由以上分析可以看出，對初始輪徑差的控制尤為重要。依據(jù)《機車車輛安全運用技術(shù)研究—時速120 km 鐵路貨車運用服役性能研究》項目研究成果［7］，當輪徑差達到或超過5 mm 時，可能會影響到車輛的動力學(xué)性能，危及運行安全性。對于段修同一輪對的輪徑差控制在1 mm 是基于安全的正確策略。

2.3 輪徑差對踏面圓周磨耗的影響

初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差運用20 萬km 后的不同輪徑差車輪踏面圓周磨耗分布如圖5 所示，由圖5可以看出，初始設(shè)置2 mm 輪徑差輪對運行20 萬km后的輪徑差、踏面圓周磨耗較初始設(shè)置1 mm 輪徑差輪對運行20 萬km 后的輪徑差、踏面圓周磨耗呈明顯退化趨勢。

2.4 輪對退化趨勢分析

（1）呈退化趨勢輪對運行20 萬km 后踏面圓周磨耗分析

在以上初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差輪對磨耗數(shù)據(jù)分析中，選取圓周磨耗明顯呈退化趨勢的輪對（初始設(shè)置1 mm 輪徑差的輪對105 條，初始設(shè)置2 mm 輪徑差輪對140 條），對退化趨勢做深入分析。

初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差呈退化趨勢的輪對運用20 萬km 后輪徑差的分布如圖6 所示，初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差呈退化趨勢的輪對運用20 萬km后大、小輪徑差車輪，在不同輪徑差范圍下的踏面圓周磨耗量如圖7 所示，由圖6、圖7 可以看出，運行20 萬km 后呈退化趨勢的車輪，隨著輪對輪徑差的不斷擴大，小直徑車輪踏面圓周磨耗量逐漸增加，且與大直徑車輪踏面圓周磨耗量的差值呈接近線性或指數(shù)擴大的趨勢，有可能隨里程增長進一步增加。

圖6 初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差呈退化趨勢的輪對運用20 萬km 后輪徑差的分布圖

圖7 初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差呈退化趨勢的輪對運用20 萬km 后大、小輪徑差車輪，在不同輪徑差范圍下踏面圓周磨耗平均磨耗量

（2）初始設(shè)置極限工況輪對運行20 萬km 后踏面圓周磨耗分析

對運用中有可能出現(xiàn)的極限工況，即初始設(shè)置1 mm 輪徑差、3 mm 踏面圓周磨耗（［1，3］），2 mm 輪徑差、3 mm 踏面圓周磨耗（［2，3］），2 mm輪徑差、3.5 mm 踏面圓周磨耗（［2，3.5］）的輪對，運用20 萬km 后圓周磨耗情況研究分析。

初始設(shè)置［1，3］、［2，3］、［2，3.5］輪對運行20萬km 后大、小輪徑差車輪，在不同輪徑差范圍下的踏面圓周磨耗平均磨耗量分布如圖8 所示，由圖8 可以看出，［1，3］與［1，0］工況相比，［2，3］、［2，3.5］與［2，0］工況相比，極限工況輪對隨著輪徑差的不斷擴大，大直徑車輪與小直徑車輪踏面圓周磨耗量的差值仍有逐漸擴大趨勢。左右車輪踏面圓周磨耗量差值的增加又會加劇輪徑差值的增加，從而進一步發(fā)展可能直接影響車輛的動力學(xué)性能。

圖8 初始設(shè)置[1,3]、[2,3]、[2,3.5]輪對運行20 萬km 后大、小輪徑差車輪，在不同輪徑差范圍下踏面圓周磨耗平均磨耗量分布

3 假設(shè)檢驗

試驗獲得大量實際有效的數(shù)據(jù)，改善了車輪磨耗時間軸數(shù)據(jù)稀疏的問題。但由于樣本數(shù)量還存在一定的局限性，為了將有限數(shù)據(jù)的結(jié)論推廣至普遍意義，采用假設(shè)檢驗的方法對初始不同設(shè)置條件對運用20 萬km 后的車輪輪徑差、踏面圓周磨耗的影響顯著性進行進一步驗證。

（1）對輪徑差影響顯著性的檢驗

使用秩和檢驗的方法將新輪及新旋修輪、初始設(shè)置1、2 mm 車輪的初始輪徑差與運行20 萬km后輪徑差進行比較，結(jié)果見表2。其中，顯著性水平α設(shè)為0.01；h=0 表明2 組數(shù)據(jù)的總體差別不顯著，h=1 則表明2 組數(shù)據(jù)在統(tǒng)計上認為是總體差別顯著；p為2 個總體樣本為一致的顯著性概率，若p接近于0，則不一致較明顯。

表2 新輪及新旋修輪、初始設(shè)置1、2 mm 車輪的初始輪徑差與運行20 萬km 后的輪徑差秩和檢驗結(jié)果

進一步將初始設(shè)置1 mm 輪徑差、運行20 萬km 后呈退化趨勢的輪對，初始設(shè)置2 mm 輪徑差、運行20 萬km 后呈退化趨勢的輪對進行比較，結(jié)果見表3、表4。

表3 初始設(shè)置1 mm 輪徑差呈退化趨勢的輪對初始輪徑差與運行20 萬km 后車輪輪徑差秩和檢驗結(jié)果

表4 初始設(shè)置2 mm 呈退化趨勢的輪對初始輪徑差與運行20 萬km 后車輪輪徑差秩和檢驗結(jié)果

由以上分析可以得出結(jié)論，使用秩和檢驗的方法對新輪及新旋修輪、初始設(shè)置1、2 mm 車輪的初始輪徑差與運行20 萬km 后的輪徑差進行比較，結(jié)果表明，初始設(shè)置2 mm 輪徑差、運行20 萬km 后輪對的輪徑差較初始輪徑差的差異顯著。

（2）對圓周磨耗影響顯著性的檢驗

使用秩和檢驗的方法將新輪及新旋修輪分別與初始設(shè)置1、2 mm 的輪對運行20 萬km 后車輪圓周磨耗進行比較，結(jié)果見表5，其中，顯著性水平α設(shè)為0.01；h=0 表明2 組數(shù)據(jù)的總體差別不顯著，h=1 則表明2 組數(shù)據(jù)在統(tǒng)計上認為是總體差別顯著；p為2 個總體樣本為一致的顯著性概率，若p接近于0，則不一致較明顯。

表5 新輪及新旋修輪與初始設(shè)置1、2 mm 輪對運行20 萬km 后車輪圓周磨耗秩和檢驗結(jié)果

由以上分析可以得出結(jié)論，使用秩和檢驗的方法對新輪及新旋修輪與初始設(shè)置1、2 mm 的輪對運行20 萬km 后車輪圓周磨耗進行比較，結(jié)果表明，初始設(shè)置2 mm 輪徑差輪對、運行20 萬km 后輪對的車輪踏面圓周磨耗較初始設(shè)置1 mm 輪徑差輪對、運行20 萬km 后輪對的車輪踏面圓周磨耗顯著。

4 結(jié) 論

（1）根據(jù)模擬試驗數(shù)據(jù)初步認為，C80 型敞車在神華鐵路線路運用條件下：車輛的1、4、6、7 位車輪踏面圓周磨耗量平均值略高于2、3、5、8 位車輪，呈現(xiàn)對角磨耗規(guī)律，1、4 位輪對差異較顯著，2、3 位輪對差異不顯著。

（2）試驗數(shù)據(jù)表明，初始設(shè)置2 mm 輪徑差輪對運行20 萬km 后的輪徑差、踏面圓周磨耗較初始設(shè)置1 mm 輪徑差輪對運行20 萬km 后的輪徑差、踏面圓周磨耗呈明顯退化趨勢。呈退化趨勢的車輪，隨著車輪輪徑差的不斷擴大，小直徑車輪踏面圓周磨耗量逐漸增加，且與大直徑車輪踏面圓周磨耗量的差值呈逐漸擴大的趨勢。

（3）模擬試驗極限工況下，同樣存在隨著車輪輪徑差的不斷擴大，小直徑車輪與大直徑車輪踏面圓周磨耗量的差值仍有逐漸擴大的趨勢。建議嚴格控制輪對初始狀態(tài)的輪徑差。

（4）使用假設(shè)檢驗的方法對初始設(shè)置不同輪徑差輪對與運行20 萬km 后輪對輪徑差、車輪圓周磨耗的影響進行比較，從而驗證了（2）中的結(jié)論。