鐵路重載貨車輪對技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

張彥臣 滕杰

摘? 要：概述了國內(nèi)外鐵路重載貨運(yùn)的發(fā)展現(xiàn)狀，對我國鐵路重載貨車輪對技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，提出了針對重載的與貨車輪對技術(shù)有關(guān)的車軸車輪制造技術(shù)以及輪對檢測技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：重載鐵路;貨車輪對;發(fā)展現(xiàn)狀;述評

中圖分類號：U270.33? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(mào)易迅猛發(fā)展，對鐵路運(yùn)輸能力提出了更高的要求。重載運(yùn)輸是世界鐵路貨運(yùn)發(fā)展的主要方向之一，是除高速鐵路以外，鐵路現(xiàn)代化的又一個標(biāo)志。提高貨車的軸重是實現(xiàn)重載運(yùn)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(shù)水平。

我國目前鐵路貨運(yùn)線上運(yùn)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(yùn)輸先進(jìn)國家相比存在較大差距，研發(fā)出重載輪對以滿足研制更大軸重貨運(yùn)裝備的需要，任務(wù)迫切。

1 國內(nèi)外鐵路重載貨運(yùn)發(fā)展現(xiàn)狀

2005年，國際重載協(xié)會在巴西召開年會，對“重載鐵路”進(jìn)行了新的定義[1]，即滿足三條，一是單線年貨運(yùn)量不少于4000萬噸，運(yùn)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(dá)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(yùn)量很大，重載運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展較快[2]。美國主要采取重載單元列車方式運(yùn)輸，列車總重達(dá)到136000噸，軸重（29.8-35.7）噸，所有一級鐵路的標(biāo)準(zhǔn)軸重為33噸，對不同軸重的貨車進(jìn)行長期運(yùn)行試驗比較，再經(jīng)過綜合分析，美國開行最經(jīng)濟(jì)的是32.43噸軸重貨車。加拿大一級鐵路標(biāo)準(zhǔn)軸重己升級為33噸。澳大利亞重載運(yùn)輸技術(shù)近年來進(jìn)步明顯，其重載鐵路的軸重己經(jīng)提高到35噸，40噸軸重的機(jī)車和貨車也已在BHP線路上廣泛應(yīng)用，牽引重量最高達(dá)45000噸，年運(yùn)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(jīng)將現(xiàn)有貨車軸重提高到了27噸，適用于35噸軸重車輛的關(guān)鍵零部件正在抓緊研制中。

從運(yùn)輸量和運(yùn)輸密度來看，我國的重載運(yùn)輸均位于世界前列。我國重載鐵運(yùn)技術(shù)的發(fā)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(yùn)能力，以國鐵重載運(yùn)煤專線為例，軸重普遍由25噸升級為27噸，再進(jìn)一步向30噸發(fā)展。

上世紀(jì)八十年代，我國設(shè)計制造的60噸級耐候鋼貨車的軸重為21噸。上世紀(jì)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(jìn)行技術(shù)改造，牽引重量達(dá)到5000噸以上。為了滿足大秦鐵路運(yùn)行兩萬噸重載列車的需要，進(jìn)入21世紀(jì)，我國設(shè)計制造了軸重為25噸的C80型鋁合金、C80B型不銹鋼運(yùn)煤專用敞車;2006年，我國全面生產(chǎn)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(yùn)輸設(shè)備和移動設(shè)備，進(jìn)行了全面的擴(kuò)能技術(shù)改造，其年運(yùn)量遞增5000萬噸，到2014年年運(yùn)量達(dá)到4.5億噸，成為了世界上運(yùn)輸密度最大、運(yùn)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(tǒng)研究，2014年6月首批軸重為27噸的C80E貨車投入大秦線試運(yùn)行，進(jìn)行實時考驗，并于2016年1月通過鐵總的運(yùn)行考核技術(shù)評審，標(biāo)志著我國與國外重載貨車領(lǐng)域的技術(shù)差距正在逐步縮小，朝著世界先進(jìn)重載技術(shù)國家邁進(jìn)了堅實的一步[3]。

2 鐵路重載貨車輪對技術(shù)現(xiàn)狀分析

大力發(fā)展鐵路重載貨運(yùn)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(shù)發(fā)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(dá)到27～40噸，國內(nèi)外重載貨車牽引重量及軸重見表1[3]。

隨著鐵路重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)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(fā)并應(yīng)用大軸重輪對及其對應(yīng)的重載轉(zhuǎn)向架，可以進(jìn)一步提升既有線路貨運(yùn)能力，故提高車輛軸重、增大單車載重，是世界重載運(yùn)輸國家采取的主要技術(shù)措施之一。

提高貨運(yùn)速度是世界重載運(yùn)輸國家采取的主要技術(shù)措施之二。北美、歐洲鐵路快運(yùn)貨物列車最高運(yùn)行速度已達(dá)到160km/h，德國正在設(shè)計構(gòu)造速度達(dá)到200km/h的貨運(yùn)列車，法國也在試運(yùn)行200km/h高速貨運(yùn)。我國正在開發(fā)160km/h快捷貨運(yùn)，已進(jìn)入可靠性試驗階段。

3 鐵路重載貨車輪對技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 重載貨車車軸技術(shù)

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(shù)，主要有三個途徑：一是車軸用鋼新材料研發(fā)及其熱處理工藝優(yōu)化;二是車軸結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化，降低車軸的最大應(yīng)力;三是對車軸表面進(jìn)行改性處理，提高疲勞強(qiáng)度。

3.1.1 研發(fā)車軸用鋼新材料和優(yōu)化熱處理工藝

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，車軸疲勞壽命設(shè)計值要求為30年以上，或者車軸循環(huán)次數(shù)超過107。車軸的疲勞強(qiáng)度與車軸材質(zhì)及熱處理工藝密切相關(guān)。傳統(tǒng)的火車用車軸鋼為中碳鋼，最終熱處理態(tài)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度，相當(dāng)于我國的25CrMo合金鋼，對車軸進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，以獲得回火索氏體組織，提高車軸的綜合力學(xué)性能進(jìn)而提高車軸的疲勞強(qiáng)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(jìn)行了改進(jìn)。日本標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行中、高頻感應(yīng)淬火處理，在車軸表層形成壓應(yīng)力，提高了車軸疲勞強(qiáng)度。北美標(biāo)準(zhǔn)ARR中相當(dāng)于我國的LZ50鋼的F級車軸鋼，一方面通過調(diào)質(zhì)熱處理改善車軸的綜合力學(xué)性能，另一方面通過對車軸易于產(chǎn)生疲勞斷裂的部位進(jìn)行溫度在535℃～565℃范圍的淬火[4]，F(xiàn)級車軸鋼的力學(xué)性能保持不降低，車軸表面的殘余壓應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度大大提高了。

3.1.2 車軸合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計

車軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理會導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生，車軸結(jié)構(gòu)對車軸疲勞強(qiáng)度影響顯著。優(yōu)化車軸結(jié)構(gòu)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(qiáng)度，而且由于車軸屬于“簧下質(zhì)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(jié)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(jié)構(gòu)參數(shù)，合理地設(shè)計壓裝過盈配合部位的形狀，再結(jié)合相應(yīng)的材質(zhì)和熱處理工藝，找到最合理的高速車軸結(jié)構(gòu)。

3.1.3 合理的表面改性處理

近年來，表面改性技術(shù)得到了長足發(fā)展，如對零件表面進(jìn)行鍍鉬、噴丸、滾壓等機(jī)械化加工硬化處理，不僅可以減小疲勞裂紋源的產(chǎn)生，而且能提高零件的疲勞強(qiáng)度。對于車軸，采用上述表面改性技術(shù)后，能提高車軸表面殘余壓應(yīng)力水平，增強(qiáng)車軸的表面強(qiáng)度和硬度，從而有效抑制了疲勞裂紋源的萌生和擴(kuò)展[4]。

歐洲等國家針對中、低合金高強(qiáng)度鋼（EA4T、34CrNiMo6等），采用調(diào)質(zhì)處理加表面滾壓技術(shù)來確保車軸具有良好的力學(xué)性能和疲勞強(qiáng)度。我國株洲電力機(jī)車廠下屬車軸制造廠采用EA4T機(jī)車軸表面鍍鉬的方法提高車軸強(qiáng)度，硬度可達(dá)到260HB。另外，對車軸表層進(jìn)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(shù)，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(yīng)力水平和疲勞強(qiáng)度，有效地阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，改善車軸的抗腐蝕性能[4]。

3.2 重載貨車車輪技術(shù)

要大幅提高貨車輪對的承載能力，必然要研發(fā)與之適應(yīng)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(yùn)行效率，馬鋼通過與國內(nèi)高等院校、鐵道科研院所的“產(chǎn)學(xué)研”合作，在車輪新材質(zhì)和新結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步。在充分調(diào)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(diào)整了CL60車輪用鋼中C、Si、Mn等合金元素的含量，研發(fā)出適用中國重載鐵路需求的材質(zhì)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(yùn)用負(fù)載試驗，通過了重載貨車車輪研發(fā)項目專家組評審[5]。可靠性試驗結(jié)果表明，該車輪用鋼的性能參數(shù)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(xù)投入大秦鐵路使用，使用結(jié)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(yùn)載能力，貨車運(yùn)行效率提高20%。根據(jù)以上研究思路和成果基礎(chǔ)，進(jìn)一步成功開發(fā)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(qū)，我國重載車輪的制造水平已居于世界先進(jìn)行列。

提高車輪承載能力的途徑之二是，車輪合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計。合理的車輪結(jié)構(gòu)對降低輪軌接觸應(yīng)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(xué)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(jié)構(gòu)形狀和尺寸對車輪的溫度場、車輪熱應(yīng)力場、車輪的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、接觸強(qiáng)度的影響，以及仿真檢驗?zāi)ズ牡较迺r車輪超常工況下等效應(yīng)力是否超過許用應(yīng)力，探求哪種車輪模型能夠大大降低接觸應(yīng)力和輪軌磨耗。據(jù)此選擇確定合適的輪型和與之匹配的軌道型號。文獻(xiàn)[6]對32.5t軸重貨車車輪的研究結(jié)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(jī)工程軟件，對貨車車輪提高軸重后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真研究，得出了許多有用的結(jié)論[7]。如，通過不斷修改幅板結(jié)構(gòu)、優(yōu)化車輪尺寸參數(shù)，危險部位應(yīng)力狀態(tài)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(jìn)車輪結(jié)構(gòu)形狀，在保證同樣的安全系數(shù)下，提高了軸重。

3.3 重載貨車輪對尺寸自動檢測技術(shù)

輪對是鐵路貨車行走機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，如果輪對在運(yùn)行中發(fā)生故障，將會對貨車本身以及鐵路設(shè)施帶來傷害，給鐵路運(yùn)輸造成重大損失。輪對故障導(dǎo)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(fā)在線經(jīng)濟(jì)可行的檢測設(shè)備，對貨車輪對尺寸進(jìn)行動態(tài)檢測，以及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)報輪緣尺寸超限的輪對，來實現(xiàn)確保車輛運(yùn)行安全。

目前，我國大多采用人工現(xiàn)場抽檢的方式對輪對進(jìn)行檢測，不但效率低下、檢測項目少，而且經(jīng)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(shù)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(tǒng)[8]，充分利用了PSD測量技術(shù)的分辨率高、后續(xù)處理簡單、實時性強(qiáng)、軌邊設(shè)備安裝簡便的特點(diǎn)，該輪對尺寸動態(tài)檢測系統(tǒng)，具備系統(tǒng)自標(biāo)定技術(shù)，檢測指標(biāo)多樣且能達(dá)到較高的精度，能滿足對貨車輪對動態(tài)檢測的要求。另一種應(yīng)用于貨車的入庫檢查以及地鐵在線監(jiān)查的檢測裝置[9]，自帶傳送翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、測量及其控制系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)，待貨車輪對沿著輸入軌道進(jìn)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(xié)同作用，經(jīng)A/D采集卡及信號處理系統(tǒng)，自動完成對輪對各參數(shù)的測量。

4 結(jié)束語

根據(jù)我國的實際技術(shù)現(xiàn)狀和不斷大幅增長的貨運(yùn)需要，研發(fā)重載輪對來提高貨車的軸重是實現(xiàn)重載貨運(yùn)的必由之路，需加強(qiáng)重載輪對的研發(fā)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(shù)進(jìn)步將直接關(guān)系到我國鐵路貨運(yùn)重載目標(biāo)的實現(xiàn)。

研制我國新一代大軸重貨車輪對的關(guān)鍵在于，在盡量不增加“簧下質(zhì)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(shù)進(jìn)步在于：車軸材質(zhì)微合金化及熱處理工藝優(yōu)化;車軸結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化，降低車軸的最大應(yīng)力;對車軸表面進(jìn)行改性處理，提高疲勞強(qiáng)度。重載車輪技術(shù)進(jìn)步在于：進(jìn)一步開發(fā)重載車輪用鋼新材料;車輪合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用現(xiàn)代檢測技術(shù)，有利于使用好重載輪對。

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