機車車輪失圓的原因及動態(tài)監(jiān)測方法的分析與研究

陳慶 肖茜

摘要： 本文主要介紹了機車車輪失圓的危害，產(chǎn)生車輪失圓的主要原因，重點研究了機車車輪失圓動態(tài)監(jiān)測方法，并舉例說明應用位移測量法進行動態(tài)監(jiān)測的思路及結果，為鐵路設備故障檢測提供參考。

Abstract： This paper mainly introduces the harm and the main causes of out-of-round locomotive wheel， and focuses on the dynamic monitoring method of out-of-round locomotive wheel， and gives an example to illustrate the idea and results of application of displacement measurement method for dynamic monitoring， providing a reference for railway equipment fault detection.

關鍵詞： 車輪失圓；車輪踏面；動態(tài)監(jiān)測

Key words： out-of-round wheel；wheel tread；dynamic monitoring

中圖分類號：U270.7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）09-0129-02

1 概述

車輪失圓是一個極其復雜的過程。從固體力學的觀點來看，輪軌間的接觸力、接觸應力和表面應力將導致車輪出現(xiàn)塑性變形和疲勞現(xiàn)象，不同的磨耗機理將導致不同的破壞現(xiàn)象。從摩擦學的觀點來看，輪軌系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng)，車輪失圓與輪軌系統(tǒng)的特性與環(huán)境狀況有關。不同的載荷、滑動與潤滑狀況能誘發(fā)不同的磨耗機理，這些變量的微小變化可能導致磨損速率發(fā)生很大變化。車輪的失圓現(xiàn)象受到很多因素的影響，如曲線半徑、軌道結構、車輛運行速度、輪軌間的動力行為、輪軌接觸面的“第三介質”、輪軌材料等。車輪滾動圓失圓形式可分為局部失圓和全周失圓，車輪失圓主要有以下幾種形式：局部缺陷、扁癥、剝落、脫落、踏面突起、車輪呈現(xiàn)多邊形、車輪非周期性不圓順和車輪橢圓化。

本文針對機車車輪失圓現(xiàn)象，通過分析車輪失圓的危害、失圓的主要原因，重點研究了車輪失圓的動態(tài)監(jiān)測方法，其中重點推薦位移測量法，但此方法需要提升傳感器的技術性能。在動態(tài)監(jiān)測車輪失圓現(xiàn)象而得到較為精確的結果后，對后續(xù)的車輪失圓故障分析及排除提供了重要的依據(jù)和參考。

2 車輪失圓的危害

2.1 影響行車安全

車輪失圓會造成車輪踏面出現(xiàn)嚴重剝離，同時會加大車輛的垂直振動和輪軌的動力作用，在這種情況下很容易出現(xiàn)配件脫落/軸箱彈簧斷裂/減震器異常等故障，影響行人行車安全。

2.2 加大檢修工作量

因為不解體鏇輪設備數(shù)量有限，使得很多故障車輪無法得到及時維修，這樣就要更換大量的車輪送修。對于車輪更換，其作業(yè)要求較高，更換時間較長，不但增加了檢修成本，更加大了檢修工作量。

2.3 使得備用車嚴重不足

由于車輪故障率較高，造成故障車增多，但是相關修復措施沒有及時到位，有時只能甩車處理，甚至甩下的車不能及時調(diào)往修理臺位檢修，造成備用車嚴重不足，極大地影響到機車的正常運行。

3 車輪失圓的主要原因

列車提速后，對車輪的損傷有所加重，不同運行方向的車輪損傷情況也存在著差別，分析車輪失圓的主要原因有以下幾點：

3.1 車輪材質達不到標準的要求

3.2 車輪反復擠壓后發(fā)生塑性變形，造成踏面磨損

在鋼軌上車輪的主要運行形式就是滾動，但在經(jīng)過曲線部位等特殊情況下，其運行形式是滑動，因此，輪軌之間是一種滾滑混合的復雜摩擦運動。在車輪滾動的過程中其與鋼軌之間會產(chǎn)生擠壓和摩擦，長此以往下去其表層金屬灰疲勞，導致磨耗。車輪踏面的最表層會隨著不斷的摩擦而急劇加熱，且根據(jù)溫度的不同產(chǎn)生兩種形式的熱裂紋。一旦輪軌接觸應力過大，就會導致接觸塑形流動磨損，而磨損的部分就會出現(xiàn)缺陷，甚至導致不規(guī)則變形，進而出現(xiàn)輪徑偏差大，車輪偏心等現(xiàn)象，影響車輛的動力學性能，威脅行人的行車安全。

3.3 材質不均造成踏面局部凹下和剝離

若車輪局部材質過軟，那么在車輪滾動的過程中會導致踏面局部凹下。導致踏面剝離的原因有兩種，一是車輪材質不良，經(jīng)過車輪與鋼軌多次擠壓而產(chǎn)生疲勞破壞；另一種是由于車輪滑動過程中產(chǎn)生的熱導致的踏面局部金屬組織異常造成的。踏面局部凹下和踏面剝離都對行人的行車安全存在很大威脅。

3.4 車載檢測系統(tǒng)沒發(fā)揮應有作用

機車都安裝了車載行車安全監(jiān)控裝置，理論上能夠對轉向架及車體的異常振動進行監(jiān)測，實際上很少監(jiān)測車輪的非正常運行狀態(tài)，使得車輪沒能及時發(fā)現(xiàn)并處理，導致車輪出現(xiàn)故障，甚至影響整個車體的安全性。此外這也說明了車載檢測系統(tǒng)還有很多待完善的地方，應采取有效措施進行改進。

3.5 線路質量

機車車輪磨損還與線路質量等存在很大關系，若線路質量不合格，會加劇機車車輪磨損，導致車輪失圓，影響行人行車安全。

4 主要的車輪失圓動態(tài)監(jiān)測方法

車輪失圓的監(jiān)測方法主要有兩種，分別是靜態(tài)監(jiān)測和動態(tài)監(jiān)測。其中靜態(tài)監(jiān)測方法只有在機車停止或車輪拆卸的情況下才能進行，因此不僅會占用機車的周轉時間，而且效率低，勞動強度大；動態(tài)監(jiān)測方法則無需停止機車或拆卸車輪，能夠在線監(jiān)測機車車輪狀態(tài)，如此不僅效率高，而且便于存儲相關信息?，F(xiàn)階段我國采用的監(jiān)測方法主要是靜態(tài)監(jiān)測，但荷蘭、英國等國家已經(jīng)廣泛應用動態(tài)監(jiān)測方法了。

動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)有車載式和地面式。其中車載式監(jiān)測系統(tǒng)由于需要將傳感器安裝在每根車軸上，通過監(jiān)測車軸振動來間接獲取踏面的外形參數(shù)，勞民傷財，采用的人并不多；而地面式監(jiān)測系統(tǒng)是在線路上安裝車輪外形測量系統(tǒng)，便捷經(jīng)濟，被廣泛應用在監(jiān)測運行中的機車車輛。

根據(jù)監(jiān)測原理，當前主要的車輪失圓動態(tài)監(jiān)測方法分為：振動加速度監(jiān)測法、接觸測量法、位移測量法及圖像監(jiān)測法。這些監(jiān)測方法各有利弊，具體分析如下：

4.1 振動加速度監(jiān)測法

機車運行過程中，軌道會在輪軌間的相互作用下產(chǎn)生振動，且當車輪失圓時，振動會加劇。振動加速度監(jiān)測法就是依據(jù)該原理，通過收集整個機車經(jīng)過監(jiān)測點時軌道的振動情況，然后進行相關分析，提取出有缺陷的車輪信息。

振動加速度監(jiān)測法在監(jiān)測車輪缺陷的過程中還能夠準確的分析出缺陷的危害程度，且具有很高的經(jīng)濟性。振動加速度監(jiān)測法的優(yōu)勢是可監(jiān)測中高速 （大于 100 km/h）機車，準確率較高，性能穩(wěn)定，安裝方便等。其劣勢主要包括： 傳感器間的安裝距離固定，不適宜監(jiān)測不同半徑的車輪，且只能監(jiān)測機車速度超過100 km/h的機車；必須建立科學完整的速度變化曲線；機車的振動不止一處，數(shù)據(jù)分析時需要排除干擾。

4.2 接觸測量法

當機車車輪失圓時，車輪半徑就會變化，使得整個圓周內(nèi)車輪半徑不同，但由于不圓的只是踏面部分，而輪緣始終保持不變。這樣，可以通過監(jiān)測輪緣高度的變化來判定車輪踏面的缺陷。若輪緣高度基本沒有變化時，為完好車輪；若輪緣高度在小段范圍內(nèi)（小于25mm）出現(xiàn)變化時，則車輪存在擦傷；若輪緣高度在整個圓周方位內(nèi)出現(xiàn)波動時，則車輪出現(xiàn)失圓。

接觸測量法的原理簡單，安裝方便，可以直接監(jiān)測車輪踏面半徑的變化，沒有繁瑣的數(shù)據(jù)處理，且準確率較高。但由于監(jiān)測系統(tǒng)裝置的結構特征，要求機車緩慢通過監(jiān)測點才能準確的監(jiān)測出車輪的缺陷情況，這樣較難實現(xiàn)車輪的在線監(jiān)測，但在列車入庫等情況下，接觸測量法可以起到良好的效果。

4.3 圖像監(jiān)測法

圖像監(jiān)測法是用激光照射機車車輪踏面，然后用高速攝像機進行連續(xù)拍攝，最后對拍攝到的圖像進行處理而獲得機車車輪外形的狀況，進而計算出其踏面失圓度的大小。

圖像監(jiān)測法的原理簡單，精度高，但一方面受到拍攝設備和環(huán)境的影響較大，另一方面受機車速度的限制較大，只能監(jiān)測低速（一般低于30km/h）的情況，不適宜高速列車（大于200km/h）在線監(jiān)測。但由于圖像監(jiān)測法精度高，并且適用于靜態(tài)監(jiān)測，所以應用前景較廣泛。主要產(chǎn)品有日本的“車輪踏面形狀自動測定裝置”和澳大利亞的“車輪實時跟蹤檢測裝置”。

4.4 位移測量法

依據(jù)軌道特性分析可知，當軌道受到壓力作用時將產(chǎn)生垂向位移。機車運行時，若車輪出現(xiàn)失圓，則會在整個圓周內(nèi)產(chǎn)生周期性的作用力變化。假設輪軌接觸為單點接觸，軌道垂向位移會隨著輪軌相互作用力的變化而變化。所以，可以通過監(jiān)測軌道的垂向位移來監(jiān)測輪軌作用力的情況，這就是位移測量法的工作原理。若車輪完好，軌道垂向位移曲線應持續(xù)不變；若車輪出現(xiàn)失圓，在整個車輪圓周上軌道的垂向位移曲線將出現(xiàn)波動。

位移測量法不但能監(jiān)測機車車輪的缺陷，而且監(jiān)測設備安裝方便（只需將傳感器安裝在軌道底部便可監(jiān)測出軌道的位移），數(shù)據(jù)處理簡單，重點推薦此檢測方法。但是這種方法對傳感器的要求較高，設備技術難度較大。

我們研究過用位移測量法對機車車輪失圓現(xiàn)象進行在線監(jiān)測，采用2個分體式磁致伸縮位移傳感器（適用于高速鐵路等高要求領域）在線實時檢測制動器及輪對踏面的機械位移，將檢測到的信號通過模/數(shù)轉換模塊轉換成數(shù)字信號，然后提供給計算機模塊進行計算和處理，其結果通過人機界面和聲光報警模塊進行顯示和報警。我們對位移測量法檢測到的數(shù)據(jù)進行仿真，得到了車輪失圓的中短軸、長軸與標準車輪比較后的波谷值為0.5mm，在標準范圍之內(nèi)。

5 結束語

本文針對機車車輪失圓現(xiàn)象，分析了車輪失圓的危害及失圓的主要原因，提出了對失圓現(xiàn)象進行監(jiān)測的辦法，重點研究了車輪失圓的動態(tài)監(jiān)測方法，重點推薦位移測量法，并通過應用舉例，說明了車輪失圓在線監(jiān)測系統(tǒng)構建的主要思路，再通過仿真分析得到了失圓的數(shù)據(jù)結果。

參考文獻：

[1]劉紅，雷新紅.鐵路機車車輪踏面失圓的檢測方法綜述[J].汽車零部件，2015，01.

[2]嚴俊.SS系列機車制動工況及輪對橢圓化在線監(jiān)測的研究與實現(xiàn)[J].電子測試，2013，10.

[3]謝利明，高曉蓉，羅林，楊凱.車輪踏面不圓度在線監(jiān)測技術的現(xiàn)狀與分析[J].鐵道技術監(jiān)督，2012，06.