制动梁横移对铁路货车车轮磨耗的影响

郭旺斌

摘要：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。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。

关键词：制动梁横移；铁路货车；车轮磨耗；影响

1制动磨耗对轮对横向动态平衡的影响

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1，运行20万公里后无制动车轮踏面磨耗约减轻15%~20%。

图1有无制动车轮踏面磨耗对比

当制动梁横移后，如图2，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，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2制动梁横移后轮瓦相对位置

2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60~120km/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（0、2、4、6、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3，轮轨横向力总体随轮径差增加而增大，但空车在时速70~110km时，2mm的轮径差下轮轨横向力增幅显著，重车则在时速80~120km时，4mm的轮径差下轮轨横向力增幅明显。

(a)空车工况

(b)重车工况

图3轮径差对最大轮轨横向力的影响

如图4所示，轮径差对空车低速横向平稳性影响较小，在时速80~120km内平稳性随轮径差增大近似均匀衰减。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0~6mm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”。

(a)空车工况

(b)重车工况

图4轮径差对横向平稳性指标的影响

如图5所示，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。图6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。综合图5和6，空车在轮径差2mm时车轮磨耗增加48%，特别是在时速70~100km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90~120km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。

(a)空车工况

(b)重车工况

图5轮径差对车轮磨耗数的影响

(a)空车工况

(b)重车工况

图6轮径差对车轮磨耗增量的影响

3制动梁横移限制措施

3.1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。

3.2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，如图7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。调研结果显示，装用集成制动车辆各位车轮未产生明显的不均匀磨耗。

图7集成制动装置结构

（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。

4结语

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。诸多研究人员通过仿真分析，评估了轮径差的影响。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。

参考文献

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