機(jī)車車輛踏面損傷機(jī)理研究

劉鳳義

神華準(zhǔn)能大準(zhǔn)鐵路公司車輛段

機(jī)車車輛踏面損傷機(jī)理研究

劉鳳義

神華準(zhǔn)能大準(zhǔn)鐵路公司車輛段

機(jī)車運(yùn)行中造成的踏面損傷嚴(yán)重影響機(jī)車運(yùn)行穩(wěn)定和安全性。為探討踏面損傷的主要引起原因，結(jié)合某路線段對(duì)機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，通過(guò)比較加裝縱向減振器前后的機(jī)車縱向振動(dòng)狀態(tài)來(lái)分析縱向振動(dòng)對(duì)于踏面損傷的影響，結(jié)果表明加裝縱向減振器可以降低機(jī)車的振動(dòng)情況，對(duì)于踏面損傷的緩解具有推動(dòng)作用。

踏面；損傷；機(jī)理

1 引言

隨著鐵路的發(fā)展，煤運(yùn)輸變得異常的便利。重載鐵路給社會(huì)帶來(lái)便利的同時(shí)，其運(yùn)行中也存在一些問(wèn)題。其中，車輪和鋼軌之間的嚴(yán)重磨損在運(yùn)行問(wèn)題中最為棘手，嚴(yán)重影響著重載鐵路的正常運(yùn)行。導(dǎo)致輪軌之間磨損嚴(yán)重的因素較多，且相對(duì)復(fù)雜。目前，許多學(xué)者和專家都對(duì)此種情況進(jìn)行分析研究。目前，較多的研究集中在通過(guò)建立相關(guān)的模型分析車輛在橫向和垂向方向上的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以尋求導(dǎo)致磨損嚴(yán)重的內(nèi)在因素。而在車輛的正常運(yùn)輸過(guò)程中，車輛的縱向振動(dòng)對(duì)于磨損也存在較大的影響，然而目前在此方面的相關(guān)研究并不多。本文結(jié)合作者的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)車輛縱向振動(dòng)方面的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析探討，以此為基礎(chǔ)分析車輛踏面磨損嚴(yán)重的機(jī)理。

為便于分析研究，本文結(jié)合具體的鐵路路線段進(jìn)行說(shuō)明。某機(jī)務(wù)段的DF8B機(jī)車上的JM3型踏面出現(xiàn)較為嚴(yán)重的磨損，在路線較差的路段磨損更為嚴(yán)重，其主要的外觀現(xiàn)象為輪對(duì)多邊形，失圓和踏面磨損。機(jī)車出現(xiàn)上述的磨損狀態(tài)是在其還未達(dá)到一個(gè)維修周期時(shí)發(fā)生的。為分析車輛縱向振動(dòng)的影響，本文測(cè)試了車輛縱向減振器對(duì)于車輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)狀態(tài)，并結(jié)合改路線段的實(shí)際特性，觀察輪對(duì)縱向振動(dòng)情況，考察縱向振動(dòng)對(duì)于車輛踏面磨損嚴(yán)重的影響程度。

2 機(jī)車車輛踏面損傷理論分析

2.1 輪對(duì)縱向振動(dòng)狀態(tài)分析

輪對(duì)的縱向振動(dòng)與車輛的橫向運(yùn)行穩(wěn)定性及啟動(dòng)粘著作用相關(guān)性較小，因此在長(zhǎng)期以來(lái)的研究中，對(duì)于輪對(duì)的縱向振動(dòng)的研究較少，更多的研究集中在分析橫向和垂向振動(dòng)在車輛運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)狀態(tài)。據(jù)相關(guān)的研究數(shù)據(jù)表明，在40-130Km/h運(yùn)行時(shí)，車輛縱向振動(dòng)較為強(qiáng)烈。另外，在實(shí)際運(yùn)行中也確實(shí)發(fā)生過(guò)此種強(qiáng)振動(dòng)現(xiàn)象。提速機(jī)車在某些速度階段或者施加牽引力時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大程度的振動(dòng)，正因?yàn)樵摲N狀態(tài)確實(shí)發(fā)生，也開始逐漸引起研究者們的關(guān)注。經(jīng)過(guò)相關(guān)的分析探討，證實(shí)這種強(qiáng)振動(dòng)現(xiàn)象與車輛運(yùn)行中的縱向振動(dòng)存在較大的關(guān)系，與輪對(duì)的縱向定位懸掛的剛度之間存在特定的聯(lián)系。

在機(jī)車實(shí)際運(yùn)行中，由于存在軌道的不平衡、機(jī)車自身的橫向和垂向振動(dòng)作用等外界作用，機(jī)車的輪對(duì)會(huì)產(chǎn)生縱向振動(dòng)的激勵(lì)或者產(chǎn)生縱向位移量，導(dǎo)致輪對(duì)產(chǎn)生縱向振動(dòng)。如果外界作用力導(dǎo)致的輪對(duì)縱向振動(dòng)的頻率與其自身的振動(dòng)頻率類似時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，共振導(dǎo)致機(jī)車產(chǎn)生較為明顯的縱向振動(dòng)。在輪對(duì)縱向振動(dòng)的自激作用力中，輪軌之間的滾動(dòng)接觸是最重要的組成部分。機(jī)車輪軌之間的滾動(dòng)接觸產(chǎn)生縱向振動(dòng)，反之機(jī)車的縱向振動(dòng)對(duì)于輪軌形成反向作用。這種反向作用導(dǎo)致輪軌的接觸處產(chǎn)生較大的切向力，進(jìn)而影響左右輪的動(dòng)態(tài)接觸負(fù)荷。這種載荷的變化很容易對(duì)踏面產(chǎn)生較大的損傷。踏面產(chǎn)生的碾壓裂紋最終剝離，對(duì)機(jī)車的正常運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。如果在機(jī)車運(yùn)行中，有效控制機(jī)車發(fā)生的縱向振動(dòng)的頻率或者強(qiáng)度，能夠有效的緩解左右輪對(duì)的載荷變化。從而改善輪軌的運(yùn)行環(huán)境，消除或緩解形成損傷的嚴(yán)重性。

2.2 輪對(duì)振動(dòng)狀態(tài)分析

通過(guò)對(duì)輪對(duì)振動(dòng)分析，可以分別求得輪對(duì)的自身振動(dòng)頻率及外界對(duì)于輪對(duì)的縱向自激振動(dòng)頻率，從而可以更加深入的了解整個(gè)共振導(dǎo)致的機(jī)車振動(dòng)過(guò)程。也為控制振動(dòng)發(fā)生強(qiáng)度奠定理論基礎(chǔ)。

通過(guò)分析機(jī)車運(yùn)行中，輪對(duì)固有振動(dòng)頻率可以看出，其余懸掛的剛度具有直接關(guān)系，懸掛的強(qiáng)度剛度越低，其直接導(dǎo)致輪對(duì)的固有振動(dòng)頻率較大，使得機(jī)車的縱向振動(dòng)情況加強(qiáng)，對(duì)輪對(duì)與鋼軌之間的接觸面產(chǎn)生較大的影響，造成踏面損傷。一般情況下，輪對(duì)的固有振動(dòng)頻率與外界作用下的輪對(duì)頻率相差較大。但隨著固有頻率的增加，如果外力作用下的頻率與固有振動(dòng)頻率相似時(shí)導(dǎo)致共振，會(huì)引發(fā)較為嚴(yán)重的機(jī)車振動(dòng)，并導(dǎo)致左右輪對(duì)上產(chǎn)生較為不均衡的載荷變化，導(dǎo)致踏面損傷。因此，可以通過(guò)控制懸掛的剛度和位置，減緩輪對(duì)的固有頻率數(shù)值，從而降低共振發(fā)生的可能性。有效控制機(jī)車發(fā)生的縱向振動(dòng)的頻率或者強(qiáng)度，有效地緩解左右輪對(duì)的載荷變化。從而改善輪軌的運(yùn)行環(huán)境，消除或緩解形成損傷的嚴(yán)重性。

3 機(jī)車車輛踏面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.1 使用儀器及儀器的布置

車輛縱向振動(dòng)測(cè)試過(guò)程中所使用的儀器有數(shù)據(jù)采集儀、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、加速度計(jì)、應(yīng)變片等。將加速度計(jì)布置在牽引機(jī)車車廂司機(jī)室的地板下方，傳感器防止在軸箱上。

3.2 測(cè)試路段的基本條件

選取的區(qū)間段所在的鐵路線總長(zhǎng)度為1500Km，整體鐵路沿線的地形地貌比較復(fù)雜。鐵路貫穿的隧道有30多座，另外通過(guò)的高架橋梁有470多座。由于整體鐵路線段的長(zhǎng)度較大，因此本研究選取具有代表性的區(qū)間段作為研究路線，選取的路線長(zhǎng)度為350Km，鐵路的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)鐵一級(jí)雙線鐵路。為了便于結(jié)合具體形貌分析相關(guān)數(shù)據(jù)，本次將選取的路線分為五大基本組成片段。其中，第一區(qū)間段，地形為碎石道床，坡度最大處為10‰，曲線的半徑最小為700m。第二區(qū)間段以上坡為主的碎石道床線路。第三區(qū)間段為直線線路為主，且存在較少的小坡度碎石道床線路。第四區(qū)間段為整體道床，其中存在大上坡的坡道，全場(chǎng)1700m，隧道的半徑為400m。第五區(qū)間段為下坡坡道，以碎石道床為主，坡度多處超過(guò)20‰。在分析中，選取具有代表性的第一區(qū)間、第三區(qū)間、第四區(qū)間為分析對(duì)象。

3.3 試驗(yàn)方案

在機(jī)車運(yùn)行中，測(cè)試輪對(duì)與車體各向振動(dòng)發(fā)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，通過(guò)振動(dòng)分析，研究分析機(jī)車踏面產(chǎn)生損傷的原因及產(chǎn)生的機(jī)理。再探明原因及產(chǎn)生機(jī)理之后，提出相關(guān)的改進(jìn)措施以緩解損傷的程度。通過(guò)第2章中的分析可以得知，機(jī)車懸掛的剛度對(duì)于縱向振動(dòng)具有直接的關(guān)系，從而間接對(duì)踏面的損傷具有影響，可以通過(guò)改變懸掛的剛度來(lái)緩解損傷的產(chǎn)生機(jī)率。在此次分析中，對(duì)于此種方式的有效性也進(jìn)行了探究。在軸箱和構(gòu)架間加裝縱向減振器，來(lái)比較加裝減振器前后機(jī)車的振動(dòng)情況。在對(duì)于振動(dòng)比較分析中，側(cè)重對(duì)于振動(dòng)的幅度和頻率進(jìn)行比較和分析。

對(duì)測(cè)試的機(jī)車進(jìn)行了輪對(duì)鏇修，以防止外形誤差對(duì)于測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，并且選擇測(cè)試的機(jī)車性能調(diào)試為最佳狀態(tài)。對(duì)同一機(jī)車在同一線路上測(cè)試兩次縱向振動(dòng)響應(yīng)情況，兩次情況分別為A和B，其中A為為加裝輪對(duì)縱向振動(dòng)減振器的機(jī)車進(jìn)行縱向振動(dòng)測(cè)試，B為加裝了輪對(duì)縱向振動(dòng)減振器的機(jī)車進(jìn)行縱向振動(dòng)測(cè)試。

4 機(jī)車車輛踏面測(cè)試數(shù)據(jù)分析

4.1 車輛振動(dòng)功率譜密度的估算原理

機(jī)車在運(yùn)行中的各部件的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)是一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)的過(guò)程，而平穩(wěn)堆積過(guò)程的樣本函數(shù)一般為不可積，也就意味著不能對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉函數(shù)變換，因此需要對(duì)考察變量進(jìn)行變換，采用功率譜函數(shù)作為譜分析的依據(jù)，根據(jù)維納-辛欽定理可以將功率譜函數(shù)看成是信號(hào)相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換。

根據(jù)廣義普和分析理論，將均方連續(xù)的零均值平穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行函數(shù)重構(gòu)，再利用正交性來(lái)建立。對(duì)自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行變換的目的就是分析前后兩個(gè)不同時(shí)刻的振動(dòng)之間是否存在特定的聯(lián)系或是否相似。利用自相關(guān)函數(shù)可檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否相關(guān)，其次可用于檢驗(yàn)混于隨機(jī)噪聲中的周期信號(hào)。功率譜函數(shù)是表征單位頻率的平均功率，觀察的對(duì)象是功率，觀察的區(qū)域是譜域。自相關(guān)函數(shù)觀察的對(duì)象是功率，觀察的區(qū)域是時(shí)域。功率譜函數(shù)和自相關(guān)函數(shù)可以通過(guò)傅里葉函數(shù)進(jìn)行變換。

功率譜密度是結(jié)構(gòu)在隨機(jī)動(dòng)態(tài)載荷激勵(lì)下響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，是一條功率譜密度值－頻率值的關(guān)系曲線，其中功率譜密度可以是位移功率譜密度、速度功率譜密度、加速度功率譜密度等形式。

4.2 第一區(qū)間段的數(shù)值分析

在第一區(qū)間段的列車進(jìn)行加裝和未加裝減振器的軸箱縱向加速度情況進(jìn)行測(cè)試，未加裝減振器測(cè)試結(jié)果是軸箱縱向振動(dòng)加速度在56Hz時(shí)達(dá)到最大值，在17.75Hz時(shí)出現(xiàn)局部極值。加裝減振器的測(cè)試結(jié)果是縱軸箱向振動(dòng)加速度的相應(yīng)情況和未加裝減振器的響應(yīng)狀態(tài)基本相似，但在17.75Hz位置的加速度明顯降低。

對(duì)列車進(jìn)行加裝和未加裝減振器的車體縱向振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試，未加裝減振器測(cè)試結(jié)果是車體縱向振動(dòng)情況在73.5Hz時(shí)達(dá)到最大值，最大值數(shù)值為1.3。加裝減振器的測(cè)試結(jié)果是車體縱向振動(dòng)情況在73.5Hz時(shí)達(dá)到最大值，最大值數(shù)值為0.1075。通過(guò)對(duì)比可以明顯看出加裝減振器的車體縱向振動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未加減振器的振動(dòng)狀況。

結(jié)合車體的縱向振動(dòng)強(qiáng)度及縱向加速度的響應(yīng)狀況，可以得出，對(duì)于第一區(qū)間，列車在運(yùn)行中的縱向振動(dòng)情況可以通過(guò)加裝縱向減振器加以緩解。

4.3 第二區(qū)間段的數(shù)值分析

在第二區(qū)間段的列車進(jìn)行加裝和未加裝減振器的軸箱縱向加速度情況進(jìn)行測(cè)試，未加裝減振器測(cè)試結(jié)果是軸箱縱向振動(dòng)加速度在74.5Hz時(shí)達(dá)到最大值，其最大值數(shù)值為1.784。加裝減振器的測(cè)試結(jié)果是縱軸箱向振動(dòng)加速度在78Hz時(shí)達(dá)到最大值，其最大值數(shù)值為6.074。未加裝減振器的軸箱縱向加速度和加裝減振器的響應(yīng)情況在55-90Hz區(qū)間內(nèi)明顯高于其他區(qū)間的響應(yīng)情況。加裝減振器后，降低了18-40Hz和110-130Hz兩個(gè)區(qū)間內(nèi)的縱向加速度響應(yīng)狀況。

對(duì)列車進(jìn)行加裝和未加裝減振器的車體縱向振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試，未加裝減振器測(cè)試結(jié)果是車體縱向振動(dòng)情況在72Hz時(shí)達(dá)到最大值，最大值數(shù)值為0.16。加裝減振器的測(cè)試結(jié)果是車體縱向振動(dòng)情況在72Hz時(shí)達(dá)到最大值，最大值數(shù)值為0.32。并且在60-80Hz的區(qū)間內(nèi)的縱向振動(dòng)情況基本相似，但加裝減振器的情況其數(shù)值較大。加裝減振器可以緩解9.5Hz的局部極值狀況。

4.4 第三區(qū)間段的數(shù)值分析

在第三區(qū)間段的列車進(jìn)行加裝和未加裝減振器的軸箱縱向加速度情況進(jìn)行測(cè)試，未加裝減振器測(cè)試結(jié)果是軸箱縱向振動(dòng)加速度在76Hz和19Hz時(shí)達(dá)到最大值，其最大值數(shù)值為5.9。次極值出現(xiàn)在59.5Hz，數(shù)值為4.6。加裝減振器的測(cè)試結(jié)果是縱軸箱向振動(dòng)加速度在在76Hz和19Hz位置的響應(yīng)情況明顯降低，數(shù)值基本在3.0左右，較4.6明顯降低。另外，對(duì)于59.5Hz處的次極值也明顯降低。但在110Hz-125Hz區(qū)間內(nèi)的縱向加速度情況增強(qiáng)。

對(duì)列車進(jìn)行加裝和未加裝減振器的車體縱向振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試，未加裝減振器測(cè)試結(jié)果是車體縱向振動(dòng)情況在86Hz時(shí)達(dá)到最大值，最大值數(shù)值為0.774，次極值在45Hz處，數(shù)值為0.426Hz,另外在15.5Hz處的數(shù)值也較大，具體數(shù)值為0.271。加裝減振器的測(cè)試結(jié)果是車體縱向振動(dòng)情況在72Hz時(shí)達(dá)到最大值，最大值數(shù)值為0.612，次極值在31.75Hz處，數(shù)值為0.156Hz,另外在20.5Hz處的數(shù)值也較大，具體數(shù)值為0.136。可以看出加裝減振器后的縱向振動(dòng)稍微降低。

4.5 綜合分析

通過(guò)對(duì)以上三個(gè)區(qū)域的縱向振動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值分析，可以發(fā)現(xiàn)在未加裝縱向減振器前軸箱的縱向振動(dòng)成分主要由17-19Hz和55-90Hz范圍的振動(dòng)組成。加裝縱向減震器后17-19Hz區(qū)間的振動(dòng)情況得到抑制。第一區(qū)間、第二區(qū)間在該頻率附近的振動(dòng)基本消除，第三區(qū)間在該頻率附近的振動(dòng)也得到明顯抑制。輪對(duì)的固有振動(dòng)頻率在82Hz左右，由于輪對(duì)上附加傳動(dòng)齒輪的作用，會(huì)對(duì)其固有振動(dòng)頻率稍微降低，基本維持在75-80Hz。在此區(qū)間內(nèi)極容易發(fā)生共振現(xiàn)象，引起接觸斑縱向蠕滑力與蠕滑率周期性的變化，造成較為嚴(yán)重的踏面損傷。

4.6 減少車輪踏面損傷的對(duì)策

（1）嚴(yán)把車輪材質(zhì)關(guān)

在車輪檢修中發(fā)現(xiàn),有相當(dāng)數(shù)量的車輪踏面損傷是由材質(zhì)引起的,如車輪踏面圓周磨耗,只有當(dāng)車輪與鋼軌的硬度比在1左右,車輪與鋼軌的磨損量才保持平衡。因此,在車輪選材及材質(zhì)處理時(shí),一定要嚴(yán)格掌握好材質(zhì)的硬度,使車輪與鋼軌的硬度比保持在接近1的最合理的狀態(tài)。另外,更應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行加工工藝,避免材質(zhì)有夾渣、氣孔等缺陷,減少由此引起的車輪裂損剝離。

（2）對(duì)列車制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行檢查

我段列檢反映的情況表明,因制動(dòng)操作不當(dāng),制動(dòng)系統(tǒng)故障導(dǎo)致的車輪擦傷故障率高達(dá)90%,且后果最為嚴(yán)重。因此,要對(duì)以下故障進(jìn)行重點(diǎn)檢查，只有列檢部門對(duì)故障進(jìn)行認(rèn)真檢查,才可防止車輛抱死閘,消除事故隱患,保證行車安全。

（3）優(yōu)化機(jī)車車輛運(yùn)行品質(zhì)

機(jī)車車輛運(yùn)行品質(zhì)的好壞,直接影響著車輪踏面的損傷程度,尤其是在高速運(yùn)行條件下,速度越高,動(dòng)載荷越大,車輪踏面的損傷就越嚴(yán)重。因此,從優(yōu)化機(jī)車車輛運(yùn)行品質(zhì)入手,減少輪軌動(dòng)作用力,從而降低車輪踏面損傷。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)改路線段的輪軌踏面損傷的分析，可以發(fā)現(xiàn)其主要的原因有機(jī)車的粘著利用較高；通過(guò)對(duì)幾個(gè)不同區(qū)間的數(shù)值分析，輪對(duì)在55-90Hz區(qū)間的縱向振動(dòng)較其他頻率區(qū)間的響應(yīng)狀態(tài)強(qiáng)。而對(duì)輪對(duì)的模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，輪對(duì)的固有振動(dòng)頻率在82Hz左右，由于輪對(duì)上附加傳動(dòng)齒輪的作用，會(huì)對(duì)其固有振動(dòng)頻率稍微降低，基本維持在75-80Hz。機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中的自激頻率與此區(qū)間的頻率類似，極容易發(fā)生共振，引起輪對(duì)踏面磨損加劇。采用一系懸掛縱向減振器后得到一定程度抑制。由于兩次試驗(yàn)中，機(jī)車的粘著利用并不一致，加裝縱向減振器試驗(yàn)中機(jī)車的粘著利用比不加裝減振器的工況得到改善，因此對(duì)加裝減振器后車輛縱向振動(dòng)得到改善。

就本次試驗(yàn)結(jié)果而言，機(jī)車輪對(duì)的扭振可能是造成車輪多邊形化的一個(gè)主要因素，盡管車輪多邊形化非常嚴(yán)重，但并不產(chǎn)生剝離；而在運(yùn)行過(guò)程中輪對(duì)產(chǎn)生15-20Hz的縱向振動(dòng)時(shí)，剝離將代替多邊形化成為主要的踏面損傷。

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