王 鼎

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

輪徑差和車輪踏面圓周磨耗是影響車輛運(yùn)行安全性的重要因素［1-4］。文中數(shù)據(jù)出自“神華重載鐵路模擬狀態(tài)修運(yùn)行試驗(yàn)研究”。試驗(yàn)中，通過定期開展車輪磨耗數(shù)據(jù)跟蹤測(cè)量，獲取大量不同運(yùn)行里程階段輪軌磨耗及踏面外形的數(shù)據(jù)，將對(duì)其中裝有轉(zhuǎn)K6 型轉(zhuǎn)向架的C80型敞車，通過設(shè)置不同輪徑差，對(duì)運(yùn)用20 萬km 的輪對(duì)磨耗情況、踏面外形變化及重載貨車的車輪磨耗規(guī)律進(jìn)行深入研究。

樣本選取216 輛貨車進(jìn)行跟蹤測(cè)試。其中，新輪393 條、新旋修輪狀態(tài)輪對(duì)274 條，初始設(shè)置1 mm 輪徑差（［1，0］）輪對(duì)157 條，初始設(shè)置2 mm輪徑差（［2，0］）輪對(duì)149 條，初始設(shè)置1 mm 輪徑差、3 mm 踏面圓周磨耗（［1，3］）輪對(duì)30 條；2 mm輪徑差、3 mm 踏面圓周磨耗（［2，3］）輪對(duì)23 條；2 mm 輪徑差、3.5 mm 踏面圓周磨耗（［2，3.5］）輪對(duì)21 條［5-6］。

1 車輪磨耗規(guī)律研究

1.1 新輪、新旋修輪磨耗規(guī)律

運(yùn)行20 萬km 的車輪踏面圓周磨耗隨里程變化曲線如圖1 所示，由圖1 可以看出，C80型敞車在運(yùn)行20 萬km 內(nèi)：

圖1 運(yùn)行20 萬km 的車輪踏面圓周磨耗隨里程變化曲線（不設(shè)初始輪徑差）

（1）踏面圓周磨耗隨運(yùn)行里程而增加，10 萬km 后磨耗速率有所增加；

（2）新輪、新旋修輪狀態(tài)下車輪踏面圓周磨耗速率基本一致。

1.2 踏面圓周磨耗統(tǒng)計(jì)分析

針對(duì)新輪、新旋修輪對(duì)，按照輪對(duì)裝車位數(shù)，對(duì)運(yùn)用20 萬km 后的車輪圓周磨耗情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖2 所示。從圖2 統(tǒng)計(jì)情況來看，C80型敞車在運(yùn)用過程中，裝用在不同位數(shù)的車輪同一輪對(duì)左右端車輪踏面圓周磨耗量平均差值不大，但存在1、4、6、7 位車輪踏面圓周磨耗量平均值略高于2、3、5、8 位車輪的情況。

圖2 運(yùn)用20 萬km 后的車輪圓周磨耗情況

使用符號(hào)秩檢驗(yàn)方法對(duì)同一位數(shù)左右端車輪踏面圓周磨耗量進(jìn)行顯著性水平α設(shè)為0.05 的顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表1。其中，h=0 表明2 組數(shù)據(jù)的總體差別不顯著，h=1 則表明2 組數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)上認(rèn)為是總體差別顯著；p為2 個(gè)總體樣本為一致的顯著性概率，若p接近于0，則不一致較明顯。

表1 同一位數(shù)左右端車輪踏面圓周磨耗量符號(hào)秩檢驗(yàn)結(jié)果

分析認(rèn)為，C80型敞車在運(yùn)用過程中存在不同程度的輪對(duì)偏磨問題，且具有共同的特點(diǎn)為：車輛的1、4、6、7 位車輪踏面圓周磨耗量平均值略高于2、3、5、8 位車輪，呈現(xiàn)對(duì)角磨耗規(guī)律，1、4 位輪對(duì)差異較顯著，2、3 位輪對(duì)差異不顯著。

2 輪徑差對(duì)車輪圓周磨耗規(guī)律的影響

上文對(duì)初始無輪徑差輪對(duì)運(yùn)用20 萬km 后踏面圓周磨耗規(guī)律進(jìn)行了分析，而實(shí)際運(yùn)用中輪徑差對(duì)車輛圓周磨耗有著一定的影響。下文將對(duì)初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差的輪對(duì)運(yùn)行20 萬km 后輪徑差分布和踏面圓周磨耗情況做進(jìn)一步分析。

2.1 車輪圓周磨耗隨運(yùn)行里程變化規(guī)律

初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差運(yùn)行20 萬km 的車輪踏面圓周磨耗隨里程變化曲線如圖3 所示，由圖3可以看出，C80型敞車運(yùn)行20 萬km 內(nèi)：

圖3 初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差運(yùn)行20 萬km 的車輪踏面圓周磨耗隨里程變化曲線

（1）運(yùn)行10 萬km 以前，踏面圓周磨耗速率較為平緩，10 萬km 后磨耗速率有所增大。

（2）初始設(shè)置2 mm 輪徑差車輪的踏面圓周磨耗較初始設(shè)置1 mm 輪徑差的車輪平均磨耗量趨于增大。

2.2 輪徑差隨運(yùn)行里程變化規(guī)律

初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差運(yùn)用20 萬km 后的輪徑差分布如圖4 所示，由圖4 可以看出，初始設(shè)置1 mm 輪 徑 差 的C80型 敞 車 運(yùn) 行20 萬km 后，輪 徑 差主要集中在0~2 mm，其輪對(duì)所占比例約為70%，輪徑差超過3 mm 的輪對(duì)比例約占8%；初始設(shè)置2 mm 輪 徑 差 的C80型 敞 車 運(yùn) 行20 萬km 后，輪 徑 差主要集中在3~5 mm，其輪對(duì)所占比例約為60%，輪徑差超過5 mm 的輪對(duì)比例約占5%。

圖4 初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差運(yùn)用20 萬km 后的輪徑差的分布圖

由以上分析可以看出，對(duì)初始輪徑差的控制尤為重要。依據(jù)《機(jī)車車輛安全運(yùn)用技術(shù)研究—時(shí)速120 km 鐵路貨車運(yùn)用服役性能研究》項(xiàng)目研究成果［7］，當(dāng)輪徑差達(dá)到或超過5 mm 時(shí)，可能會(huì)影響到車輛的動(dòng)力學(xué)性能，危及運(yùn)行安全性。對(duì)于段修同一輪對(duì)的輪徑差控制在1 mm 是基于安全的正確策略。

2.3 輪徑差對(duì)踏面圓周磨耗的影響

初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差運(yùn)用20 萬km 后的不同輪徑差車輪踏面圓周磨耗分布如圖5 所示，由圖5可以看出，初始設(shè)置2 mm 輪徑差輪對(duì)運(yùn)行20 萬km后的輪徑差、踏面圓周磨耗較初始設(shè)置1 mm 輪徑差輪對(duì)運(yùn)行20 萬km 后的輪徑差、踏面圓周磨耗呈明顯退化趨勢(shì)。

2.4 輪對(duì)退化趨勢(shì)分析

（1）呈退化趨勢(shì)輪對(duì)運(yùn)行20 萬km 后踏面圓周磨耗分析

在以上初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差輪對(duì)磨耗數(shù)據(jù)分析中，選取圓周磨耗明顯呈退化趨勢(shì)的輪對(duì)（初始設(shè)置1 mm 輪徑差的輪對(duì)105 條，初始設(shè)置2 mm 輪徑差輪對(duì)140 條），對(duì)退化趨勢(shì)做深入分析。

初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差呈退化趨勢(shì)的輪對(duì)運(yùn)用20 萬km 后輪徑差的分布如圖6 所示，初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差呈退化趨勢(shì)的輪對(duì)運(yùn)用20 萬km后大、小輪徑差車輪，在不同輪徑差范圍下的踏面圓周磨耗量如圖7 所示，由圖6、圖7 可以看出，運(yùn)行20 萬km 后呈退化趨勢(shì)的車輪，隨著輪對(duì)輪徑差的不斷擴(kuò)大，小直徑車輪踏面圓周磨耗量逐漸增加，且與大直徑車輪踏面圓周磨耗量的差值呈接近線性或指數(shù)擴(kuò)大的趨勢(shì)，有可能隨里程增長(zhǎng)進(jìn)一步增加。

圖6 初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差呈退化趨勢(shì)的輪對(duì)運(yùn)用20 萬km 后輪徑差的分布圖

圖7 初始設(shè)置1、2 mm 輪徑差呈退化趨勢(shì)的輪對(duì)運(yùn)用20 萬km 后大、小輪徑差車輪，在不同輪徑差范圍下踏面圓周磨耗平均磨耗量

（2）初始設(shè)置極限工況輪對(duì)運(yùn)行20 萬km 后踏面圓周磨耗分析

對(duì)運(yùn)用中有可能出現(xiàn)的極限工況，即初始設(shè)置1 mm 輪徑差、3 mm 踏面圓周磨耗（［1，3］），2 mm 輪徑差、3 mm 踏面圓周磨耗（［2，3］），2 mm輪徑差、3.5 mm 踏面圓周磨耗（［2，3.5］）的輪對(duì)，運(yùn)用20 萬km 后圓周磨耗情況研究分析。

初始設(shè)置［1，3］、［2，3］、［2，3.5］輪對(duì)運(yùn)行20萬km 后大、小輪徑差車輪，在不同輪徑差范圍下的踏面圓周磨耗平均磨耗量分布如圖8 所示，由圖8 可以看出，［1，3］與［1，0］工況相比，［2，3］、［2，3.5］與［2，0］工況相比，極限工況輪對(duì)隨著輪徑差的不斷擴(kuò)大，大直徑車輪與小直徑車輪踏面圓周磨耗量的差值仍有逐漸擴(kuò)大趨勢(shì)。左右車輪踏面圓周磨耗量差值的增加又會(huì)加劇輪徑差值的增加，從而進(jìn)一步發(fā)展可能直接影響車輛的動(dòng)力學(xué)性能。

圖8 初始設(shè)置[1,3]、[2,3]、[2,3.5]輪對(duì)運(yùn)行20 萬km 后大、小輪徑差車輪，在不同輪徑差范圍下踏面圓周磨耗平均磨耗量分布

3 假設(shè)檢驗(yàn)

試驗(yàn)獲得大量實(shí)際有效的數(shù)據(jù)，改善了車輪磨耗時(shí)間軸數(shù)據(jù)稀疏的問題。但由于樣本數(shù)量還存在一定的局限性，為了將有限數(shù)據(jù)的結(jié)論推廣至普遍意義，采用假設(shè)檢驗(yàn)的方法對(duì)初始不同設(shè)置條件對(duì)運(yùn)用20 萬km 后的車輪輪徑差、踏面圓周磨耗的影響顯著性進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

（1）對(duì)輪徑差影響顯著性的檢驗(yàn)

使用秩和檢驗(yàn)的方法將新輪及新旋修輪、初始設(shè)置1、2 mm 車輪的初始輪徑差與運(yùn)行20 萬km后輪徑差進(jìn)行比較，結(jié)果見表2。其中，顯著性水平α設(shè)為0.01；h=0 表明2 組數(shù)據(jù)的總體差別不顯著，h=1 則表明2 組數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)上認(rèn)為是總體差別顯著；p為2 個(gè)總體樣本為一致的顯著性概率，若p接近于0，則不一致較明顯。

表2 新輪及新旋修輪、初始設(shè)置1、2 mm 車輪的初始輪徑差與運(yùn)行20 萬km 后的輪徑差秩和檢驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)一步將初始設(shè)置1 mm 輪徑差、運(yùn)行20 萬km 后呈退化趨勢(shì)的輪對(duì)，初始設(shè)置2 mm 輪徑差、運(yùn)行20 萬km 后呈退化趨勢(shì)的輪對(duì)進(jìn)行比較，結(jié)果見表3、表4。

表3 初始設(shè)置1 mm 輪徑差呈退化趨勢(shì)的輪對(duì)初始輪徑差與運(yùn)行20 萬km 后車輪輪徑差秩和檢驗(yàn)結(jié)果

表4 初始設(shè)置2 mm 呈退化趨勢(shì)的輪對(duì)初始輪徑差與運(yùn)行20 萬km 后車輪輪徑差秩和檢驗(yàn)結(jié)果

由以上分析可以得出結(jié)論，使用秩和檢驗(yàn)的方法對(duì)新輪及新旋修輪、初始設(shè)置1、2 mm 車輪的初始輪徑差與運(yùn)行20 萬km 后的輪徑差進(jìn)行比較，結(jié)果表明，初始設(shè)置2 mm 輪徑差、運(yùn)行20 萬km 后輪對(duì)的輪徑差較初始輪徑差的差異顯著。

（2）對(duì)圓周磨耗影響顯著性的檢驗(yàn)

使用秩和檢驗(yàn)的方法將新輪及新旋修輪分別與初始設(shè)置1、2 mm 的輪對(duì)運(yùn)行20 萬km 后車輪圓周磨耗進(jìn)行比較，結(jié)果見表5，其中，顯著性水平α設(shè)為0.01；h=0 表明2 組數(shù)據(jù)的總體差別不顯著，h=1 則表明2 組數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)上認(rèn)為是總體差別顯著；p為2 個(gè)總體樣本為一致的顯著性概率，若p接近于0，則不一致較明顯。

表5 新輪及新旋修輪與初始設(shè)置1、2 mm 輪對(duì)運(yùn)行20 萬km 后車輪圓周磨耗秩和檢驗(yàn)結(jié)果

由以上分析可以得出結(jié)論，使用秩和檢驗(yàn)的方法對(duì)新輪及新旋修輪與初始設(shè)置1、2 mm 的輪對(duì)運(yùn)行20 萬km 后車輪圓周磨耗進(jìn)行比較，結(jié)果表明，初始設(shè)置2 mm 輪徑差輪對(duì)、運(yùn)行20 萬km 后輪對(duì)的車輪踏面圓周磨耗較初始設(shè)置1 mm 輪徑差輪對(duì)、運(yùn)行20 萬km 后輪對(duì)的車輪踏面圓周磨耗顯著。

4 結(jié) 論

（1）根據(jù)模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)初步認(rèn)為，C80 型敞車在神華鐵路線路運(yùn)用條件下：車輛的1、4、6、7 位車輪踏面圓周磨耗量平均值略高于2、3、5、8 位車輪，呈現(xiàn)對(duì)角磨耗規(guī)律，1、4 位輪對(duì)差異較顯著，2、3 位輪對(duì)差異不顯著。

（2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，初始設(shè)置2 mm 輪徑差輪對(duì)運(yùn)行20 萬km 后的輪徑差、踏面圓周磨耗較初始設(shè)置1 mm 輪徑差輪對(duì)運(yùn)行20 萬km 后的輪徑差、踏面圓周磨耗呈明顯退化趨勢(shì)。呈退化趨勢(shì)的車輪，隨著車輪輪徑差的不斷擴(kuò)大，小直徑車輪踏面圓周磨耗量逐漸增加，且與大直徑車輪踏面圓周磨耗量的差值呈逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)。

（3）模擬試驗(yàn)極限工況下，同樣存在隨著車輪輪徑差的不斷擴(kuò)大，小直徑車輪與大直徑車輪踏面圓周磨耗量的差值仍有逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)。建議嚴(yán)格控制輪對(duì)初始狀態(tài)的輪徑差。

（4）使用假設(shè)檢驗(yàn)的方法對(duì)初始設(shè)置不同輪徑差輪對(duì)與運(yùn)行20 萬km 后輪對(duì)輪徑差、車輪圓周磨耗的影響進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證了（2）中的結(jié)論。