机车车辆车轮异常磨耗原因分析及应对措施

一、车轮异常磨耗的主要原因分析

1.1 轨道条件的影响

1.1.1 轨道不平顺性

轨道不平顺性是造成机车车辆车轮异常磨耗的重要原因，轨道的平整程度直接影响车轮与轨道的接触情况，从而影响车轮的使用寿命。国际铁路联盟（UIC）规定，轨道的不平顺性一般用轨道谱来表示，轨道谱能反映出轨道表面的几何特性。例如轨道的垂直不平顺性大于 1.5 毫米 / 米时，就会引起车轮的周期性冲击，使车轮表面产生波浪形磨损。

1.1.2 轨道维护不当

轨道维护时，轨道的平顺性是关键指标，它关乎车轮与轨道的接触状况，按照国际铁路联盟（UIC）标准，轨道的不平顺性超越一定限度，就会致使车轮的周期性冲击载荷增大，加快车轮的磨损速度。以轨道的垂直不平顺性为例，当超过 3 毫米的时候，就也许引发车轮的异常磨耗，而且轨道的横向不平顺性也不可轻视，它会使车轮侧向力加大，从而影响车轮的使用寿命。

1.2 车辆运行状态的影响

1.2.1 载重不均

车辆的重量分布不均衡，有些车轮所承受的压力要比别的车轮大得多，这就使得那些车轮的磨损速率变得更快。某项研究显示，当车辆的轴重偏差超出10% 的时候，车轮的磨耗率大概能增长 20% 以上，这种不均衡的载重不但缩减了车轮的使用寿命，而且也会造成轨道的不均衡磨损，进而陷入一种恶性循环当中。

1.2.2 制动系统故障

制动系统故障是造成机车车辆车轮异常磨耗的重要因素之一。在实际运营过程中，由于制动系统故障造成的车轮磨耗现象屡见不鲜，某铁路局在 2019年对机车车辆进行年度检修时发现，大约有 15% 的车轮异常磨耗案例与制动系统故障有关联，故障的制动系统不能均匀地施加制动力，造成车轮与轨道之间的摩擦力分布不均，进而使车轮出现局部过度磨损现象。根据摩擦学原理可知，不均匀的摩擦力会使车轮表面温度升高，加快车轮材料的磨损速度，缩短车轮的使用寿命。

1.3 车轮材料与设计因素

1.3.1 材料磨损特性

在分析机车车辆车轮异常磨损原因时，车轮材料磨损特性不能忽视，车轮材料的磨损特性直接影响车轮的使用寿命及运行安全。如高锰钢由于具有良好的耐磨性及韧性，常用于制造车轮，但高锰钢在特定条件下会出现疲劳裂纹，从而加剧车轮磨耗。相关研究表明，车轮材料磨损率与载重、速度、轨道条件等因素有关，载重不均是造成车轮非均匀磨损的主要因素。

1.3.2 车轮设计缺陷

探究机车车辆车轮异常磨耗的原因时，车轮设计缺陷是不能忽略的重要部分，设计缺陷会使车轮在行驶过程中承受不均匀的应力分布，加快磨损速度，如车轮的轮缘和踏面设计没有充分考虑到实际运行中的载荷分布，就可能造成局部过快磨损。据一份有关高速列车车轮磨损的研究表明，设计欠佳的车轮经过 10 万公里的运行后，其磨损量会比正常设计的车轮多出一倍以上，车轮的材料选取以及热处理工艺同样会对它的耐磨性能产生明显的影响。

二、应对车轮异常磨耗的措施

2.1 轨道维护与改善

2.1.1 轨道平顺性提升措施

轨道平顺性关乎机车车辆能否平稳运行，车轮是否发生异常磨耗，提升轨道平顺性的举措，要先对轨道的几何状态实施精确测量，使用轨道几何状态检测车等先进轨道检测装置，保证数据精确可靠。轨道的保护与改良工作得靠科学的分析模型和保护策略来支撑，比如用轨道动力学模型模仿各种轨道条件下的车辆反应，预估轨道不平顺给车轮磨耗带来的影响。在实施具体的轨道平顺性改善措施的时候，可以考虑采用一些先进的轨道养护技术，比如采用自动调平系统和高精度的轨道打磨设备，这样可以有效地减少轨道出现的不规则磨损，延长轨道的使用寿命，同时也可以减少对车轮的异常磨耗。

2.1.2 定期检查与维护计划

机车车辆车轮异常磨耗的对策研究里，定期检查与维护计划是保障车辆运行安全并延长车轮使用寿命的重要部分。按照国际铁路联盟（UIC）的标准，车轮应至少每行驶 10000 公里就做一次检查，这样才能保证车轮的几何形状和尺寸符合规定。拿车轮踏面的磨耗限度来说，一般不能超过 8 毫米，如果超出这个限度就要做车轮旋修或者换新的，通过定期检查就能尽早找出车轮的不正常磨耗，裂纹以及其他潜藏的问题，从而防止因为车轮故障引发的事故，制订出科学合理的维护计划，再配合先进的监测技术，就可以明显提升车辆运行的可靠性和安全性。

2.2 车辆运行与维护优化

2.2.1 载重平衡调整

机车车辆车轮异常磨耗的成因及对策研究里，载重平衡调整是个重要环节，不均匀的载重会让车轮承受不同的压力，从而引发异常磨耗。机车某侧的车轮所受的重量远超另一侧，那么重侧的车轮就会加快磨损，轻侧的车轮却因为压力不够充足而出现滑动磨损。依据相关研究显示，车轮的磨耗率和载重的不均匀性成正比，也就是说，载重差异越大，磨耗率就越高，要想减小这种不均匀性，就要采用动态载重平衡系统，它能随时检测并调整车辆的载重情况，保证各个车轮承受的压力尽量均衡。

2.2.2 制动系统周期性检测与保养

在机车车辆运行过程中，制动系统的性能好坏直接关乎行车安全及车轮的磨损情况，定期对制动系统开展检查与维护工作，是保障制动效果、延长车轮使用寿命的重要举措。有关研究显示，制动系统出现故障所引发的车轮异常磨耗可能占总磨耗的 30% 以上，以制动盘为例，其不均匀磨损一方面加重了车轮的磨耗，另一方面也造成制动效能降低，进而加大行车风险，所以实行严格的制动系统检查周期，譬如每行驶 10000 公里就执行一次全面检查，就能尽早发觉并解决制动片磨损、制动液泄漏之类的毛病。

2.3 车轮材料与设计改进

2.3.1 新材料应用

采用先进的复合材料能够明显改善车轮的耐磨性与抗疲劳能力，相关研究显示，某些复合材料的耐磨性达到传统钢制车轮的两倍以上，这直接促使车轮的使用寿命延长，维护成本下降。以碳纤维加强塑料（CFRP）在航空领域应用为例，在一项有关 CFRP 车轮的实验当中，它在模拟载重及速度情况下的磨耗率比传统钢轮低 30% ，这显示出新材料在实际运用时有着巨大的潜能。利用纳米技术可在材料表面形成一层保护膜，从而提升车轮的耐磨性和耐腐蚀性。

2.3.2 车轮设计优化方案

对于车轮材料以及设计因素造成的磨耗，研究团队采用先进材料科学及工程分析手段，对现有的车轮材料磨损特性展开研究。比较不同合金成分对耐磨性的影响，发现加入一定比例的铬和钼能明显提升车轮的耐磨性能。在设计方面，优化方案侧重于削减应力集中点，借助 FEA 模型，模拟车轮在各种载荷与速度状况下的应力分布情况，进而指导设计改进，如改变轮缘与轮辐的几何形状，可以有效地分散载荷，减小局部磨损。

参考文献：

[1] 吴昌荣 . 关于 CRH6A 型动车组车轮轮缘异常磨耗分析及应对措施 [J].智慧轨道交通 ,2024,61(1):15-19.

[2] 陈敏坚 , 潘高 . 受电弓碳滑板异常磨耗分析及应对措施 [J]. 电力机车与城轨车辆 ,2023,46(4):112-116.