王 健

(中國鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司 庫爾勒機(jī)務(wù)段， 新疆庫爾勒 841000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，機(jī)車性能不斷增強(qiáng)、線路工況顯著改善。近年來，為滿足運(yùn)輸需求我集團(tuán)公司列車不斷提速、增重，HXD3C型機(jī)車作為主力車型擔(dān)負(fù)著長大坡道的列車牽引任務(wù)，車輪踏面的不均勻磨耗和魚鱗狀剝離脫落加劇，造成車輪徑向跳動(dòng)值進(jìn)一步增大、不圓度顯著擴(kuò)大而出現(xiàn)失圓現(xiàn)象。機(jī)車車輪是輪軌間黏著力、垂向力傳遞的關(guān)鍵部件，其失圓后將附加產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊和噪聲而影響機(jī)車運(yùn)行的平穩(wěn)性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成走行部配件裂損、松脫，威脅行車安全、干擾鐵路運(yùn)輸秩序。

造成機(jī)車車輪失圓問題的原因復(fù)雜，專業(yè)科研機(jī)構(gòu)多從車輪材質(zhì)、機(jī)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)車控制策略、機(jī)沙質(zhì)量、輪軌匹配狀態(tài)等方面對產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了研究。文中主要對現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)用時(shí)的控制方法進(jìn)行探討，利用機(jī)務(wù)段現(xiàn)有條件、設(shè)備等把車輪失圓問題控制在可控范圍內(nèi)，避免車輪不圓度擴(kuò)展造成踏面狀態(tài)惡化導(dǎo)致出現(xiàn)行車安全隱患。

1 機(jī)車運(yùn)用情況

1.1 機(jī)車配屬情況

根據(jù)集團(tuán)公司生產(chǎn)布局安排，2014年底庫爾勒機(jī)務(wù)段新增配屬60臺新造HXD3CA型、轉(zhuǎn)配到段25臺HXD3C型機(jī)車，其中HXD3CA型機(jī)車主要擔(dān)當(dāng)貨運(yùn)列車牽引任務(wù)并作為代客機(jī)車使用，HXD3C型機(jī)車擔(dān)當(dāng)客運(yùn)列車牽引任務(wù)，設(shè)計(jì)速度均為120 km/h。

1.2 機(jī)車運(yùn)用區(qū)段

機(jī)車配屬初期主要擔(dān)當(dāng)南疆線(庫爾勒-吐魯番)電氣化區(qū)段的列車牽引任務(wù)，目前按照“全局一臺車”的生產(chǎn)布局要求，HXD3CA型機(jī)車交路已延伸至局管內(nèi)、HXD3C型機(jī)車交路延伸至哈密和奎屯。

1.3 運(yùn)用區(qū)段線路情況

(1) 南疆線

吐魯番至庫爾勒運(yùn)營里程333.8 km，多為長大坡道，其中最大坡道13‰，上下行方向大于等于6‰的坡道分別有206.4 km和207.7 km、分別占總里程的61.83%和62.22%。

(2) 蘭新線

哈密東至阿拉山口運(yùn)營里程1 051.8 km，其中最大坡道13‰，上下行方向大于等于6‰的坡道分別有170.377 km 和170.063 km、分別占總里程的16.20%和16.17%。

2 車輪失圓問題的鑒別方法

諸如輪軌關(guān)系、車輪材質(zhì)、機(jī)車控制策略等造成車輪失圓的因素在短期內(nèi)或無法從根本上進(jìn)行解決。針對問題及現(xiàn)狀，充分利用現(xiàn)有設(shè)備、檢測手段探索研究一套較為完整、有效的整修控制方法，盡早發(fā)現(xiàn)車輪失圓問題并及時(shí)進(jìn)行修復(fù)是當(dāng)前的緩解手段。

2.1 優(yōu)化完善機(jī)車走行部故障監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

目前，該車型機(jī)車走行部故障監(jiān)測系統(tǒng)在門限值設(shè)置上仍處在不斷探索階段，門限值設(shè)置與機(jī)車實(shí)際故障需扣修處置的對應(yīng)關(guān)系還不夠理想：一是僅從預(yù)報(bào)警級別和次數(shù)上尚不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出車輪失圓故障，導(dǎo)致防控效果滯后；二是在出現(xiàn)走行部、司機(jī)室異常振動(dòng)和噪聲時(shí)，單趟運(yùn)用數(shù)據(jù)分析僅有少量沖擊預(yù)警和一級沖擊報(bào)警；三是部分機(jī)車在測量時(shí)發(fā)現(xiàn)車輪失圓或踏面剝離，但機(jī)車走行部故障監(jiān)測系統(tǒng)無踏面預(yù)報(bào)警；四是部分機(jī)車在車輪失圓時(shí)不提報(bào)踏面預(yù)報(bào)警，而提報(bào)軸箱和抱軸箱軸承內(nèi)環(huán)、主從動(dòng)齒輪沖擊預(yù)報(bào)警。

雖然機(jī)車走行部故障監(jiān)測系統(tǒng)存在上述問題，但采集的數(shù)據(jù)已能較好的反映出了測點(diǎn)位置的現(xiàn)狀，更需要通過分析界定故障發(fā)展趨勢和修理時(shí)機(jī)。采取優(yōu)化機(jī)車走行部故障監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析方法、建立典型故障樣本等方式可實(shí)現(xiàn)不斷提高故障判定的準(zhǔn)確率?，F(xiàn)以2018年某日HXD3C-0925機(jī)車66位車輪失圓問題判定過程和驗(yàn)證情況進(jìn)行介紹。

(1) 關(guān)注“同位超限”及“同位樣本最多”軸位

“同位超限”是指同名軸位溫差對比分析，達(dá)到設(shè)定值的軸位?！巴粯颖咀疃唷笔侵竿S位對比，樣本數(shù)據(jù)采集多、周期性明顯的軸位?！巴怀蕖?、“同位樣本最多”是從溫度監(jiān)測、沖擊監(jiān)測兩方面通過同名軸位對比分析，初步篩查出溫度偏高、沖擊偏大的軸位作為重點(diǎn)分析軸位。

HXD3C-0925機(jī)車入庫整備時(shí)66位踏面僅預(yù)警1次，但文件顯示“同位超限”及“同位樣本最多”的軸位包含該軸全部6個(gè)測點(diǎn)，說明第6輪各測點(diǎn)均沖擊較大、數(shù)據(jù)連續(xù)性強(qiáng)需重點(diǎn)分析。

(2) 沖擊幅度和連續(xù)性分析相結(jié)合

對10天內(nèi)“沖擊趨勢分析”發(fā)現(xiàn)66位踏面在連續(xù)時(shí)間內(nèi)故障沖擊持續(xù)；高速時(shí)沖擊值大于低速時(shí)沖擊值，伴隨著少量不連續(xù)的內(nèi)環(huán)沖擊信息；沖擊趨勢中存在相對明顯的上升情況且沖擊DB值較大。如圖1。

圖1 沖擊趨勢分析

(3) 對照樣本數(shù)據(jù)分析確定故障部位及類型

“對于專業(yè)工程師來說，為了做好走行部故障診斷的分析判斷，而去學(xué)習(xí)共振解調(diào)技術(shù)、分析理論是不現(xiàn)實(shí)也不可取的”這是機(jī)車走行部故障監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)用體會(huì)，而日常主要為作業(yè)人員第一時(shí)間分析并作出相應(yīng)決定。因此，如何提高分析人員對故障判斷的準(zhǔn)確性是學(xué)習(xí)培訓(xùn)的關(guān)鍵。將分析判斷存在故障并經(jīng)檢測得到確認(rèn)、在進(jìn)行對應(yīng)整修后跟蹤運(yùn)用故障消除的案例制作成典型故障樣本，通過學(xué)習(xí)、對照參考并掌握以下要點(diǎn)是準(zhǔn)確判斷故障的有效途徑之一。

一是時(shí)域波形圖上踏面在一個(gè)周期中存在間隔相等的尖銳沖擊脈沖簇；

二是頻譜圖與抽象理論指導(dǎo)譜一一對應(yīng)，并存在踏面高階譜線，與多邊形的邊數(shù)有關(guān)；

三是沖擊趨勢一般持續(xù)存在連續(xù)性較強(qiáng)；

四是一般情況轉(zhuǎn)速變化明顯時(shí)轉(zhuǎn)速與沖擊值成正比。

對應(yīng)時(shí)域波形、頻域圖和診斷抽象譜綜合分析HXD3C-0925機(jī)車第6車輪存在明顯失圓故障，需進(jìn)行檢查整修：66位在低速下存在踏面剝離故障特征、在高速下存在車輪失圓故障特征、初級診斷值跟轉(zhuǎn)速成正比。另外，該型機(jī)車為實(shí)心車軸結(jié)構(gòu)，踏面故障譜號和大齒輪故障譜號相同，踏面故障沖擊信號可以沿著實(shí)心軸傳動(dòng)至齒輪，造成62位出現(xiàn)與66位類似的故障特征或發(fā)出輪對齒輪預(yù)報(bào)警。如圖2和圖3。

圖2 66位踏面單樣本數(shù)據(jù)分析

圖3 62位齒輪單樣本數(shù)據(jù)分析

2.2 檢查測量與數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，合理確定處置限度

現(xiàn)相關(guān)檢修技術(shù)規(guī)程暫未規(guī)定車輪失圓的控制要求，針對車輪失圓問題，根據(jù)輪徑測量、踏面狀態(tài)檢查與機(jī)車走行部故障監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的比對逐步確定處置限度，對車輪失圓情況進(jìn)行分級處理。

(1) 通過輪箍外徑測量儀測量確定輪徑示數(shù)偏差

輪箍外徑測量儀是測量車輪輪徑的專用量具，其原理為：以輪箍(輪輞)內(nèi)側(cè)面為基準(zhǔn)，在距輪箍(輪輞)內(nèi)側(cè)面70 mm處的踏面位置以3點(diǎn)確定一個(gè)圓弧，進(jìn)而顯示出此3點(diǎn)確定的圓弧直徑。若車輪失圓，則測量不同位置時(shí)輪徑示數(shù)將發(fā)生顯著變化。

采用簡易方法對輪徑示數(shù)偏差反映到徑向尺寸變化的情況進(jìn)行了驗(yàn)證：在測桿與基準(zhǔn)圓間塞入0.15 mm塞尺時(shí)輪徑示數(shù)減小8 mm，當(dāng)塞入0.3 mm塞尺時(shí)輪徑示數(shù)減小15.5 mm，當(dāng)塞入0.5 mm塞尺時(shí)輪徑示數(shù)減小25 mm，如圖4。

圖4 徑向尺寸變化對應(yīng)輪徑示數(shù)的變化

查閱EN 15313關(guān)于車輪徑向圓跳動(dòng)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)值是速度不大于120 km/h時(shí)徑向跳動(dòng)極限值為0.5 mm。經(jīng)使用輪箍外徑測量儀檢測，HXD3C-0925機(jī)車66位車輪沿圓周輪徑示數(shù)漸進(jìn)變化，變化范圍1 218～1 239 mm、偏差21 mm。按3點(diǎn)確定一個(gè)圓弧，在此圓周范圍內(nèi)徑向跳動(dòng)值已出現(xiàn)較大波動(dòng)，對照EN 15313跳動(dòng)量已接近限值需進(jìn)行整修并與機(jī)車走行部故障監(jiān)測系統(tǒng)分析結(jié)論相對應(yīng)。在半徑旋修0.5 mm后沿輪徑測量基準(zhǔn)的圓周已旋修修復(fù)，但輪緣根部仍有部分未修復(fù)到的處所，如圖5。

圖5 HXD3C-0925機(jī)車66位車輪旋后狀態(tài)

(2) 確定車輪失圓處置限度

綜合日常輪徑示數(shù)偏差測量、機(jī)車走行部故障監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和機(jī)車乘務(wù)員對運(yùn)行工況的反饋，總結(jié)了車輪不同程度失圓時(shí)的現(xiàn)象和處置方法：

①在機(jī)車停放地點(diǎn)對可塞入輪箍外徑測量儀的位置均進(jìn)行測量，若提報(bào)故障特征明顯時(shí)動(dòng)車測量，為掌握輪徑示數(shù)偏差變化狀態(tài)，2個(gè)測點(diǎn)間距20～30 mm為宜。

②輪徑示數(shù)偏差小于10 mm。若踏面無嚴(yán)重麻坑、“魚鱗狀”層疊或剝離疏松時(shí)，則走行部故障監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析失圓故障特征也將不明顯，跟蹤運(yùn)用并記錄，下修程重點(diǎn)復(fù)查。

③輪徑示數(shù)偏差為10～15 mm。數(shù)據(jù)分析將有初期的失圓故障特征，若踏面有“魚鱗狀”層疊、剝離疏松、軸承內(nèi)環(huán)和齒輪沖擊高或?yàn)樗俣葌鞲衅靼惭b軸位時(shí)則旋輪。

④輪徑示數(shù)偏差大于15 mm。車輪失圓故障特征較明顯，踏面、齒輪或各軸承將斷續(xù)出現(xiàn)少量沖擊預(yù)報(bào)警，同時(shí)沖擊逐步升高，需旋輪。

⑤輪徑示數(shù)偏差在25 mm以上。踏面、齒輪或各軸承將連續(xù)出現(xiàn)沖擊預(yù)報(bào)警，另走行部、司機(jī)室可能會(huì)產(chǎn)生異常振動(dòng)或噪聲，必須旋輪。

⑥因車輪踏面不均勻磨耗、剝離會(huì)發(fā)生在輪徑測量基準(zhǔn)之外的圓周上，在機(jī)車走行部故障監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備良好、測量輪徑示數(shù)無明顯偏差而數(shù)據(jù)分析故障特征突出時(shí)，需以數(shù)據(jù)分析為主進(jìn)行處置。

⑦旋輪時(shí)根據(jù)輪徑示數(shù)偏差對應(yīng)的徑向跳動(dòng)值選取旋修量并按技術(shù)規(guī)程要求控制輪徑差，一是減小軸重轉(zhuǎn)移，二是防止輪徑差過大導(dǎo)致電阻制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)故障。

3 輔助控制方法

3.1 嚴(yán)控踏面形態(tài)

車輪踏面狀態(tài)是輪軌關(guān)系的反饋形式之一，通過檢查踏面狀態(tài)可在很大程度上反映出機(jī)車的使用情況，及時(shí)有針對性的處置能有效防止輪對失圓擴(kuò)展。

一是細(xì)化踏面剝離處置條件。技術(shù)規(guī)程規(guī)定“車輪踏面上的缺陷或剝離長度不超過40 mm，深度不超過1 mm”。而HXD3C型機(jī)車在庫爾勒機(jī)務(wù)段運(yùn)用中踏面剝離的主要形態(tài)為表層“魚鱗狀”層疊，未完全對應(yīng)技術(shù)要求，如圖6。通過跟蹤，魚鱗狀層疊繼續(xù)發(fā)展后會(huì)剝離脫落將導(dǎo)致車輪失圓快速擴(kuò)大，因此在檢修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中增加了對踏面“魚鱗狀”層疊的旋修要求。

二是細(xì)化踏面擦傷處置要求。技術(shù)規(guī)程規(guī)定“車輪踏面擦傷深度不超過0.7 mm”。而HXD3C型機(jī)車采用輪盤式制動(dòng)，無踏面自修復(fù)功能，在擦傷深度近限時(shí)若不及時(shí)處理極可能會(huì)導(dǎo)致車輪失圓、踏面剝離和機(jī)車異常振動(dòng)及產(chǎn)生噪聲。因此細(xì)化了踏面擦傷深度控制限度，在深度達(dá)到0.3 mm時(shí)即旋修修復(fù)。

圖6 踏面魚鱗狀層疊

3.2 完善機(jī)車走行部故障監(jiān)測系統(tǒng)修管用辦法

一是做到數(shù)據(jù)100%轉(zhuǎn)儲、100%分析；二是配屬機(jī)車數(shù)據(jù)從上一趟本段出庫至本趟回段整備均轉(zhuǎn)儲，確保數(shù)據(jù)不丟失；三是明確數(shù)據(jù)分析方法及扣修條件，增加了5條卡控要求：文件分析存在明顯故障特征時(shí)，不論有無預(yù)報(bào)警均扣修；10天內(nèi)一級沖擊報(bào)警次數(shù)累計(jì)達(dá)到10次及以上時(shí)扣修；同一軸位踏面單趟一級沖擊報(bào)警5次及以上時(shí)扣修；文件分析存在失圓特征時(shí)，車輪輪徑示數(shù)偏差達(dá)到控制限度則扣修；踏面二級沖擊報(bào)警扣修。

3.3 做好信息收集和修程機(jī)車基礎(chǔ)質(zhì)量控制

為確保機(jī)車“跨局、跨段輪乘”的實(shí)施，避免機(jī)車運(yùn)用中產(chǎn)生安全隱患，同時(shí)減少臨修對正常生產(chǎn)秩序的影響，明確C1～C3修機(jī)車質(zhì)量控制要求：一是根據(jù)每周機(jī)車修程檢修計(jì)劃，提前對走行部故障監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，結(jié)合前期運(yùn)用中的重點(diǎn)碎修、需跟蹤復(fù)查的內(nèi)容及輪對動(dòng)態(tài)檢測情況制定檢修方案；二是在修程時(shí)對提報(bào)部位進(jìn)行重點(diǎn)檢查整修；三是將檢查整修情況反饋數(shù)據(jù)分析人員以跟蹤整修后的運(yùn)用情況、提高故障判別的準(zhǔn)確性，形成閉環(huán)管理。

3.4 改進(jìn)機(jī)車輔助裝置

目前HXD3C型機(jī)車在烏魯木齊局集團(tuán)公司運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜且牽引定噸較高，在雨、雪、大風(fēng)天氣極易發(fā)生空轉(zhuǎn)、滑行等問題，受機(jī)車牽引控制、機(jī)車軸重等條件限制，通過撒沙增加輪軌黏著力是較為有效的處置手段。在該型機(jī)車使用初期撒沙系統(tǒng)問題突出，主要是撒沙器工作不可靠、維修不便及沙管內(nèi)徑過小，易凍結(jié)堵塞等問題。庫爾勒機(jī)務(wù)段通過試驗(yàn)論證，將易發(fā)生問題的45臺壓差式撒沙器更換為重力式撒沙器、將沙管內(nèi)徑由12 mm增加至20 mm，有效減少了撒沙系統(tǒng)故障，防范輪對空轉(zhuǎn)、滑行造成車輪不均勻磨耗加劇和踏面剝離問題。

4 防控效果

針對日常輪對測量過程中發(fā)現(xiàn)的失圓問題，在保證走行部行車安全的前提下兼顧減少臨修及避免嚴(yán)重失圓后增加車輪旋修量，主要分兩級進(jìn)行控制：一是在修程內(nèi)進(jìn)行預(yù)防性旋修。二是根據(jù)實(shí)際運(yùn)用情況安排臨修處理，預(yù)防車輪失圓問題進(jìn)一步擴(kuò)展。2017年1月至2018年2月共旋修了203臺次機(jī)車的457條輪對，其中修程旋修148臺機(jī)車的360條輪對。旋修時(shí)，根據(jù)踏面是否有“魚鱗狀”剝離或疏松并對應(yīng)輪徑示數(shù)偏差的徑向跳動(dòng)將半徑旋修量控制在0.5～1 mm即可，有利于避免不圓度增大后失圓不能有效修復(fù)和旋修量成倍增加而大幅減小輪徑。

現(xiàn)進(jìn)入C4修的26臺機(jī)車中輪徑大于1 235 mm的共103條、占比66%，其余53條輪對輪徑在1 230～1 235 mm 間，C4修按JM3-34踏面外形旋修后輪徑能達(dá)到1 222～1 230 mm，較好的保證了車輪使用壽命。另，通過準(zhǔn)確分析并按控制限度旋修修復(fù)，杜絕了因車輪失圓造成軸箱彈簧斷裂、走行部配件折損或松脫問題。

5 下一步工作設(shè)想

(1) 優(yōu)化機(jī)車牽引控制策略，跟蹤運(yùn)用效果

和諧型機(jī)車普遍特點(diǎn)是大功率、交流傳動(dòng)，單軸牽引(電阻制動(dòng))力大，加速快。為減小控制特性對導(dǎo)致車輪狀態(tài)不良的影響，中車大連機(jī)車車輛有限公司通過研究分析已對控制軟件進(jìn)行優(yōu)化，主要是降低牽引和電阻制動(dòng)力的加減載率，優(yōu)化平穩(wěn)控制策略。計(jì)劃在軟件優(yōu)化升級后對車輪失圓控制、踏面狀態(tài)和旋修周期等進(jìn)行跟蹤對比。

(2) 車輪材質(zhì)對比

目前國產(chǎn)J2材質(zhì)的車輪已通過考核并于2017年開始裝車，其機(jī)械性能與HXD3C型機(jī)車裝用的J11材質(zhì)相近，但元素含量略有差異。計(jì)劃積極收集國產(chǎn)J2材質(zhì)車輪運(yùn)用信息，在機(jī)車C5或C6修程時(shí)更換，選擇更適合庫爾勒機(jī)務(wù)段運(yùn)用工況的車輪材質(zhì)。

(3) 探索車輪圓度自動(dòng)檢測的可行性

將日常人工定期和臨時(shí)測量，延伸至機(jī)車每次入庫整備時(shí)自動(dòng)在線檢測，提高檢測頻次、跟蹤失圓發(fā)展動(dòng)態(tài)，更有利于車輪失圓故障的防控。

6 結(jié)束語

針對HXD3C型機(jī)車車輪失圓影響行車安全和生產(chǎn)運(yùn)輸秩序問題，通過采取完善管理制度和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、修程提前防控、改進(jìn)輔助裝置等措施加強(qiáng)管理，有效防止了車輪失圓造成走行部行車安全隱患問題的發(fā)生，為現(xiàn)有條件下整治車輪失圓問題提供了參考。