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]。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
(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
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。
(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。