制动梁横移对铁路货车车轮磨耗的影响

衣美玲

（辽宁铁道职业技术学院城市轨道交通学院，辽宁 锦州 121000）

1 引言

铁路货运具备低碳环保的优势，但目前在各种运输方式中仅承担货运总量的8%。在绿色可持续的发展目标指引下，货车装备将进一步提速并加大轴重，轮轨异常磨耗问题将更加突出。目前中国近90万辆货车中，制动梁固定杠杆支点布置在靠近车轮4、6位的车辆占90%以上，调研发现车轮踏面与轮缘磨耗在固定支点侧略大的普遍规律[1-3]。这一现象被认为与货车广泛采用的中拉杆式制动梁密切相关，国内外理论分析和试验研究[4-6]发现因倾斜式固定和游动杠杆的制动梁存在未平衡的横向力，导致制动梁横移，进而由车轮与闸瓦间制动磨耗的不对称引起车轮偏磨，产生轮径差。在现有货车定期检修体制下，尚缺乏成熟的车轮直径动态检测技术和轮径差检修限度标准。在铁路货车平均约两年的段修期内，车轮踏面异常磨损导致轮径差过大问题因速度低和轴重小尚未充分暴露，但货车提速重载后其影响不可忽略。研究表明大轮径差作用下，车轮贴靠一侧钢轨运行时仍能维持车辆较高的横向平稳性，但会引起轮缘的快速磨损[7]。诸多研究人员通过仿真分析，评估了轮径差的影响[8-11]。但仿真工况尚未充分反映实际轮径差分布规律，货车实际车轮磨耗规律不符，难以发挥指导实践作用。因而，在调研分析基础上，仿真评估了制动磨耗对车轮磨耗的影响，并提出对应措施。

2 制动梁横移调研分析

我国约有4%装用转8G型转向架的60t级铁路货车使用下拉杆式组合式制动梁，其他的各型号货车均装用的是中拉杆式组合式制动梁，其结构，如图1所示。与下拉杆式制动梁横向无倾斜的固定和游动杠杆相比，中拉杆式制动梁的固定和游动杠杆则倾斜放置，理论分析表明，杠杆未平衡的重力横向分量提供了制动梁横移的动力[6]。

图1 制动梁结构Fig.1 Brake Beam Construction

制动梁安装在转向架两侧架内侧面的滑槽磨耗板内，车辆运行过程中，制动梁横移后，一侧闸瓦可能接触轮缘，另一侧则远离轮缘，如图2中A2减小，A1增大。在制动时，接触闸瓦的轮缘会产生额外的磨耗，导致此侧闸瓦与车轮踏面的接触磨耗位置靠近轮缘根部；另一侧闸瓦与踏面接触的部位则远离轮缘根部，偏离了理论的轨道中心线位置，促使同一轮对两侧车轮踏面的轮瓦间磨耗不均。

图2 制动梁端部及轮—瓦间隙Fig.2 Brake Beam End and Clearance Between Wheel and Brake Shoe

为掌握制动梁横移的实际规律，调研了列车经过长大坡道在博克图站制动停车后，制动梁上闸瓦与车轮的相对位置。调研线路为滨州线（上行）兴安岭～博克图区段，线路总长约30km，其中上行线段区间内最大坡度为16.5‰。制动梁端部闸瓦外侧与车轮踏面端面的理论距离为10mm，制动梁横移后出现的三种典型情况，如图3所示。

因此可依据“外侧贴靠”状态判定制动梁向某轮方向发生了横移。经调研统计，选取基础制动装置布置相同的货车，如图4所示。

统计了76 辆货车各位车轮与闸瓦发生“外侧贴靠”的百分比。选取数据样本较多的三种车型分析共50辆，固定杠杆支点均设置在4、6位，其中C62（7辆）、C64（15辆）、C70（28辆）。

可知，第2、3、5、8位车轮与闸瓦“外侧贴靠”比例约占50%，说明车辆制动停车后，固定杠杆侧与游动杠杆侧制动梁发生了反向横移，如图5所示。此时1、4、6、7位车轮踏面上闸瓦位置更靠近轮缘。

图5 制动梁横移方向Fig.5 Lateral Displacement Direction of Brake Beam

3 制动磨耗对轮对横向动态平衡的影响

3.1 车轮磨耗量中制动磨耗比例

车轮的磨耗量是由车轮与钢轨滚动摩擦磨损和车轮与闸瓦制动时滑动摩擦磨损两部分组成。对重载货车关门车（切除制动）及正常车辆车轮磨损量的定期跟踪检测发现，如图6 所示。运行20万公里后无制动车轮踏面磨耗约减轻（15～20）%[12]。

图6 有无制动车轮踏面磨耗对比Fig.6 Comparison of Wheel Tread Wear with or without Brake

当制动梁横移后，如图7所示。车轮与闸瓦间的磨耗在车轮踏面上的位置将不对称，逐渐形成左右车轮的轮径差。根据既有通用线货车车轮磨耗调研结论[2]，车轮踏面磨耗呈固定支点侧的2、4、6、8位轮略大，且支点所在的4、6位磨耗量最大的规律。可以推断4、6位车轮踏面磨耗速率更快，并促使2、3位轮对形成轮径差，这主要是因为支点侧4、6位车轮踏面在移向轮缘位置的制动磨耗和轮轨磨耗叠加作用下，踏面先较快产生磨耗。但实际一辆车内各位车轮磨耗总体规律并未呈现与制动梁横移规律相符的1、4、6、7位车轮踏面磨耗严重的特征，这主要是因为在综合因素影响下，如车轮踏面横向材料表面硬化或硬度分布不均，轮径差对车辆动力学性能及磨耗特性的影响超过了非支点侧轮对制动磨耗不对称的影响。

图7 制动梁横移后轮瓦相对位置Fig.7 Relative Position of Wheel and Brake Shoe After Brake Beam Displacement

3.2 制动磨耗对轮对动态平衡的影响

同一轮对左右车轮与闸瓦位置的不对称，将引起踏面外形的不对称变化，进而通过轮轨关系影响车辆动力学性能。

基于横移与摇头2自由度有约束轮对动力学方程[13]：

式中：TηL/R和TξL/R—横/纵向蠕滑力；vηL/R和vξL/R—横/纵向蠕滑率；fη、fξ—横/纵向蠕滑系数；l0—左右车轮滚动圆横向跨距的一半。纵向和横向蠕滑率可近似表示为：

式中：λ—等效锥度；r0—滚动圆半径；v—运行速度；y和ψ—轮对横移量和摇头角。代入式（1）得轮对横向平衡关系式：

式中：γ—左右轮接触角差的等效线性参数；W—轮对重力。当车速低于临界速度时，负阻尼“”较小，因此有：

式（5）左侧为轮对重力刚度恢复力，右侧为轮对摇头运动引起的横向蠕滑力。可知在稳态下，当轮对重力刚度提供的对中能力减弱后，轮轨蠕滑势必增大。而且，在轮对横移量较大时，因接触角增大，车轮自旋蠕滑不可忽略，车轮表面磨耗功在原横、纵向蠕滑两项，增加了自旋蠕滑的波动影响。

制动梁横移后，闸瓦贴近或靠近轮缘一侧的车轮，其直径和锥度将随表面材料磨损而逐渐下降；而对侧车轮因闸瓦远离轮缘，车轮直径基本不变，但踏面端部的锥度将增大。为了维持轮对滚动时左右车轮实际滚动圆直径相同，产生轮径差的轮对将向小轮径侧横移，并稳定在新的轮对横向平衡位置。但此处左右车轮踏面锥度已不对称，当轮对横移时，重力刚度提供的恢复力更易使轮对向小锥度侧车轮移动，即带动轮轨接触磨耗的位置也向小锥度（轮径）侧移动，越接近轮缘位置轮轨磨耗速率越快。轮对平衡位置逐渐向小轮径侧移动，轮径差的方向难以改变，左右车轮踏面磨耗量差值只能越来越大。

对于两轴转向架而言，在其中一条轮对产生轮径差后，此轮对向小轮径侧横移，其产生的横向蠕滑力将通过悬挂约束内力作用在侧架及摇枕上，促使另一条轮对也向相同方向移动，逐渐形成两条轮对同向轮径差。因而，铁路货车在支点侧车轮踏面快速磨损形成轮径差后，也将带动非支点侧轮对产生横移，逐渐发展为支点侧车轮普遍更大的规律。

4 轮径差对车轮磨耗的影响

为评估轮径差对车轮磨耗的影响，建立主型C70型敞车的单车动力学模型，配装转K6型转向架。建模将轮对、侧架、摇枕、车体等部件处理为刚体，假定车辆匀速运动，计算中线路激扰取美国5级谱。以含自旋蠕滑项改进的爱因斯磨耗数为磨耗评价指标，其余指标按GB5599计算与评定。分析了直线线路，速度（60～120）km/h的空车与重车工况。为反映实际货车磨耗中支点侧（4、6位）车轮先产生轮径差的规律，设置转向架内仅一条轮对存在轮径差0mm、2mm、4mm、6mm、8mm的工况。存在轮径差时，车辆横向性能将受到显著影响，如图8所示。

图8 轮径差对最大轮轨横向力的影响Fig.8 Influence of RRD on the Maximum Wheel-Rail Lateral Force

轮轨横向力总体随轮径差增加而增大，但空车在时速（70～110）km时，2mm的轮径差下轮轨横向力增幅显著，重车则在时速（80～120）km时，4mm的轮径差下轮轨横向力增幅明显。轮径差对空车低速横向平稳性影响较小，在时速（80～120）km内平稳性随轮径差增大近似均匀衰减，如图9所示。而重车在2mm轮径差下，横向平稳性显著降低。而空、重车在轮径差（0～6）mm的区间内，横向平稳性逐渐恶化，但轮径差达到8mm后，平稳性则有所回升，这主要是因为在轮径差作用下，轮对横移后越接近轮缘的位置，车轮接近贴靠轮缘运行时平稳性反而越好，即进入“亚稳定区”[7]。

图9 轮径差对横向平稳性指标的影响Fig.9 Influence of RRD on the Lateral Stability Index

轮径差增大后，车轮磨耗显著增加，但车轮磨耗增量并不随轮径差线性增加，如图10所示。

图10 轮径差对车轮磨耗数的影响Fig.10 Influence of RRD on the Wheel Wear Number

统计了不同轮径差下，车轮磨耗数相对于无轮径差车轮的增幅百分比，如图11所示。综合图10、图11，空车在轮径差2mm时车轮磨耗增加48%，特别是在时速（70～100）km的主要运用速度区间，磨耗增加81%。重车则在轮径差达4mm时，磨耗平均增加76%，在时速（90～120）km的提速或达速区间，磨耗增加92%。通用线车轮磨耗规律显示，当轮径差超过4mm后轮缘磨耗加速发展，而轮缘磨损后，因轮缘角度关系，车轮镟修量需提高约4倍。综上，鉴于空车时磨耗指数偏低，建议以4mm为铁路货车轮径差的控制限度。

图11 轮径差对车轮磨耗增量的影响Fig.11 Influence of RRD on the Wheel Wear Increment

5 制动梁横移限制措施

为减缓制动梁横移的负面影响，可从限制和消除制动梁横移现象制定解决措施。

5.1 既有车辆

对于已运用的既有车，可限制制动梁横向与侧架端部的间隙。制动梁端部安装滑块磨耗套，制动过程中与滑槽磨耗板接触，并相对滑动。因而可采取以下限位措施：

（1）将滑块磨耗套与滑槽磨耗板底部接触的端部增加一定厚度。

（2）将滑槽磨耗板改进设计，将与制动梁端部接触的底面适当抬高。

（3）增加制动梁横移弹性复原装置，控制制动梁横移量。

但铁路货车铸造三大件式转向架加工及组装公差累积影响，其限位措施的技术效果难以彻底解决制动梁横移问题。

5.2 新造车辆

对于新造车辆，应从结构上避免零部件倾斜布置而产生的重力横向分量，采用结构本身无未平衡的横向约束内力的机构，可从根本上消除制动磨耗不对称对车轮磨耗规律的影响。

（1）采用集成制动装置，将制动缸、闸调器及制动杠杆等集成在制动梁上，消除了倾斜杠杆，如图12所示。调研结果显示[12]，装用集成制动车辆各位车轮未产生明显的不均匀磨耗。

图12 集成制动装置结构Fig.12 Integrated Brake Device Structure

（2）在现有中拉杆式制动梁进行结构改进设计，将固定和游动杠杆改为垂直放置，在保持制动倍率不变前提下，适当修改拉杆和摇枕孔结构。

6 结论

（1）在中拉杆式制动梁未平衡的横向力作用下，转向架内两制动梁产生反向横移。同一轮对左右车轮踏面制动产生的磨耗横向位置不对称，促使轮对产生轮径差。（2）车轮踏面非对称磨耗后，轮对新平衡位置两侧横移时的重力恢复力并不相同，更易于使轮对进一步移向小轮径侧，约束内力经悬挂传递给转向架侧架后，将带动另一条轮对产生横移，逐渐发展为货车同向轮径差特征。（3）空车工况在轮径差2mm的（70～100）km/h区间车轮磨耗增加81%，重车则在轮径差4mm时，在（90～120）km/h的提速或达速区间，车轮磨耗增加92%。结合车轮磨耗实际发展规律，建议以4mm作为货车轮径差控制标准。可对既有结构增加限位措施，或者对新造车辆采用新结构，消除制动梁横移的影响。