劉 鵬

(中車大同電力機車有限公司 技術(shù)中心， 山西大同 037038)

近年來，隨著我國貨運鐵路向高速、重載方向發(fā)展，機車走行部出現(xiàn)的問題也隨之增多，而機車輪對踏面剝離問題變得尤為突出，占機車輪對故障問題很大比例[1]。作為鐵路機車走行部的重要部件之一，其技術(shù)質(zhì)量直接影響到鐵路行車安全水平，需要對機車輪對踏面剝離進行分析與研究，尋找簡單有效的解決方法。

針對踏面剝離問題，國外研究較早，但由于造成剝離問題的原因涉及多個方面，且經(jīng)常反復(fù)出現(xiàn)，至今仍是亟需解決的世界性難題[2-3]。近年來，國內(nèi)學(xué)者提出研制和開發(fā)新的輪對材料，提高輪對韌性和抗馬氏體相變能力[4]。文獻[5]提出減少機車空轉(zhuǎn)以降低輪對損傷。文獻[6]提出改善牽引力對機車輪對黏著性能的影響。文獻[7]提出消除輪對的縱向共振現(xiàn)象來改善輪對踏面的使用壽命。文獻[8]提出采用彈性車輪以降低輪對剝離問題。目前解決踏面剝離問題大多從改變車輪材質(zhì)、消除共振、減少機車輪對空轉(zhuǎn)等方面做工作，文獻[4]提出改變車輪材質(zhì)，成本高，實施難度大，而且車輪材質(zhì)還需與鋼軌匹配；文獻[5-6]提出的通過調(diào)整機車黏著性能來改善踏面剝離狀態(tài)，該方法對踏面剝離改善效果有限，不能從根本上消除踏面剝離。根據(jù)實測六軸、八軸電力機車踏面狀態(tài)，提取踏面剝離的主要特征，從輪軌動力學(xué)角度證明降低車輪縱向蠕滑力和蠕滑率可以有效改善踏面剝離狀態(tài)，提出通過有效降低機車電制動力的方法解決機車踏面剝離問題。

1 機車踏面剝離的主要特征

1.1 剝離裂紋的位置與方向

通過現(xiàn)場實測，圖1給出了六軸機車踏面剝離的主要特征，并按照剝離裂紋特征分為豎向裂紋(沿圓周方向)、橫向裂紋(沿軸向)、斜裂紋3種裂紋形式，且這3種裂紋和更換輪對或旋修后的運行里程無明顯關(guān)系。豎向裂紋主要出現(xiàn)在中間輪對(第2、5軸位)，而橫向裂紋和斜裂紋主要出現(xiàn)在端軸。豎向裂紋主要位于距離輪輞內(nèi)側(cè)面80～90 mm，橫向裂紋主要位于67.35～92.54 mm，斜裂紋主要位于77.78～87.77 mm范圍。

圖2給出了八軸機車的踏面狀態(tài)。八軸機車踏面表面仍能發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋痕跡，但相對于六軸機車裂紋，八軸機車踏面主要存在較輕的斜裂紋，且很少發(fā)現(xiàn)橫向和垂向裂紋。

豎向裂紋、斜裂紋在旋修過程中往往會很快消失，說明這種裂紋并未擴展至較深位置。在車輪旋修時橫向裂紋往往較深，為消除橫向裂紋需要旋去較厚的車輪材料。根據(jù)裂紋方向和受力方向總是呈現(xiàn)出垂直的關(guān)系，可以推斷橫向裂紋主要和車輪受到的輪軌縱向動力作用有關(guān)。

圖2 八軸機車踏面剝離典型狀態(tài)

1.2 剝離裂紋的萌生

當機車按照圖3所示方向運行時，在牽引力作用下，輪軌接觸點處的車輪表面材料會發(fā)生如圖3所示的流動，流動方向和受力方向相同，而對于鋼軌表面的材料流動方向則相反。在制動條件下，車輪表面受到與運動方向相反的力，此時車輪表面的材料則會發(fā)生向后的流動，與圖3所示相反。

圖3 牽引條件下車輪表面材料塑性流動示意圖

牽引力或者制動力越大，輪軌接觸位置表面材料的塑性流動越明顯，當表面材料所受剪切應(yīng)力超出材料的屈服極限時，材料表面即出現(xiàn)微觀裂紋。因此，從降低材料塑性流動從而減輕表面裂紋萌生的角度來說，降低牽引力或者制動力、提高材料的屈服強度是有效的。

2 兩種車型輪軌受力特性分析

機車在制動條件下，在直線上各車輪所受的縱向蠕滑力均和前進方向相反，且同一軸位左側(cè)車輪和右側(cè)車輪差異不明顯；在曲線上各輪對的受力情況比較復(fù)雜，下面重點分析在曲線上各車輪的受力情況[9]。為了便于分析，以六軸機車為例，對車輪進行編號，如圖4所示。

基于車輛-軌道耦合動力學(xué)理論，重點分析六軸機車和八軸機車通過小半徑曲線(曲線半徑400 m，超高110 mm)時各輪對的受力情況。由于在受力方向和輪軌接觸點方面，前后轉(zhuǎn)向架對應(yīng)輪對差異不大，因此只給出了前轉(zhuǎn)向架各輪對通過曲線時的受力特性。圖5分別給出了前轉(zhuǎn)向架各輪對的受力方向(a)和橫向位移方向(b)。

圖4 車輪編號

圖5 六軸機車通過曲線時各輪對受力及橫移方向

由圖5可以得出，當六軸機車通過曲線時，第1、2軸位偏向曲線外側(cè)橫移，而第3軸為偏向曲線內(nèi)側(cè)。對于縱向蠕滑力方向，1R、2R、3L車輪輪軌縱向蠕滑力和運行方向相反，1L、2L、3R車輪輪軌縱向蠕滑力和運行方向相同。對于橫向蠕滑力，第3軸位左右車輪所受橫向蠕滑力指向曲線外側(cè)，而其余軸位車輪所受橫向蠕滑力指向曲線內(nèi)側(cè)。

圖6給出了八軸機車前轉(zhuǎn)向架各輪對縱向蠕滑力示意圖，可知1L、2R車輪所受縱向蠕滑力方向和前進方向相同，1R、2L車輪所受縱向蠕滑力方向和前進方向相反。

圖6 八軸機車通過曲線時縱向蠕滑力方向

3 電制動力對輪軌縱向動力作用的影響

針對六軸機車與八軸機車在運營過程中出現(xiàn)的不同車輪踏面狀態(tài)，基于車輛-軌道耦合動力學(xué)理論，計算分析了兩種機車輪軌動力作用下的輪軌動力作用，詳細對比了輪軌動力學(xué)性能指標，從輪軌動力作用方面找出兩種機車輪軌動力作用下的差異。在進行輪軌動力作用對比時，主要對比了對車輪橫向裂紋影響較大的縱向蠕滑力、縱向蠕滑率。

3.1 通過直線時的縱向蠕滑力和蠕滑率對比

對于六軸機車和八軸機車，由于制動條件下每個輪對的動力學(xué)指標響應(yīng)規(guī)律十分接近，故圖7給出了兩種車型制動條件下通過直線時，1位輪對縱向蠕滑力的時間歷程。

圖7 兩種車型通過直線時的縱向蠕滑力對比

由圖7可以得出，當兩種機車制動條件下通過直線時，各輪對的縱向蠕滑力不超過50 kN，且隨著制動力的增加，縱向蠕滑力隨之增加。

圖8分別給出了兩種車型制動條件下分別通過直線時，各輪對縱向蠕滑率的時間歷程。

圖8 兩種車型通過直線時的縱向蠕滑率對比

由圖8可以得出，當兩種機車制動條件下通過直線時，各輪對的縱向蠕滑率隨著制動力的增加明顯增加。且對六軸機車來說，隨著制動力的增加，縱向蠕滑率的變化幅值進一步增加。

3.2 通過曲線時的縱向蠕滑力和蠕滑率對比

分析兩種車型分別在200 kN、300 kN、400 kN制動力作用下通過半徑為400 m曲線時的輪軌動力作用，并對比分析前轉(zhuǎn)向架各車輪縱向蠕滑力和蠕滑率的差異。分析機車惰行通過曲線時各輪對的受力情況，當機車施加牽引力或制動力時，各輪對所受的縱向蠕滑力首先會發(fā)生明顯變化。當施加制動力時，各輪對需要額外提供和運行方向相反的縱向蠕滑力，因此1L、2L、3R車輪所受縱向蠕滑力會出現(xiàn)下降，而1R、2R、3L車輪所受縱向蠕滑力會進一步增加，如圖9所示。需要說明的是，圖9(a)中的3L車輪縱向蠕滑力隨牽引力的增加未發(fā)生明顯變化，主要是因為此時已經(jīng)達到黏著極限，即蠕滑力已經(jīng)飽和。對于八軸機車1R、2L車輪，隨著制動力的增加，其縱向蠕滑力也出現(xiàn)明顯增加，其中2L車輪縱向蠕滑力始終高于其余車輪。

從縱向蠕滑力角度對比，六軸機車3L車輪在制動力為200 kN時即達到最大值(49.1 kN)，而八軸機車2L車輪在制動力為200 kN時僅為35.1 kN，兩者相差14 kN。但是隨著制動力的進一步增加，縱向蠕滑力的差值逐漸減小，主要是六軸機車縱向蠕滑力已經(jīng)達到飽和狀態(tài)，而八軸機車仍未達到飽和狀態(tài)，因此，八軸機車縱向蠕滑力進一步增加，而六軸機車縱向蠕滑力保持在最大水平(49 kN左右)。

圖9 兩種機車輪軌縱向蠕滑力平均值對比

除了縱向蠕滑力之外，縱向蠕滑率對車輪踏面損傷也有較大影響。因此，對制動條件下兩種車型縱向蠕滑率進行了對比，如圖10所示。對于可能發(fā)生裂紋擴展的六軸機車1R、2R、3L車輪，縱向蠕滑率隨制動力的增加而發(fā)生增加。對于八軸機車1R、2L車輪，隨著制動力的增加，其縱向蠕滑率也出現(xiàn)明顯增加，其中1R車輪縱向蠕滑率始終高于其他車輪。

圖10 兩種機車輪軌縱向蠕滑率平均值對比

在相同工況下，六軸機車最大縱向蠕滑率均高于八軸機車，且隨著制動力的增加，兩種車型縱向蠕滑率均明顯增加，兩種車型縱向蠕滑率之間的差值越來越大。當制動力為400 kN時，六軸機車最大縱向蠕滑率為1.60%，而八軸機車縱向蠕滑率僅為0.95%。

4 結(jié) 論

通過實測六軸、八軸機車的踏面狀態(tài)，分析裂紋產(chǎn)生的原因以及輪軌的受力情況，對不同制動力下六軸、八軸機車的縱向蠕滑力、蠕滑率進行對比分析，得出如下結(jié)論：

(1)當車輪表面切向力(蠕滑力)超出材料屈服極限時，車輪表面材料的塑性流動產(chǎn)生裂紋，而降低切向力可有效降低表面裂紋的萌生。

(2)兩種車型在相同的制動力作用下運行，八軸機車的縱向蠕滑力和縱向蠕滑率要高于六軸機車，更容易造成踏面剝離，這與現(xiàn)場實測的裂紋位置、方向基本吻合。當制動力為200 kN時，六軸機車縱向蠕滑力較八軸機車增加14 kN，縱向蠕滑率增加0.19%，當制動力為400 kN時，兩者縱向蠕滑力相差6.3 kN，縱向蠕滑率相差0.65%。

綜上所述，增大電制動力可以增加機車的速度調(diào)節(jié)范圍，減少閘瓦的磨耗，但同時會增大機車運行過程中的縱向蠕滑力和蠕滑率。而縱向蠕滑力和蠕滑率的增大可能會導(dǎo)致車輪表面切向力超出材料屈服極限，導(dǎo)致裂紋的萌生。因此，當車輪出現(xiàn)裂紋或剝離時，在滿足應(yīng)用工況的前提下有效降低電制動力，可以有效緩解或消除踏面剝離。尤其在列車通過曲線時，有效降低機車電制動力的發(fā)揮，可以減小輪軌動力學(xué)作用，避免踏面裂紋的萌生和擴展。