第３１卷第６期 ２０１１年１２月 铁道机车车辆 ＲＡＩＬＷＡＹ Ｌ０Ｃ０Ｍ０ＴＩＶＥ＆ＣＡＲ Ｖｏ１．３１ Ｎｏ．６ Ｄｅｃ． ２０１１
文章编号：１００８—７８４２（２０１１）０６—００３２—０５
铁路货车车轮伤损及踏面磨耗规律的研究
丁勇，王新锐，曲金娟
（中国铁道科学研究院机车车辆研究所，北京１０００８１）
摘要针对提速货车环行线１２ｏ ｋｍ／ｈ可靠性试验中车轮损伤和磨耗的统计数据，研究探索规律，分析车轮损伤 与运用里程的关系，提出现有我国主型货车在运用一个段修期后，将有１５ 的车轮由于损伤需要旋轮或更换，将成 为重载提速后车辆临修的主要故障之一；对于车轮磨耗，根据环行线不同轴重车辆３５万ｋｍ试验运行里程的车轮 磨耗数据，计算出车轮踏面圆周平均磨耗率并推出车轮圆周磨耗量推算经验公式，并结合大秦线调研数据对我国 今后将发展的新一代货车车轮圆周磨耗量进行计算预测。 关键词货车；车轮；磨耗 中图分类号：Ｕ２７２ 文献标志码：Ａ
随着铁路货运运输向高速重载的发展，铁路货车车 轮的损伤及磨耗问题引起广泛关注，在货车车辆轴重达
到２７￣３０ ｔ，运营速度１００ ｋｍ／ｈ以上时，货车车轮的损 伤及磨耗将呈现何种状态，对货车的正常运用及维修将
会造成何种影响，是我们急待研究的课题。 结合提速货车环行线１２０ ｋｍ／ｈ可靠性试验，充分
挖掘分析试验中车轮损伤和磨耗数据，寻求车辆轴重、
走行公里与车轮损伤、磨耗的关系，统计规律以进一步 预测新一代货车车轮可能发生的损伤和磨耗，为今后新
一代货车设计和运用维护提供数据支持。 １试验条件 提速货车１２０ ｋｍ／ｈ可靠性试验在环行线进行了历 时５年２个阶段的试验 ］，第１阶段试验总里程
１８２ ７４１．５ ｋｍ，其中１２０ ｋｍ／ｈ的里程约占总里程的
７Ｏ ；第２阶段试验总里程１６７ ６０３ ｋｍ，其中１２０ ｋｍ／ｈ 的里程约占总里程的６４．４７ 。 试验线路为中国铁道科学研究院环行试验线路，全 长８．５ ｋｍ，钢轨为６０ ｋｇ／ｍ Ｕ７４热轧钢轨，强度等级为
７８０ ＭＰａ。大环曲线半径１ ４３２ ｍ，超高１０５ ｍｍ；小环 半径１ ０００ ｍ，超高１５０ ｍｍ，中间直线段长度７５５ ｍ。 第１阶段试验没有侧线工况，第２阶段试验线路在直线
段增加了１２ 侧线。每Ｅｌ的运行试验中，安排５次列车
制动，包括调速制动２次，常用制动停车２次和紧急制
动停车１次。 参试车辆基本覆盖了我国铁路主型货车，包括敞
车、棚车、平车、罐车等通用货车、双层集装箱货车、７０ ｔ 级货车、８０ ｔ级运煤专用货车，以及转Ｋ２、转８Ｇ提速改
造车等。试验列车编组最长达６８辆，见表１。 ２检测手段及检测间隔 试验中，车轮的伤损及磨耗运用情况由列检专业人
员和课题组共同按照现行的《铁路货车运用维修规 程》＿】］定期进行检查，采用专用量具（轮径尺、车轮第４
表１提速货车１２０ ｋｍ／ｈ环行线可靠性试验参试车辆状况
丁勇（１９６３一）男，北京人，副研究员（收稿日期：２０１１—０５～２３）
第６期 铁路货车车轮伤损及踏面磨耗规律的研究
种检查器）和踏面型状检测仪进行数据测量并有效记 录，其中人工专用量具测量试验里程间隔约为８ ０００ ｋｍ，仪器测量试验里程间隔约为３０ ０００ ｋｍ。
３车轮更换原则、故障比率、更换率 按《铁路货车运用维修规程》，车轮损伤或磨耗超过
运用限度时将被更换。 研究样本：考虑车轮的损伤及磨耗情况需要在车辆
运行一定的里程下才能充分体现，因此，我们选择参试 车辆中试验考核里程较为完整、车辆数目较多的新造 ２１ ｔ轴重通用货车作为主要的分析研究样本，此样本车
辆第１阶段试验为２４辆，第２阶段继续试验为２Ｏ辆。
故障比率：在两个阶段约３５万运行里程的试验中， 新造２１ ｔ轴重通用货车共有３２条轮对被更换，除少量
车轮由于轴承故障被更换外，由于轮对损伤和磨耗原因 被更换的轮对数占总更换轮对的９４ 。
轮对更换故障原因比率 ６％ ％
圈轴承故障■踏面磨耗口踏面剥离、凹下
图１轮对更换故障比率
轮对更换率：由于环行线试验中空重车不换载，被更
换轮对的车辆在试验中都是重车状态，而我国通用货车 在实际运营中空车率指标始终在３０ 左右 ］，一定时间
内空车走行公里与重车走行公里之比约为３：７，因此对 试验中轮对的更换率以７ｏ 折算系数按下式计算：
轮对更换率一 蚤 ×７。
计算结果：第１阶段１８万ｋｍ轮对更换率为１７．５ ，第 ２阶段约１７万ｋｍ轮对更换率为２３．３ ，在第２阶段
轮对更换率有所提高，主要是由于轮对踏面磨耗超限更 换都在第２阶段试验中发生。
４车轮损伤情况分析 ４．１ 车轮损伤故障模式及微观分析
试验中，车轮损伤故障模式表现为踏面剥离长度超 限、局部凹下深度超限及少量踏面擦伤。
车轮剥离发展表现为刻度状裂纹的损伤初始阶段、 进一步的剥离掉块发展阶段（图２）。观察中发现，刻度
状裂纹是踏面损伤的初始形式，裂纹呈刻度状，为大致 平行于轴向的一系列平行裂纹组成，沿圆周分布，一般
地，刻度状裂纹在圆周上的分布是相对均匀的，分
布于踏面的靠轮缘部、中部或者靠外端部，也可能同时 一一
图２车轮刻度状裂纹损伤及 车轮剥离掉快损伤
在这其中两个部位出现。随着试验的进行，裂纹逐渐变 长和间隔变窄。
研究表明，刻度状裂纹是典型的踏面制动热负荷反
复作用下而形成的热裂纹，当车轮受到高能量制动时， 车轮踏面浅表层将重复周向压应力一塑性变形一周向
拉应力这一低周应力疲劳的循环过程，这一热疲劳下的 损伤不断累积，最后萌生垂直于表层的热裂纹。
踏面剥离、局部凹下损伤超限更换的车轮共计２３ 条，其中第１阶段试验更换１４条，第２阶段更换了９ 条；其中Ｋ２转向架１ｌ条，Ｋ４转向架１２条，损伤轮位
有一定差异，但差异不大且表现为随机性。
４．２ 车轮损伤与运用里程的关系 将试验中车轮损伤更换与对应的试验里程绘出关 系趋势图如图３，可以看到，试验运行里程在４万ｋｍ左
右即开始有损伤超限车轮出现，１８万ｋｍ为损伤换轮
高峰期，２１万ｋｍ又出现次高峰。
ｌ０ 嚣 蝗 ２
图３轮对损伤故障与里程关系
车轮损伤对车辆性能会产生直接影响，同样以２１ ｔ 轴重车为样本，考虑实际运营中装载状态的变化，计算 车轮由于损伤的更换率如表２。
表２ ２１ ｔ轴重车两个阶段试验车轮损伤更换率
计算结果表明，新轮在运用１８万ｋｍ（相当一个段 修期），大约有１５ ９／６的轮对将由于损伤需要旋轮或更
换，运用３５万ｋｍ（相当约两个段修期），损伤更换比例
将达到约３４％，因此可以认为车轮的损伤将成为今后
铁路重载提速后车辆运用维修的主要故障之一。
３４ 铁道机车车辆 第３ｌ卷
５车轮磨耗情况分析 ５．１ 车轮磨耗情况与运行里程关系
在环行线试验中，车轮磨耗主要表现为踏面圆周磨
耗，轮缘磨耗较小。新造２１ ｔ轴重通用货车共有７条 轮对由于踏面圆周磨耗超过运用限度（８ ｍｍ）被更换，
更换情况见表３。被更换的车轮都是重车车轮，车型为 敞、平、罐车型，没有棚车，运用里程大部分在２０万～３２ 万ｋｍ之间。
表３新造２１ ｔ轴重通用货车车轮圆周 磨耗到限更换记录
由上述数据可初步判断，对于新造２１ ｔ轴重车辆， 即使提速到１２０ ｋｍ／ｈ运用条件下，在第１个段修期 （相应１８万ｋｍ运用里程）内，其使用的直径８４０ ｍｍ
车轮磨耗一般不会达到圆周磨耗运用限度。 ５．２ 车轮踏面圆周磨耗率
由于我们更关心的是车辆轴重提高对车轮磨耗的
影响，而我国目前投入运行的货车最高轴重为２５ ｔ，对 于今后新一代货车轴重提高后车轮磨耗的发展趋势，我 们只能根据现有运行车辆车轮磨耗情况寻求规律进行
推测，因此我们将２３，２５ ｔ轴重的试验车辆纳入研究样
本，首先以车轮实测磨耗量数据，对试验中不同轴重车 辆车轮踏面圆周磨耗率进行计算，按式（１）
磨耗率＝＝＝主篓篙 ｃｍｍ／万ｔ・ｋｉｎ）
（１） 其中磨耗率是以每辆车８个轮的磨耗量平均值与 该车的实际运行吨公里数的比值获得，数据如表４，计
算结果：
重车平均磨耗率ｄ＝＝＝０．０２１ ７ ｒａｍ／万ｔ・ｋｍ 空车平均磨耗率 —Ｏ．０４０ ４ ｍｍ／万ｔ・ｋｍ
表４试验车轮圆周磨耗率 从以上的计算结果分析： （１）空车的车轮平均圆周磨耗率大于重车，大约为 重车的１．９倍；但由于重车平均单轮承载大，同样运行
里程下，吨公里数大于空车，因此重车车轮圆周实际磨
耗量大于空车，大约为空车的２．２倍。 （２）随着轴重的提高，车轮圆周实际磨耗量成上升 趋势，例如重车条件下，２５ ｔ轴重车比２１ ｔ轴重车运行
１８万ｋｍ多磨耗约０．９ ｍｍ。 （３）２１ ｔ轴重改造车的车轮圆周磨耗率及实际磨
耗量都呈现出相对较大，与２１ ｔ改造车车况较其他车 型差有关，因此可以说，车况好坏是影响车轮圆周磨耗
快慢的一个直接因素。 ５．３数据误差分析
以上述平均磨耗率作为基础数据，反推计算２１， ２３，２５ ｔ轴重车辆运行１８万ｋｍ的磨耗量，与试验中实
测磨耗量进行比较，见图４。相对误差计算见表５。
２５ ２３ ２ｌ ２１改 平均 轴重／ｔ
图４轮对磨耗计算与实测对比
表５试验重车、空车车轮圆周磨耗量计算值与实测值对比
计算结果表明，反推磨耗量计算值与实测磨耗量误
差不大，相对误差在±１２ 以内（其中正误差表示反推
磨耗量高估，负误差表示低估）。 ５．４ 车轮圆周磨耗量经验公式
以上分析表明：以平均磨耗率计算出的反推磨耗量 与试验实测磨耗量的误差不大，并普遍略有高估（只有 ６ ５ ４ ３ ２ ｌ Ｏ
目目＼删瓣避 第６期 铁路货车车轮伤损及踏面磨耗规律的研究
２１ ｔ改造车略低估），因此我们认为可以将上述计算得
出的空重车车轮平均磨耗率作为基本参数，以期对不同 轴重不同运行里程的车辆车轮圆周磨耗进行推测，因此 提出经验公式如下：
Ｍ—Ｓ × ×Ｋ１＋ ×— ×Ｋ２） （２） 厶 。 式中Ｍ为车轮磨耗量（ｒａｍ）；Ｓ为运行里程（万公里）；
ａ为重车车轮平均磨耗率（取值０．０２１ ７）； 为空车车
轮平均磨耗率（取值０．０４０ ４）；Ｋ 、Ｋ。为空重车比率 （通用车重车Ｋ 取０．７，空车Ｋ 取０．３，专用车Ｋ 取
０．５，Ｋ 取０．５）。按经验公式（２）对现有运用车（２１，２３， ２５ ｔ轴重）及新一代货车（２７，３１．５ ｔ轴重）车轮圆周磨 耗量进行推算，计算中２１，２３，２５ ｔ轴重车自重分别取
２２．３，２３．７，２０ ｔ；２７，３１．５ ｔ轴重车自重分别取２８，３０ ｔ， 计算结果见图５、表６。
２１ ２３ ２５ ２７ ３１．５ 轴重／ｔ
图５不同轴重轮对磨耗推测
表６不同轴重车轮圆周磨耗量推算（１８万ｋｍ） 车型轴重／ｔ空重比率３：７磨耗量／ｍｍ空重比率１：１磨耗量／ｍｍ
计算结果表明：通用车轴重若提高到２７ ｔ，车辆运 行１８万ｋｍ，车轮圆周磨耗量为４．５ ｍｍ（空重比率按 ３：７计算）；专用车轴重若提高到３１．５ ｔ，车辆运行ｌ８ 万ｋｍ，车轮圆周磨耗量为４．４ ｍｍ（空重比率按１：１
计算）；两者数据相当，可以近似的认为，３１．５ ｔ的专用 车在专用线运输，如若按重车去空车返的运输方式使 用，在相同的运用里程下车轮的圆周磨耗量与２７ ｔ轴
重通用车磨耗量相当。 考虑到通用车段修期已延长到２年（约运行２４万
ｋｍ），推测２７ ｔ轴重通用车一个段修期的车轮圆周磨耗 约为６．０ ｍｍ。对车轮圆周磨耗的推算是基于环行线
可靠性试验统计数据进行的，试验的运行速度高于我国 现有货车的实际运行速度，线路及装载条件与正线实际 情况也有一定差异，因此，为了更加全面的对车轮圆周 磨耗进行分析，将２００５年齐车公司大秦线货车车轮磨
耗调研的结果＿３ 与环行线进行对比，以期对新一代货车 在大秦线运用条件下的车轮磨耗进行预估。 ５．５ 环行线与大秦线车轮圆周磨耗综合对比分析
我国大秦线２３ ｔ轴重的Ｃ 。、Ｃ 。 ，２５ ｔ轴重的Ｃ 。
系列重载车辆的磨耗调研结果，如表７所示。
表７大秦线各车型车轮踏面圆周磨耗情况ｍｍ 车型 转向架 轴重／ｔ １Ｏ万ｋｍ ｌ＿５年 ２年
以表７中１０万ｋｍ车轮平均磨耗数据推算可得，
运行１８万ｋｍ，２３，２５ ｔ轴重车辆的车轮圆周磨耗量分 别是１．１５，１．９７ ｒａｍ，该值大约是环行线可靠性试验中 测试结果的一半左右。环行线测试结果较大秦线调研
结果大的原因我们认为与车辆运行速度有关，环行线试 验中１２０ ｋｍ／ｈ速度级的运行里程占６Ｏ 以上，１００ ｋｍ／ｈ及以上速度级占９０ ９／６以上，这大大高于大秦线的
运行速度。环行线及大秦线车轮圆周磨耗量分布如 图６。
目环行线空重ｋＬ３：７口环行线空重比１：１ 目大秦线１８万（１：１）＿大秦线４Ｏ万（１：１） －大秦线２年（１：１） ．
２１ ２３ ２５ ２７ ３２．５ 轴重／ｔ
图６不同轴重车轮圆周磨耗量分布
结合大秦线车轮调研数据与环行线的试验数据，将
２５ ｔ轴重车辆运行１８万ｋｍ车轮圆周磨耗的数据进行 比较，求出数据比例系数０．５７９（１．９７／３．４），简单的认
为是速度影响因子ｙ，以此修正经验公式为（３），对专用 线上新一代货车（２７，３１．５ ｔ轴重）车轮圆周磨耗量进行
推测，结果见表８。
Ｍ—Ｓ×），×（ｄ× ×Ｋ ＋ ×旦粤×Ｋ２）
（３） ９ ７ ５ ３ １ 目目＼删
匾凰 卅