賀文文

（中鐵十六局集團(tuán)鐵運(yùn)工程有限公司，河北高碑店 074000）

0 引言

輪對(duì)作為列車不可或缺的組成部分，在機(jī)車的運(yùn)行當(dāng)中有著承重與保持行駛安全平穩(wěn)的關(guān)鍵功能，其質(zhì)量好壞直接關(guān)系到列車運(yùn)行的穩(wěn)定性和乘坐的舒適性。從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用數(shù)據(jù)來(lái)看，大功率電力機(jī)車車輪損傷形式主要有踏面擦傷、剝離、輪緣磨耗及車輪多邊形等，而尤以輪緣異常磨耗對(duì)輪對(duì)的使用壽命影響最大。因此，對(duì)車輪的輪緣磨耗問(wèn)題進(jìn)行研究，不僅有利于提高機(jī)車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，而且可以極大地降低檢修成本，具有重要的工程意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。然而在機(jī)車的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，一些因素會(huì)導(dǎo)致機(jī)車輪緣的過(guò)度磨耗，輪緣的過(guò)度異常磨耗會(huì)改變輪對(duì)與軌道之間的平衡與穩(wěn)定，影響機(jī)車的行駛穩(wěn)定性與平順性，當(dāng)機(jī)車輪軌磨耗過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致輪緣過(guò)小，輕則縮短鏇修周期，重則機(jī)車脫軌、顛覆，車毀人亡。機(jī)車輪緣磨耗嚴(yán)重影響著輪對(duì)工作壽命、車輛的行駛效率和行駛過(guò)程中的安全[1-3]。

世界各國(guó)都非常重視輪軌關(guān)系方面的研究工作。最早的磨耗模型是在1953年由Achard[4]提出的，其指出磨耗量與接觸物體的材質(zhì)以及接觸兩物體的滑動(dòng)距離有關(guān)。Fries等[5]在Achard模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)車輪磨耗進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，并通過(guò)仿真完成輪對(duì)磨耗預(yù)測(cè)。Zobory等[6]對(duì)車輪和鋼軌的磨損過(guò)程做了更加深入的研究，他們對(duì)車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)進(jìn)行了剛體化處理，將軌道簡(jiǎn)單離散為集中質(zhì)量塊，采用Hertz和FASTSIM計(jì)算輪軌的接觸力，同時(shí)引入了軌道不平順函數(shù)，他們認(rèn)為質(zhì)量密度與接觸斑上的能量消耗成正比，可以通過(guò)消耗的質(zhì)量密度來(lái)表征磨耗量的大小。Krause等[7]通過(guò)對(duì)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)磨耗模型的磨耗系數(shù)與摩擦系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)和物體表面接觸溫度有很大的相關(guān)性。Braghin等[8]運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)理論建立了仿真模型來(lái)對(duì)車輪的磨耗進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)輪軌蠕滑率的計(jì)算程序進(jìn)行簡(jiǎn)化處理得到了輪軌之間的接觸參數(shù)，并對(duì)車輪的磨耗情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)。Telliskivi[9]采用Archard磨損模型對(duì)輪軌型面的演變過(guò)程實(shí)現(xiàn)了定性的分析預(yù)測(cè)。Montenegro[10]對(duì)車輪和軌道的幾何特性做了細(xì)致的分析，并通過(guò)有限元的方法對(duì)輪對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行了完善。Jendel等[11]建立了車輪磨耗預(yù)測(cè)模型，并將該模型應(yīng)用于斯德哥爾摩通勤路網(wǎng)某運(yùn)營(yíng)車輛，利用模擬仿真的方法對(duì)車輪磨耗進(jìn)行預(yù)測(cè)。Li和Kalker等[12-13]通過(guò)對(duì)輪軌接觸的計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)，基于CONTACT計(jì)算方法，提出了non-Hertz接觸、共形接觸算法，將磨耗計(jì)算模型定義為磨耗體積與摩擦功成正比。

針對(duì)車輪的磨耗問(wèn)題，國(guó)內(nèi)的許多學(xué)者做了大量的研究工作，鄭箭鋒[14]通過(guò)分析SS3B、HXD3C與HXD1C型電力機(jī)車的輪緣磨耗情況，提出了沖角、導(dǎo)向力是導(dǎo)致輪緣磨耗的主要因素，并給出了減緩輪緣磨耗的措施；朱世剛[15]針對(duì)SS3型電力機(jī)車提出采用TAX箱的擴(kuò)展插件功能，在彎道加量預(yù)噴脂技術(shù)實(shí)現(xiàn)直線少潤(rùn)滑，彎道外側(cè)集中潤(rùn)滑，有效解決了因牽引噸位增加而導(dǎo)致的機(jī)車輪緣磨耗過(guò)快問(wèn)題；沙永龍[16]以HXD2C型電力機(jī)車為研究對(duì)象，基于機(jī)車及運(yùn)行線路的實(shí)際參數(shù)，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件UM，建立了機(jī)車動(dòng)力學(xué)模型對(duì)輪緣磨耗問(wèn)題進(jìn)行了研究。

本論文在充分調(diào)研SS4型電力機(jī)車輪緣磨耗情況的基礎(chǔ)上，對(duì)車輪異常磨耗因素進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，并通過(guò)對(duì)不同的輪緣磨耗原因采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，最終使機(jī)車的平均輪緣磨耗顯著降低。

1 影響因素調(diào)查與分析

經(jīng)整理統(tǒng)計(jì)前3年的SS4型電力機(jī)車輪緣磨損數(shù)據(jù)，可知輪緣磨耗=（上次輪緣厚度-本次輪緣厚度）÷機(jī)車該時(shí)段走行公里（輪緣差取最大值），得到前3年SS4 型電力機(jī)車平均輪緣萬(wàn)公里磨耗分別為0.45、0.43、0.48 mm/萬(wàn)km，因機(jī)務(wù)段要求，SS4型電力機(jī)車輪緣萬(wàn)公里磨耗須低于0.4 mm。現(xiàn)隨機(jī)對(duì)50臺(tái)SS4型電力機(jī)車輪緣磨損情況進(jìn)行檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

表1 SS4型電力機(jī)車輪緣磨損情況

從表1中計(jì)算出50臺(tái)車輪緣平均萬(wàn)公里磨耗為0.47 mm，可發(fā)現(xiàn)輪緣異常磨耗是造成輪緣萬(wàn)公里磨耗過(guò)大的主要原因，因此只要解決輪緣異常磨耗，即可降低輪緣萬(wàn)公里磨耗。

1.1 輪緣異常磨耗因素調(diào)查統(tǒng)計(jì)

我們對(duì)造成機(jī)車輪緣異常磨耗的因素逐項(xiàng)進(jìn)行了調(diào)查、分析，通過(guò)查看機(jī)車電制動(dòng)給流等方式進(jìn)行要因確定[17]，經(jīng)整理輪緣異常磨耗的主要因素如圖1所示。

圖1 輪緣異常磨耗的主要因素

由圖1可知，輪緣的異常磨耗受到人員、機(jī)械、材料及環(huán)境等因素的影響，具體主要包括在機(jī)車下坡道時(shí)盲目使用單臺(tái)機(jī)車電制動(dòng)給流，電制動(dòng)給流未采用雙機(jī)配合、輪噴未能及時(shí)補(bǔ)油、輪噴控制盒故障、輪噴風(fēng)管老化、噴嘴堵塞，以及存在沖角或者一側(cè)輪緣偏磨等因素，從而造成了輪緣的異常磨耗。

1.2 輪緣異常磨耗因素?cái)?shù)據(jù)分析

經(jīng)對(duì)上述輪緣異常磨耗的各主要因素進(jìn)行分析檢查，其具體情況如表2所示。

表2 輪緣異常磨耗的各主要因素分析統(tǒng)計(jì)

從表2中可以看出，由于司機(jī)操縱不當(dāng)在下坡道電制動(dòng)給流未采用雙機(jī)配合，盲目單臺(tái)機(jī)車電制動(dòng)給流，造成輪緣異常磨耗的情況占76%；對(duì)補(bǔ)油作業(yè)進(jìn)行檢查，作業(yè)人員均能執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，及時(shí)補(bǔ)油，作業(yè)人員均能按規(guī)定進(jìn)行作業(yè)，及時(shí)補(bǔ)油率為100%，因此未能及時(shí)補(bǔ)油不是主要原因；檢查了50臺(tái)車384個(gè)輪噴噴嘴位置情況，噴嘴位置正確率可達(dá)91.67%，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)后，噴嘴位置100%正確，因此噴嘴位置不對(duì)不是主要原因；從調(diào)查表可看出，輪噴控制盒故障率有12.5%，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)后，輪噴控制盒工作狀態(tài)100%良好，因此輪噴控制盒故障不是主要原因；在整備場(chǎng)調(diào)查了50臺(tái)車400個(gè)風(fēng)管老化情況，根據(jù)表2可知風(fēng)管老化率為6.25%，更換后更是100%良好狀態(tài)，因此輪噴風(fēng)管老化漏風(fēng)不是主要原因；對(duì)50臺(tái)車400個(gè)輪噴噴嘴進(jìn)行檢查，從表2可看出，輪噴噴嘴堵塞數(shù)量占總數(shù)的12.5%，雖噴嘴堵塞的比例不高，但經(jīng)過(guò)一周的反復(fù)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)輪噴噴嘴易反復(fù)堵塞；通過(guò)查看50臺(tái)機(jī)車的輪軌關(guān)系，并檢測(cè)是否存在沖角或者偏磨一側(cè)輪緣，經(jīng)檢測(cè)42%的機(jī)車存在異常輪軌關(guān)系，經(jīng)后期檢查機(jī)車的鏇修周期和鏇修后的數(shù)據(jù)，未及時(shí)鏇修或鏇修后不符合標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)車只有1臺(tái)，所以未及時(shí)鏇輪不是造成異常輪軌關(guān)系的主要原因，但異常輪軌關(guān)系導(dǎo)致了輪緣的異常磨耗。

2 改進(jìn)措施與效果

2.1 改進(jìn)措施

通過(guò)對(duì)SS4型電力機(jī)車輪異常磨耗因素的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，下坡道時(shí)過(guò)度使用電制動(dòng)以及異常輪軌關(guān)系是造成輪緣異常磨耗的主要原因。

對(duì)于過(guò)度使用電制動(dòng)來(lái)說(shuō)，由于司機(jī)未采用雙機(jī)配合，盲目單臺(tái)機(jī)車電制動(dòng)給流，造成輪緣異常磨耗而導(dǎo)致的電力機(jī)車輪緣磨耗問(wèn)題，應(yīng)闡述電制動(dòng)操作不當(dāng)加速輪緣磨耗的危害整體，并組織乘務(wù)員學(xué)習(xí)下坡道時(shí)電制動(dòng)操縱辦法，提升乘務(wù)員操縱水平，加強(qiáng)電制動(dòng)時(shí)雙機(jī)配合，以及建立相關(guān)自動(dòng)控制調(diào)控系統(tǒng)，使機(jī)車在制動(dòng)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行自動(dòng)的雙機(jī)配合，實(shí)現(xiàn)其制動(dòng)最優(yōu)化。

對(duì)于輪軌關(guān)系的異常情況，在車輛行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)生成的動(dòng)力經(jīng)輪對(duì)輸送到行駛軌道上，車輛的全部承重也都是經(jīng)輪對(duì)傳送到運(yùn)行軌道上，機(jī)車在行駛當(dāng)中，經(jīng)過(guò)軌道連接處、分道路口、彎道和不平整道路時(shí)，輪對(duì)會(huì)對(duì)其生成不同方向的作用力，這些不同作用力會(huì)造成不同軸輪緣磨耗不均、同軸輪緣偏磨、同臺(tái)架同側(cè)偏磨、同臺(tái)架異側(cè)偏磨和前后轉(zhuǎn)向架對(duì)角偏磨[18-19]。經(jīng)過(guò)分析可知，不同軸輪緣磨耗不均主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)向架中間軸輪緣磨耗量大于端軸，所以針對(duì)異常輪軌關(guān)系采取的措施，一種是針對(duì)輪對(duì)偏向鋼軌一側(cè)，我們可使用在軸箱止檔處加調(diào)整墊的方式解決；另一種是針對(duì)機(jī)車輪緣與鋼軌之間存在沖角的情況，我們可以通過(guò)采用壓輪徑及軸箱拉桿加調(diào)整墊的方式解決。通過(guò)大量的實(shí)踐驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析證明，在軸箱止檔處加調(diào)整墊、實(shí)施壓輪徑和軸箱拉桿加調(diào)整墊的方式減緩輪緣偏磨取得很好的效果。

除此之外，針對(duì)輪噴噴嘴易反復(fù)堵塞等其它問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)疏通輪噴噴嘴工作，且可以使用新材料并構(gòu)造新型輪噴噴嘴結(jié)構(gòu)，增加輪軌的潤(rùn)滑裝置等，防止輪緣長(zhǎng)時(shí)間得不到有效的潤(rùn)滑，進(jìn)而降低輪緣的異常磨耗。

2.2 改進(jìn)效果

在充分調(diào)研SS4型電力機(jī)車輪緣磨耗情況的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)車輪異常磨耗因素進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，以及采取相應(yīng)的改進(jìn)措施之后，對(duì)10臺(tái)車的輪緣進(jìn)行了檢測(cè)，并計(jì)算出平均輪緣磨耗，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的車輪緣磨耗情況

從圖2中可以看出，在進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)措施以后，平均輪緣磨耗為0.36 mm/萬(wàn)km，比改進(jìn)前降低了0.11 mm/萬(wàn)km，實(shí)現(xiàn)了降低輪緣磨耗至0.4 mm/萬(wàn)km以下的目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)機(jī)車輪緣過(guò)度磨耗會(huì)影響機(jī)車運(yùn)用效率和車輪使用壽命及機(jī)車運(yùn)行安全這一問(wèn)題，本文在充分調(diào)研SS4型電力機(jī)車輪緣磨耗情況的基礎(chǔ)上，對(duì)車輪異常磨耗因素進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)對(duì)SS4型電力機(jī)車輪異常磨耗因素的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，下坡道時(shí)過(guò)度使用電制動(dòng)以及異常輪軌關(guān)系是造成輪緣異常磨耗的主要原因。針對(duì)不同的磨耗原因采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施，最終使機(jī)車的平均輪緣磨耗從0.47 mm/萬(wàn)km降低至0.36 mm/萬(wàn)km，實(shí)現(xiàn)了降低輪緣磨耗至0.4 mm/萬(wàn)km以下的目標(biāo)。