輪緣潤滑識(shí)別工況法在大功率機(jī)車上的試驗(yàn)驗(yàn)證

武小鵬 王冬冬 王楊

(中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所,北京 100081)

輪緣潤滑識(shí)別工況法在大功率機(jī)車上的試驗(yàn)驗(yàn)證

武小鵬 王冬冬 王楊

(中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所,北京 100081)

識(shí)別工況法是通過檢測機(jī)車橫向振動(dòng)的頻率和幅值特征,實(shí)時(shí)判斷輪緣磨損狀況,并自動(dòng)選擇針對性的潤滑劑用量和位置的方法。本文介紹了識(shí)別工況法的基本算法和在大功率機(jī)車上的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

識(shí)別工況 輪緣潤滑 機(jī)車橫向振動(dòng)

1 引言

1.1 輪緣潤滑控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

由于我國是一個(gè)多山地國家，鐵路線路曲線占比例較高，輪緣軌側(cè)磨損問題一直是影響車輪和鋼軌壽命的重要因素。目前機(jī)務(wù)系統(tǒng)主要采用輪緣潤滑裝置來解決這一問題，主流的流體輪緣潤滑裝置一般采取固定間隔(距離或時(shí)間)的方式向機(jī)車輪緣噴射潤滑脂。輪緣磨損劇烈時(shí)需要縮短噴脂間隔，輪緣磨損輕微時(shí)又需要延長噴脂間隔。進(jìn)口流體輪緣潤滑裝置主要采取固定時(shí)間噴脂模式，國產(chǎn)流體輪緣潤滑裝置采用固定距離噴脂模式，為了根據(jù)輪緣磨損狀況調(diào)整潤滑劑用量，二者分別開發(fā)了識(shí)別離心力模式和識(shí)別線路模式。

識(shí)別離心力模式以傾角傳感器讀數(shù)為依據(jù)，讀數(shù)絕對值大時(shí)認(rèn)為輪緣磨損嚴(yán)重；識(shí)別線路模式以曲線半徑為依據(jù)，曲線半徑小時(shí)認(rèn)為輪緣磨損嚴(yán)重。由于我國客貨混跑的現(xiàn)狀，機(jī)車在小曲線上的離心力讀數(shù)可能反而小于在大曲線的離心力讀數(shù)，因此采用離心力模式容易造成輪緣磨損工況的誤判。識(shí)別線路模式單純以曲線半徑為依據(jù)，忽略了機(jī)車速度、外軌超高等影響輪緣磨損參數(shù)的影響，也有一定局限性。

1.2 識(shí)別工況控制系統(tǒng)的提出

針對識(shí)別離心力模式和識(shí)別線路模式的特點(diǎn)，提出了根據(jù)機(jī)車橫向振動(dòng)的幅值和頻率特性識(shí)別機(jī)車輪緣磨損工況的方法，簡稱為識(shí)別工況法，并獲發(fā)明專利。[1]識(shí)別工況法測量機(jī)車橫向振動(dòng)數(shù)值，推導(dǎo)輪軌的接觸狀態(tài)，由于是實(shí)時(shí)測量多個(gè)參數(shù)影響下的最終結(jié)果，因此相對更加準(zhǔn)確。

機(jī)車橫向振動(dòng)受到機(jī)車特性和機(jī)車激勵(lì)特性的影響，機(jī)車激勵(lì)又包括軌道激勵(lì)、輪對激勵(lì)等；實(shí)踐中輪緣潤滑控制系統(tǒng)一般安裝在動(dòng)力間墻體上，動(dòng)力間的機(jī)械振動(dòng)，如牽引風(fēng)機(jī)振動(dòng)，又會(huì)傳遞到墻體，帶來干擾。因此，從機(jī)車橫向振動(dòng)數(shù)據(jù)提取反映輪緣磨損的有效分量，是識(shí)別工況法的重點(diǎn)。

2 識(shí)別工況控制系統(tǒng)

2.1 不同輪緣磨損工況下的機(jī)車橫向振動(dòng)特征分析

車輪在理想直線運(yùn)行狀態(tài)下，輪緣不接觸鋼軌，此時(shí)機(jī)車橫向振動(dòng)頻率較低；由于外部激勵(lì)造成輪對小幅蛇行時(shí)，輪緣反復(fù)接近鋼軌，由于車輪/鋼軌外形特點(diǎn)，鋼軌和車輪接觸面法線角度不斷發(fā)生變化，機(jī)車橫向振動(dòng)頻率增大；當(dāng)機(jī)車過曲線或蛇擺加重時(shí)，鋼軌和車輪接觸面法線角度進(jìn)一步增大，宏觀上輪緣與鋼軌軌距角接觸，發(fā)生劇烈磨損，微觀上輪緣反復(fù)沖擊軌距角，此時(shí)機(jī)車橫向振動(dòng)頻率進(jìn)一步增大且伴隨沖擊碰撞的特征。因此，識(shí)別輪緣磨損工況實(shí)際上就是檢測輪緣反復(fù)沖擊軌距角時(shí)由于輪軌接觸幾何特征變化帶來的機(jī)車橫向振動(dòng)頻率和幅值特性的變化。

2.2 停車/運(yùn)行工況的識(shí)別

(圖1)為HXD3機(jī)車在站場從掛機(jī)到運(yùn)行20分鐘時(shí)間的時(shí)間-頻譜圖。大約0--800秒之間，圖中(1)(2)(3)分別是3次短時(shí)低速運(yùn)動(dòng)過程，(4)位置是機(jī)車過道岔，而后運(yùn)行速度逐漸達(dá)到60km/h?？梢钥吹剑?次低速運(yùn)動(dòng)中，均在50HZ以下的低頻帶出現(xiàn)較高能量。對該數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，結(jié)果如(圖2)所示。

圖1 HXD3機(jī)車站場運(yùn)行數(shù)據(jù)

圖2 HXD3機(jī)車站場運(yùn)行數(shù)據(jù)濾波

根據(jù)(圖1)和(圖2)所示，通對數(shù)據(jù)的濾波處理，能夠通過低頻段的能量判斷機(jī)車的運(yùn)行/停止?fàn)顟B(tài)。結(jié)合機(jī)車停車/運(yùn)行狀態(tài)下縱向加速度數(shù)值，可以判斷出機(jī)車的運(yùn)行方向。

2.3 小曲線/道岔/直線/大曲線識(shí)別

天棚—關(guān)角—察漢諾(關(guān)角溝)區(qū)間集中了西格線的所有小半徑曲線，該區(qū)間長76公里，共有曲線70多條，其中半徑為300米的小半徑曲線有24條，機(jī)車(客車)實(shí)際運(yùn)行速度55km/h左右，輪緣磨損嚴(yán)重。西格線進(jìn)入關(guān)角溝之前，線路條件較好，曲線半徑超過2000米，機(jī)車(客車)實(shí)際運(yùn)行速度在110km/h左右，輪緣磨損輕微。(圖3)是HXD1C機(jī)車(客車)進(jìn)入關(guān)角溝前剛察—天棚81km區(qū)間的時(shí)間--頻譜圖，其中(1)(2)(3)為停車狀態(tài)，這3處前后該機(jī)車進(jìn)出站過道岔；(圖4)是該機(jī)車天棚—關(guān)角30km區(qū)間運(yùn)行的時(shí)間--頻譜圖，其中(4)(5)(6)(7)是停車狀態(tài)，柱狀圖區(qū)域?yàn)闄C(jī)車運(yùn)行在曲線，柱狀圖高度是曲線半徑，曲線半徑最大800米，最小300米。

圖3 HXD1C機(jī)車剛察—天棚橫向振動(dòng)時(shí)間--頻譜圖

總結(jié)HXD1C機(jī)車在關(guān)角溝線路上的橫向振動(dòng)數(shù)據(jù)，有以下特點(diǎn)：(1)機(jī)車進(jìn)出站過道岔時(shí)在頻譜圖上有顯著反映；(2)線路條件好時(shí)橫向振動(dòng)能量較低且集中在較低頻帶；(3)小曲線多、輪緣磨損嚴(yán)重時(shí)橫向振動(dòng)能量向較高頻帶方向擴(kuò)散。

由此總結(jié)識(shí)別工況法針對不同輪緣磨損工況的判斷依據(jù)：(1)低頻段無能量時(shí)，認(rèn)為輪緣磨損輕微，機(jī)車運(yùn)行在直線；(2)低頻段有能量時(shí)，認(rèn)為輪緣開始磨損，機(jī)車運(yùn)行在大曲線或有蛇形；(3)能量向較高頻段擴(kuò)算時(shí)，認(rèn)為輪緣磨損劇烈，機(jī)車運(yùn)行在小曲線；(4)加速--沖擊特征出現(xiàn)時(shí)為機(jī)車過道岔，輪緣磨損劇烈。

2.4 前進(jìn)端/單側(cè)/對角噴脂等多種模式的實(shí)現(xiàn)

機(jī)車輪緣潤滑系統(tǒng)將潤滑脂噴射到機(jī)車輪緣上，輪緣接觸鋼軌時(shí)，潤滑脂通過鋼軌傳遞到后繼車輪。如果在輪緣不磨損時(shí)多次噴射潤滑脂，會(huì)造成潤滑脂在輪緣上的堆積、甩濺并向踏面擴(kuò)散。因此在直線、小曲線和大曲線應(yīng)采取不同的噴脂模式。例如直線段輪緣通過機(jī)車蛇行偶爾接觸鋼軌，因此可執(zhí)行前進(jìn)端噴脂并加大噴脂間隔；大曲線外軌超高與速度不匹配時(shí)機(jī)車會(huì)偏向一側(cè)，因此可執(zhí)行單側(cè)噴脂并適當(dāng)減小噴脂間距；小曲線時(shí)轉(zhuǎn)向架通常楔接通過，因此可執(zhí)行對角噴脂并大幅減小噴脂間距。

通過機(jī)車橫向振動(dòng)的頻率和幅值特性，識(shí)別工況法能夠區(qū)分小曲線、大曲線和道岔等工況。結(jié)合機(jī)車實(shí)時(shí)橫向加速度均值，能夠識(shí)別上述工況。檢測到大曲線特征時(shí)，根據(jù)橫向加速度均值確定單側(cè)噴脂；檢測到小曲線特征時(shí)，根據(jù)行車方向確定對角噴脂。

2.5 運(yùn)用試驗(yàn)

識(shí)別工況的輪緣潤滑系統(tǒng)在HXD3和DF4機(jī)車上進(jìn)行了運(yùn)用試驗(yàn)。整套系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，輪緣磨損控制到0.3毫米/萬公里以下。通過添乘觀察，控制系統(tǒng)工作良好，能夠正確根據(jù)不同工況自動(dòng)調(diào)整噴脂模式和參數(shù)。

3 結(jié)論和展望

3.1 結(jié)論

識(shí)別工況的輪緣潤滑控制系統(tǒng)通過檢測、分析機(jī)車橫向振動(dòng)特性，能夠識(shí)別機(jī)車運(yùn)行/停止、小曲線磨損、大曲線磨損、過道岔等多種輪緣磨損工況，并針對性的執(zhí)行不同的控制策略。

識(shí)別工況方法一方面提供了輪緣潤滑控制系統(tǒng)的一個(gè)新思路；另一方面，隨著該潤滑系統(tǒng)的安裝，相當(dāng)于加裝了大量的輪緣磨損在線檢測裝置，有利于及時(shí)掌握輪對磨損特點(diǎn)、積累現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為輪對全壽命管理，提供一個(gè)輔助手段。

3.2 展望

識(shí)別工況法還處在起步階段，目前的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作是通過人工添乘并記錄機(jī)車時(shí)間軸上運(yùn)行速度、通過曲線時(shí)間點(diǎn)、曲線半徑等參數(shù)，而后對比測量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作效率低，精度差。需要在輪軌接觸狀態(tài)識(shí)別和驗(yàn)證方面投入更多的研究。

充分的“輪緣”潤滑能夠保障機(jī)車車輪的壽命，但在部分路段，鋼軌需要一定的磨損率避免疲勞裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展。協(xié)調(diào)車輪和鋼軌的壽命，實(shí)現(xiàn)“輪軌”潤滑，是識(shí)別工況法后繼的一個(gè)研究重點(diǎn)。

[1]武小鵬.識(shí)別工況的新型機(jī)車輪軌潤滑控制系統(tǒng)[J].中國鐵路,2012.