HXN5型內(nèi)燃機車車輪非正常磨耗問題分析*

鄒瑞明，馬衛(wèi)華，2，羅世輝

（1 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031；2 南車戚墅堰機車有限公司，江蘇常州213011）

HXN5型內(nèi)燃機車車輪非正常磨耗問題分析*

鄒瑞明1，馬衛(wèi)華1，2，羅世輝1

（1 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031；2 南車戚墅堰機車有限公司，江蘇常州213011）

針對HXN5型內(nèi)燃機車在運營過程中出現(xiàn)的非正常磨耗問題展開研究，通過分析其試驗數(shù)據(jù)，得出HXN5型機車非正常磨耗問題主要源自于機車一系導(dǎo)框間隙內(nèi)的輪對定位剛度過小，由于導(dǎo)框間隙值設(shè)置較為合理，因此提出通過增大機車一系導(dǎo)框間隙內(nèi)的水平定位剛度來改善車輪的非正常磨耗問題，建議剛度優(yōu)化范圍為0.54～0.72 MN/m，最后對優(yōu)化方案進行了動力學(xué)仿真分析，結(jié)果表明提高一系導(dǎo)框間隙內(nèi)的水平定位剛度有利于提高機車橫向穩(wěn)定性，但會略微降低司機室的橫向平穩(wěn)性，對曲線段外輪脫軌系數(shù)影響不大。

HXN5；內(nèi)燃機車；磨耗；定位剛度

HXN5型內(nèi)燃機車是由美國GE公司設(shè)計，戚墅堰機車廠生產(chǎn)的大功率交流傳動內(nèi)燃機車，其功率大，牽引力大，技術(shù)較為先進，最大的特點是在國際同類產(chǎn)品中排放低，節(jié)能好，達到了美國Tier2標(biāo)準(zhǔn)，因此被譽為是節(jié)能減排的新寵，是貼上了綠色環(huán)保標(biāo)簽的最新產(chǎn)品［1-2］。HXN5型內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架是在青藏鐵路的NJ2型內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)之上改進設(shè)計而成，每臺轉(zhuǎn)向架為單獨驅(qū)動的3根動軸，傳統(tǒng)導(dǎo)框式軸箱定位，浮動中心銷牽引，二系采用3個橡膠堆式承載墊，其中外側(cè)橡膠堆偏構(gòu)架前端且左右兩側(cè)各一個，內(nèi)側(cè)橡膠堆偏構(gòu)架后端且只在中間布置一個，構(gòu)架采用焊接式構(gòu)架［3-4］。目前主要配屬于哈爾濱鐵路局哈爾濱段（哈局哈段），北京鐵路局懷柔北段（京局懷段），烏魯林木齊鐵路局庫爾勒段（烏局庫段），沈陽鐵路局吉林段（沈局吉段），西安鐵路局新豐鎮(zhèn)段（西局新段）。

但該型機車自投入運營以來，也暴露出一些設(shè)計上和質(zhì)量上的缺陷，機車輪緣、踏面的非正常磨耗問題便是其中之一，主要表現(xiàn)如下：

（1）機車的第1、4軸輪緣磨耗速度較快，且左右基本相同，沒有明顯的偏于一側(cè)；

（2）機車的第3、6輪對較其他輪對有顯著凹形磨耗現(xiàn)象，表明車輪運用過程中，滾動接觸的位置主要集中于踏面小斜面部分，統(tǒng)計數(shù)據(jù)未顯示第3輪對是否較第6輪對磨耗更為嚴(yán)重，鋼彈簧的斷裂現(xiàn)象在未頻繁旋輪時主要集中于第3、2輪對；

（3）機車的第2、5輪對為3軸轉(zhuǎn)向架的中間輪對，允許橫動量較其他輪對要大至少10 mm，該位置輪對的輪緣磨耗和踏面磨耗介于端輪對之間。

就哈局哈段自2010年2月25日至2010年5月9日的數(shù)據(jù)來說，由于機車輪緣、踏面的磨耗問題旋輪58臺機車，旋輪機車走行里程最長的是23.7萬km的0017機車，運用326天，走行里程最短的是13.6萬km的0038機車，總體機車平均18.7萬km，運用263天。根據(jù)調(diào)查表明，與既有機車輪對相比，大多數(shù)不同型號的機車輪對均能使用到90萬km（一個大修期內(nèi)），而HXN5型機車在走行54.3萬km后輪對將陸續(xù)磨耗到限，這將大大降低機車的使用安全性，帶來較大的安全隱患。表1所示為HXN5型機車與HXN3和ND5型機車走行10萬km后的輪緣最大磨耗量對比，可見應(yīng)盡快針對HXN5型機車的磨耗問題展開研究，明確其磨耗原因，并改善其磨耗狀況。

表1 輪緣最大磨耗量

1 非正常磨耗原因分析

根據(jù)中國鐵道科學(xué)研究院針對HXN5型內(nèi)燃機車所做的線路試驗結(jié)果中可以得出以下信息［5］：

（1）全部路段第3輪對輪軌橫向力很小，且左右車輪的力有同方向趨勢；

（2）第1輪對的輪軌橫向力最大，且外側(cè)車輪約為內(nèi)側(cè)車輪的兩倍，第2輪對有較為明顯的輪軌橫向力，且左右車輪的輪軌橫向力大小均與第1輪對曲線內(nèi)側(cè)車輪橫向力相當(dāng)，但方向相反；

（3）第1輪對輪軸橫向力顯著高于第2、3輪對，第2輪對輪軸橫向力很小，約為第1輪對的1/4，且與第1輪對的輪軸橫向力同方向，第3輪對的輪軸橫向力略大于第2輪對，且方向與第1輪對趨勢相同，特別是在圓曲線上，輪軸橫向力大小有逐漸減小趨勢，與第1輪對輪軸橫向力方向趨勢相同；

（4）直線上高速運行時的輪軸橫向力表明第3輪對均值最大，甩動更顯著；

（5）機車曲線通過時其穩(wěn)態(tài)輪軌力和輪軸橫向力實際上是很低的。

究竟是什么原因造成HXN5型機車的非正常磨耗呢？通過對試驗數(shù)據(jù)的進一步分析，可以得出如下兩點結(jié)論。

1.1 機車輪對始終存在類似失穩(wěn)的橫向周期振動

圖1所示為120 km/h速度下第1軸的輪軸橫向力，盡管總體而言力的量值較低，但其直線段放大的特點比較明顯。如果從車輪橫向力來考察，這種特點更加明顯，如圖2所示，該圖中峰值突出的部分不太可能僅從曲線不平順的角度來解釋，更顯示出是輪對周期性向軌道貼靠造成的，導(dǎo)框間隙以內(nèi)的輪對失穩(wěn)振動可能會造成這一現(xiàn)象。這一特點在70 km/h曲線運行也有所反應(yīng)，但不如高速運行顯著，一個原因是速度更低，另一個原因是低速時牽引或制動力更大，當(dāng)輪對貼緊導(dǎo)框后，摩擦提供的阻力更大。由于導(dǎo)框的摩擦系數(shù)隨運行里程的增加會有所降低，因此可以推斷機車運用里程越長，這種導(dǎo)框間隙以內(nèi)的輪對橫向周期振動特點越顯著，失穩(wěn)振動的趨勢完全由一系水平定位剛度決定。

圖1 直線段運行時第1輪對車軸橫向力

圖2 直線段運行時第1輪對車輪橫向力

1.2 機車進出曲線尤其是小曲線時轉(zhuǎn)向架明顯受到阻礙

圖3是機車以70 km/h過R300曲線時第1輪對的輪軸橫向力，圖中圈出的部分表明，車輛在進出曲線時與正常的情況有相異之處，轉(zhuǎn)向架受到一定的阻礙。如果我們觀察圖4車輪橫向力的話，則更是如此，這表明導(dǎo)框的限位作用明顯。

圖3 通過R300曲線時第1輪對車軸橫向力

圖4 通過R300曲線時第1輪對車輪橫向力

雖然HXN5機車第1輪對在穩(wěn)態(tài)曲線通過時的輪軸橫向力很小，但動態(tài)偏離很大，因此總體而言輪軸橫向力相對其他機車特別是相對HXN3機車更大，且沖角相對HXN3機車也更大，因此第1輪對的輪緣磨耗較突出，且第3輪對在導(dǎo)框內(nèi)往復(fù)運動相比HXN3機車也更加頻繁，因此第3輪對的踏面磨耗也顯得突出。

綜合試驗結(jié)果，基本可以判斷，HXN5型機車非正常磨耗問題主要源自于機車一系導(dǎo)框間隙內(nèi)的輪對定位剛度過小。

2 優(yōu)化方案

從以上分析情況來看，導(dǎo)框式定位是造成機車非正常磨耗的根本原因，但在機車基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的情況下，可以通過縮小導(dǎo)框間隙和增大一系水平定位剛度的措施來緩解HXN5型內(nèi)燃機車的非正常磨耗問題。

2.1 導(dǎo)框間隙優(yōu)化分析

縮小導(dǎo)框間隙，能夠有效防止輪對在導(dǎo)框間隙內(nèi)的竄動，從而減少輪緣貼靠，緩解輪緣磨耗情況，但是HXN5型內(nèi)燃機車導(dǎo)框縱向間隙為1 mm，端軸橫向間隙為2.5 mm，中間軸橫向自由間隙為14 mm，但是縮小間隙以后一系很容易形成剛性定位，對于圓緩點或緩圓點處的曲線通過性能也不利，因此HXN5型機車能否進一步減小導(dǎo)框間隙，還需做進一步分析。

本文通過仿真計算的方法分析不同導(dǎo)框間隙對輪對運行形態(tài)的影響，計算工況為：機車以70 km/h的速度通過R300 m的曲線，其中緩和曲線長度為80 m，曲線超高為90 mm，曲線段長度為200 m，計算中取線路不平順為AAR5級。為了更好對比導(dǎo)框縱向間隙對輪軸橫向力的影響，將低頻（準(zhǔn)靜態(tài)）結(jié)果與高頻（動態(tài)變化）結(jié)果分開考慮，由于線路存在長波不平順，因此以0.5 Hz的低通濾波作為均值，將原始值與準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)果相減作為動態(tài)變化，并取動態(tài)變化結(jié)果的3σ值視為動態(tài)變化范圍。最終的車軸橫向力可視為準(zhǔn)靜態(tài)值與動態(tài)變化范圍的疊加。圖5所示為不同導(dǎo)框縱向間隙對第1輪對車軸橫向力的影響。

從圖5中可以清楚地認(rèn)識導(dǎo)框縱向間隙對車軸橫向力的影響，縱向間隙在1.0～1.5 mm相對有利，更小或更大的間隙將增大出曲線圓緩點的車軸橫向力，并且縱向間隙低于1.0 mm后，動態(tài)偏離量將增大。因此目前HXN5型機車導(dǎo)框縱向1.0 mm的名義間隙是非常合理的。

同樣的，針對端軸導(dǎo)框橫向間隙在1.5～3 mm范圍內(nèi)變化進行了仿真計算，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)框橫向間隙對輪對的車軸橫向力、沖角幾乎沒有影響，唯一影響較為顯著的是第3輪對相對導(dǎo)框的橫移量隨導(dǎo)框橫向間隙的增大而增大，但是導(dǎo)框橫移量的改變并沒有影響輪對在導(dǎo)框中的變化特征，只是受約束的程度不同，這說明第3輪對相對導(dǎo)框的橫移量受到導(dǎo)框間隙的限制作用。從上述分析表明，目前HXN5機車導(dǎo)框定位的縱向間隙與橫向間隙值均較為合理，如果僅從修改一系導(dǎo)框間隙對解決HXN5機車非正常磨耗問題可能不會有顯著效果，因此，為緩解HXN5型機車輪對的非正常磨耗，根本的方法應(yīng)該是采取提高一系導(dǎo)框間隙內(nèi)水平定位剛度的措施。

圖5 導(dǎo)框縱向間隙對第1輪對車軸橫向力的影響

2.2 導(dǎo)框內(nèi)水平定位剛度優(yōu)化分析

由于HXN5機車導(dǎo)框間隙內(nèi)的一系橫向定位剛度要遠(yuǎn)小于其他機車，過小的定位剛度將使機車的小范圍振動變得不穩(wěn)定，從而使輪對在導(dǎo)框間隙內(nèi)的往復(fù)運動比其他機車要頻繁得多。因此針對HXN5機車在不同一系導(dǎo)框間隙內(nèi)水平定位剛度下，第1輪對與第3輪對的輪軸橫向力進行分析。其計算工況與上節(jié)相同，但軌道不平順取100 mm均值。

機車第1輪對和第3輪對輪軸橫向力的最大值隨一系導(dǎo)框間隙內(nèi)輪對水平定位剛度的變化曲線如圖6所示，從圖6中可以看出，對于動態(tài)曲線通過而言，第1輪對的輪軸橫向力隨水平定位剛度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，最小值出現(xiàn)在定位剛度為0.72 MN/m處，為111 k N，相比原定定位剛度下130 k N降低了14.6%，第3輪對的輪軸橫向力隨導(dǎo)框間隙內(nèi)水平定位剛度的變化而有所波動，但總體呈現(xiàn)上升趨勢。

HXN5型機車輪對水平定位剛度原始設(shè)計值為0.18 MN/m，而HXN3型機車的取值為0.8 MN/m，由此可以看出HXN5型機車的輪對水平定位剛度遠(yuǎn)低于其他機車，另外，在線路試驗中發(fā)現(xiàn)HXN5型第3輪對車軸橫向力的測試值處于較低的水平，適當(dāng)?shù)脑龃笠幌刀ㄎ粍偠瓤傮w上而言是有益的，因此HXN5型內(nèi)燃機車導(dǎo)框間隙內(nèi)的輪對水平定位剛度的優(yōu)化范圍應(yīng)為0.54～0.72 MN/m?？赏ㄟ^在既有機車的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過重新設(shè)計一系懸掛鋼簧并保持目前鋼彈簧與軸箱的相對尺寸來達到這一目標(biāo)。

圖6 導(dǎo)框間隙內(nèi)水平定位剛度對車軸橫向力的影響

3 優(yōu)化方案對機車動力學(xué)性能的影響

由于一系導(dǎo)框間隙內(nèi)的水平定位剛度主要影響的是機車的橫向動力學(xué)性能，對垂向動力學(xué)性能影響較小，這里主要計算不同水平定位剛度下機車的非線性臨界速度，高速直線運行時的司機室橫向平穩(wěn)性指標(biāo)，以及曲線通過時的外輪脫軌系數(shù)，以考察優(yōu)化方案下對機車總體動力學(xué)性能的影響，高速直線橫向平穩(wěn)性指標(biāo)計算工況為機車以120 km/h的速度在AAR5級線路上運行，曲線通過的外輪脫軌系數(shù)計算工況為70 km/h通過R300 m曲線，軌道不平順同樣取AAR5級，計算結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出，適當(dāng)提高一系導(dǎo)框間隙內(nèi)的水平定位剛度有利于提高機車的橫向穩(wěn)定性，但會略微降低司機室的橫向平穩(wěn)性，不過橫向平穩(wěn)性指標(biāo)依然處于優(yōu)秀范圍以內(nèi)，對曲線通過時的外輪脫軌系數(shù)則影響不大。由此可見，適當(dāng)提高機車一系導(dǎo)框間隙內(nèi)的水平定位剛度是有利的。

表2 不同水平定位剛度對機車動力學(xué)性能的影響

4 結(jié) 論

本文針對HXN5型內(nèi)燃機車投入運營以來所出現(xiàn)的車輪非正常磨耗展開研究，試圖找出造成HXN5型機車車輪非正常磨耗的原因，并據(jù)此提出相應(yīng)的改進方案，改善HXN5的磨耗狀況，通過研究得出以下結(jié)論：

（1）HXN5型機車非正常磨耗問題主要源自于機車一系導(dǎo)框間隙內(nèi)的輪對水平定位剛度過?。?/p>

（2）目前HXN5型機車導(dǎo)框定位的縱向間隙與橫向間隙均采用較為合理的值，因此，緩解HXN5型機車輪對的非正常磨耗根本方法應(yīng)該是采取提高一系導(dǎo)框間隙內(nèi)水平定位剛度的措施，建議輪對水平定位剛度優(yōu)化范圍為0.54～0.72 MN/m；

（3）通過對建議輪對水平定位剛度優(yōu)化范圍進行仿真分析可知，適當(dāng)提高一系導(dǎo)框間隙內(nèi)的水平定位剛度有利于提高機車的橫向穩(wěn)定性，但會略微降低司機室的橫向平穩(wěn)性，對曲線通過時的外輪脫軌系數(shù)則影響不大。

［1］ 郝金偉.HXN5型大功率交流傳動內(nèi)燃機車［J］.機車電傳動，2009，（2）：1-5.

［2］ Wrightbus.和諧5型內(nèi)燃機車［G/OL］.維基百科，2013-03-13，［2013-06-25］.http：∥zh.wikipedia.org/wiki/%E5%92%8C%E8%B0%905%E5%9E%8B%E5% 86%85%E7%87%83%E6%9C%BA%E8%BD%A6.

［3］ 鮑維千.機車總體及轉(zhuǎn)向架［M］.北京：中國鐵道出版社，2010.

［4］ 張光明，侯曉燕.HXN5型機車轉(zhuǎn)向架［J］.內(nèi)燃機車，2013，（3）：1-4.

［5］ 羅世輝.HXN5機車車輪磨耗問題動力學(xué)分析報告［R］.常州：西南交通大學(xué)常州軌道交通研究院.2010.

Analysis of Abnormal Wear Problem of HXN5 Diesel Locomotive

ZOU Ruiming1，MA Weihua1，2，LUO Shihui1
（1 Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China；2 CRS Qishuyan Locomotive Co.，Ltd.，Changzhou 213011 Jiangsu，China）

Based on the abnormal wear problem of HXN5 diesel locomotive in the operating process，this paper draw a conclusion from the experimental data：the abnormal wear problem of HXN5 locomotive is mainly caused by the soft axle guiding stiffness in axle box play.Because the value of axle box play set to be reasonable，so put forward a solution to improve the abnormal wear problem that was increasing the axle guiding stiffness in axle box play，and suggested the stiffness optimization range from 0.54 to 0.72 MN/m.Finally，this paper made a dynamic simulation analysis for the optimization scheme，and the results show that increasing the axle guiding stiffness in axle box could play a beneficial role to increasing the lateral stability of locomotive，and improving the horizon ride index of the driver chamber slightly，but the stiffness does not much affect the derailment coefficient of outside wheel on curve passing.

HXN5；diesel locomotive；wear；axle guiding stiffness

U262.0

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.21

1008－7842（2014）01－0098－05

*四川省科技支撐計劃項目（2012GZ0103）；常州市科技支撐計劃項目（CJ20110008）。

1—）男，碩士生（

2013－08－23）