杜 偉

（1 遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧錦州 121000；2 大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116028）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，鐵路貨運(yùn)逐步實(shí)施《2018-2020年貨運(yùn)增量行動方案》，貨運(yùn)時速將達(dá)到轉(zhuǎn)向架設(shè)計的最高商業(yè)運(yùn)營速度120 km/h，輪軌作用力將隨速度的提高而增大，加速輪軌磨耗速率，甚至產(chǎn)生偏磨，降低鐵路裝備使用壽命。目前，鐵路貨車車輪磨耗超限、偏磨、輪徑差增大的問題普遍存在[1-2]，對此，眾多專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，劉振明[3]對制動梁橫移進(jìn)行了理論分析，討論了其與車輪踏面圓周磨耗不均輪緣磨耗不均的關(guān)系；肖八勵[4]通過故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計及結(jié)構(gòu)分析，討論了中拉桿式制動梁結(jié)構(gòu)對車輪偏磨的影響；王金棟[5]通過阻力檢測試驗(yàn)，分析了制動梁緩解阻力對車輪磨耗的影響；鄒德順[6]通過模擬制動試驗(yàn)測試了制動梁橫移后車輪與閘瓦側(cè)面的橫向力。文中從鐵路貨車制動梁結(jié)構(gòu)及受力分析入手，結(jié)合現(xiàn)場的調(diào)研數(shù)據(jù)，研究了固定杠桿側(cè)與游動杠桿側(cè)制動梁橫移及其與車輪磨耗規(guī)律的關(guān)系。

1 中拉桿式制動梁結(jié)構(gòu)分析

目前我國鐵路貨車中，基礎(chǔ)制動裝置除少量裝用轉(zhuǎn)8G型轉(zhuǎn)向架的60 t級鐵路貨車采用下拉桿式制動梁，其他的裝用轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K4型轉(zhuǎn)向架的60 t級鐵路貨車以及裝用轉(zhuǎn)K6、轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架的70 t級鐵路貨車均采用了中拉桿式制動梁，約占貨車總量的97%以上。中拉桿式制動梁結(jié)構(gòu)如圖1所示，由2個制動梁（包括閘瓦及端部的滑塊磨耗套）、傾斜的固定杠桿和游動杠桿、中拉桿、支點(diǎn)組成。

圖1 基礎(chǔ)制動裝置的結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向架組裝后，制動梁端部的滑塊磨耗套放置于側(cè)架中的滑槽磨耗板中，制動過程中制動梁在滑槽磨耗板內(nèi)往復(fù)運(yùn)動。如圖2所示，制動梁橫向與轉(zhuǎn)向架側(cè)架間隙B1和B2尺寸（10.5 mm）略大于閘瓦距輪緣間隙A1和A2尺寸（8.5 mm）；此外，考慮制造精度較低的鐵路貨車，受公差帶累積的影響，B1和B2間隙可能明顯大于A1和A2間隙，會造成制動梁橫向移動時，閘瓦與車輪的相對位置不正，引起左右側(cè)車輪踏面輪瓦磨耗位置不對稱，甚至閘瓦側(cè)面接觸到車輪輪緣而導(dǎo)致輪緣磨耗。

圖2 輪瓦間隙A 及梁架間隙B 示意圖

2 緩解狀態(tài)制動梁橫移的受力分析

對緩解狀態(tài)下中拉桿式制動梁受力分析表明[3]，固定杠桿端制動梁，受支點(diǎn)側(cè)偏斜的固定杠桿結(jié)構(gòu)，使本側(cè)制動梁受固定杠桿重力橫向分力的作用，向無支點(diǎn)座的方向移動；游動杠桿端制動梁由于不存在未平衡的橫向力，不會發(fā)生橫移；固定杠桿端制動梁橫移后不易回到中間位置，游動杠桿端制動梁即使發(fā)生橫移，因?yàn)榫徑庾枇π?，容易恢?fù)到中間位置。

3 制動狀態(tài)制動梁橫移的調(diào)研分析

為研究制動梁橫移的真實(shí)情況，調(diào)研分析了博克圖站貨運(yùn)列車在長大坡道制動停車后，未緩解前車輪與閘瓦的相對位置關(guān)系。調(diào)研線路為：濱州線（上）興安嶺—博克圖區(qū)段，總長約為30 km，其中上行線部分區(qū)段區(qū)間內(nèi)最大坡度為16.5‰，最小曲線半徑為400 m，其中小于800 m半徑的曲線17處，總長為7.7 km，占線路總長的60%。制動梁端部閘瓦外側(cè)與車輪外側(cè)的理論距離為10 mm，車輛制動后制動梁將橫向移動，出現(xiàn)如圖3中所示的車輪與閘瓦間的“外側(cè)貼靠”、“正常”及“內(nèi)貼輪緣”3種典型位置。

圖3 輪瓦3種典型相對位置

經(jīng)統(tǒng)計，選取固定杠桿支點(diǎn)設(shè)置在相同位置的鐵路貨車，如圖4所示，對比了調(diào)研的45輛貨車各位車輪與閘瓦相對位置關(guān)系中，輪瓦發(fā)生“外側(cè)貼靠”的百分比。調(diào)研選取數(shù)據(jù)樣本較多的固定杠桿支點(diǎn)設(shè)在4、6位的C64K（15輛）、C70E（28輛）和C70H（2輛）型貨車。從調(diào)研結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，第2、3、5、8位車輪與閘瓦“外側(cè)貼靠”比例顯著，說明車輛制動停車后，固定杠桿支點(diǎn)側(cè)制動梁閘瓦與3、5位車輪外側(cè)面易發(fā)生貼靠，制動梁向非支點(diǎn)側(cè)橫移；而游動杠桿支點(diǎn)側(cè)制動梁閘瓦與2、8位車輪外側(cè)面易發(fā)生貼靠，制動梁向支點(diǎn)側(cè)橫移，即每臺轉(zhuǎn)向架的固定杠桿側(cè)與游動杠桿側(cè)制動梁發(fā)生了反向橫移，如圖5所示。

當(dāng)制動梁橫移后，一端閘瓦與車輪外側(cè)面貼合，此時制動梁橫移量接近10 mm，而另一端閘瓦將移向另一側(cè)車輪的輪緣處，出現(xiàn)如圖6所示狀態(tài)。因此，采用中拉桿式制動梁的貨車轉(zhuǎn)向架，兩制動梁易發(fā)生類似繞支點(diǎn)的“旋轉(zhuǎn)”效應(yīng)，固定杠桿支點(diǎn)側(cè)與對側(cè)制動梁反向橫移，造成車輛第1、4、6、7位輪瓦接觸位置貼近輪緣，加劇了踏面根部甚至輪緣的磨耗。

圖4 各位車輪輪瓦“外側(cè)貼靠”百分比

4 鐵路貨車各位車輪磨耗規(guī)律的調(diào)研分析

鐵路貨車因采用輪瓦制動，所以其車輪磨耗由輪軌磨耗和輪瓦磨耗兩部分組成。輪軌接觸時，在較小的接觸斑內(nèi)，以滾動摩擦類型為主，因此磨耗速率緩慢；輪瓦間因制動時閘瓦直接壓在滾動的車輪踏面之上，兩者的摩擦類型是材料磨耗速率較快的滑動摩擦。因此，難以計算制動總時長，不易理論分析輪軌磨耗和輪瓦磨耗兩者所占的比例。通過對900余輛貨車運(yùn)用磨耗調(diào)研[7]，得知了鐵路貨車車輪磨耗發(fā)展的基本規(guī)律。

圖5 固定杠桿在4、6位車型制動梁橫移情況

圖6 制動梁橫移后閘瓦與車輪位置

4.1 踏面與輪緣磨耗的發(fā)展順序

對于車輪表面不同位置而言，車輪踏面將先于輪緣發(fā)生磨耗，主要是因?yàn)槌跗谶\(yùn)行時輪對平衡位置處于軌道中心線附近，輪緣較少貼靠鋼軌，磨耗以踏面為主。隨著運(yùn)行里程不斷增加，輪對平衡位置將因踏面不斷增加的磨耗量逐漸偏離軌道中心，促使輪緣與鋼軌的接觸頻率增大。輪緣與鋼軌側(cè)面的摩擦類型為滑動摩擦，材料的消耗速率明顯大于踏面與鋼軌接觸滾動磨耗速率，使得輪緣快速產(chǎn)生磨耗。

4.2 不同位數(shù)車輪磨耗規(guī)律

調(diào)研分析表明，如圖7所示，采用中拉桿的鐵路貨車中，處于固定杠桿支點(diǎn)一側(cè)的第2、4、6、8位數(shù)車輪，其踏面磨耗量更大，相比對側(cè)車輪平均約大0.24 mm；輪緣厚度則更小，相比對側(cè)車輪平均約小0.26 mm，呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)向架固定支點(diǎn)側(cè)車輪踏面與輪緣磨耗相對略大的規(guī)律；而且固定杠桿支點(diǎn)側(cè)的第4、6位車輪輪緣磨耗最為嚴(yán)重。

5 中拉桿制動梁對車輪磨耗的影響

圖7 車輪磨耗

在固定杠桿側(cè)輪對向非支點(diǎn)側(cè)橫移明顯，支點(diǎn)側(cè)的車輪的輪瓦磨耗區(qū)域?qū)⑹苤苿恿簷M移影響，逐漸向輪緣靠近，造成踏面磨耗區(qū)域與輪瓦磨耗區(qū)域在輪緣根部附近疊加，加速了支點(diǎn)側(cè)車輪踏面根部，甚至輪緣的磨耗，促使支點(diǎn)側(cè)車輪的踏面錐度降低；而非支點(diǎn)側(cè)車輪輪軌磨耗主要區(qū)域與輪瓦磨耗區(qū)域在遠(yuǎn)離輪緣根部疊加，車輪踏面錐度變大。同一輪對兩側(cè)車輪踏面錐度不對稱，支點(diǎn)側(cè)車輪踏面錐度逐漸降低，非支點(diǎn)側(cè)車輪踏面錐度增大，導(dǎo)致運(yùn)行中，支點(diǎn)側(cè)車輪橫向復(fù)原力降低，更加容易貼靠輪緣運(yùn)行；而非支點(diǎn)側(cè)車輪橫向復(fù)原力增加，更加容易促使輪對向本側(cè)橫移，改變這一輪對左右車輪輪軌磨耗的主要接觸區(qū)域，產(chǎn)生輪徑差，加速了支點(diǎn)側(cè)車輪的磨耗，這一結(jié)果與車輪磨耗調(diào)研結(jié)果相符。

在游動杠桿側(cè)輪對中，制動梁不平衡的橫向力較小，調(diào)研發(fā)現(xiàn)車輛制動后游動杠桿側(cè)制動梁出現(xiàn)了反向橫移，可能造成1、4、6、7位車輪磨耗嚴(yán)重。但經(jīng)車輪磨耗調(diào)研發(fā)現(xiàn)，支點(diǎn)側(cè)的2、4、6、8位車輪普遍磨耗量更大，說明游動杠桿側(cè)制動梁的橫移并未顯著影響該側(cè)車輪磨耗情況。游動杠桿側(cè)車輪的磨耗主要受固定杠桿側(cè)輪對車輪偏磨的影響：當(dāng)固定杠桿側(cè)車輪產(chǎn)生輪徑差后，輪對會因左、右側(cè)車輪產(chǎn)生的方向相反的縱向蠕滑力，此輪對會發(fā)生搖頭，使此輪對產(chǎn)生橫向蠕滑力帶動輪對向小輪徑側(cè)橫移；并且此搖頭和橫移會通過軸箱（一系）懸掛，帶動構(gòu)架（側(cè)架、搖枕）搖頭和橫移，再通過軸箱（一系）懸掛帶動轉(zhuǎn)向架內(nèi)另一輪對產(chǎn)生橫移[8]。因此即使另一輪對沒有輪徑差，由于受有輪徑差輪對的影響，這一輪對也不會平衡于軌道中心線，進(jìn)而改變了輪對兩側(cè)車輪與鋼軌間的接觸區(qū)域，最終逐漸產(chǎn)生兩側(cè)車輪的偏磨及輪徑差[9]。

6 結(jié)論

普遍采用踏面制動的鐵路貨車，車輪磨耗情況受基礎(chǔ)制動裝置的影響，不同位數(shù)的車輪磨耗表現(xiàn)出顯著的磨耗規(guī)律。

（1）中拉桿式制動梁因固定杠桿、游動杠桿傾斜放置結(jié)構(gòu)原因，制動后固定杠桿支點(diǎn)側(cè)制動梁將向非支點(diǎn)側(cè)移動，對側(cè)游動杠桿側(cè)制動梁將反向移動。

（2）固定杠桿側(cè)輪對車輪磨耗受制動梁橫移的直接影響，輪瓦磨耗區(qū)域移動后兩側(cè)車輪輪瓦磨耗的位置不對稱，促使兩側(cè)車輪產(chǎn)生偏磨，逐漸產(chǎn)生輪徑差。

（3）雖然游動杠桿側(cè)制動梁也發(fā)生橫移，但影響車輪磨耗的主要因素是固定杠桿側(cè)輪對的輪徑差：在輪徑差作用下，固定杠桿側(cè)輪對產(chǎn)生橫向蠕滑力會帶動游動杠桿側(cè)輪對偏離軌道中心線平衡位置，最終也發(fā)展為支點(diǎn)側(cè)車輪磨耗嚴(yán)重的現(xiàn)象。

（4）改進(jìn)中拉桿式制動梁結(jié)構(gòu)，消除未平衡的橫向力將減少制動梁的橫移。在貨車運(yùn)用時監(jiān)控輪徑差可減緩車輪磨耗的發(fā)展。