大秦線C80BF型運(yùn)煤專(zhuān)用敞車(chē)輪瓦及輪軌關(guān)系試驗(yàn)研究

張顯鋒 ， 鄧小劍 ， 李亨利， 鄧　濤， ?！◇?/p>

(1　南車(chē)眉山車(chē)輛有限公司， 四川眉山 620032；2　西南交通大學(xué)　機(jī)械工程學(xué)院， 四川成都 610031)

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大秦線C80BF型運(yùn)煤專(zhuān)用敞車(chē)輪瓦及輪軌關(guān)系試驗(yàn)研究

張顯鋒1,2， 鄧小劍1， 李亨利1,2， 鄧濤1， 祝笈1

(1南車(chē)眉山車(chē)輛有限公司， 四川眉山 620032；2西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 四川成都 610031)

通過(guò)在大秦線的線路試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)C80BF型運(yùn)煤專(zhuān)用敞車(chē)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中車(chē)輪踏面、閘瓦接觸面溫度，得出車(chē)輪踏面與閘瓦接觸面作用對(duì)輪瓦溫度及閘瓦性能的影響，以及車(chē)輪磨耗與溫度的關(guān)系。本文旨在研究分析副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架在正常運(yùn)行、制動(dòng)和緩解時(shí)，輪軌、輪瓦作用形態(tài)，研究輪徑差大小對(duì)踏面磨耗的影響。

車(chē)輪； 踏面； 閘瓦； 溫度； 副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架； 磨耗

試驗(yàn)內(nèi)容：采用測(cè)溫傳感器監(jiān)測(cè)C80BF型敞車(chē)在列車(chē)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中車(chē)輪踏面、閘瓦溫度變化；采用高清攝像機(jī)視頻監(jiān)測(cè)C80BF型敞車(chē)在列車(chē)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的輪軌、輪瓦運(yùn)動(dòng)形態(tài)；了解車(chē)輪踏面磨損情況。

本次C80BF試驗(yàn)監(jiān)測(cè)車(chē)為2輛，編組在105輛試驗(yàn)車(chē)組中，分別位于機(jī)車(chē)后第49、50位，49位車(chē)為1號(hào)試驗(yàn)車(chē)，50位車(chē)為2號(hào)試驗(yàn)車(chē)。1號(hào)車(chē)配置：1位轉(zhuǎn)向架換裝同一輪對(duì)左、右車(chē)輪直徑差為6 mm的輪對(duì)，小輪徑車(chē)輪裝在車(chē)輛2、4位，2位轉(zhuǎn)向架換裝新輪對(duì)。2號(hào)車(chē)配置：2位轉(zhuǎn)向架裝用同一輪對(duì)左、右車(chē)輪直徑差為8 mm的輪對(duì)，小輪徑車(chē)輪裝在車(chē)輛5、7位，1位轉(zhuǎn)向架換裝新輪對(duì)。

試驗(yàn)研究方法：兩試驗(yàn)車(chē)轉(zhuǎn)向架各輪位安裝一套溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括踏面和閘瓦的溫度監(jiān)測(cè)；各個(gè)輪位分別安裝視頻監(jiān)測(cè)攝像機(jī)，其中，1號(hào)車(chē)監(jiān)測(cè)輪瓦，2號(hào)車(chē)監(jiān)測(cè)輪軌；試驗(yàn)采用Miniprof測(cè)量?jī)x測(cè)量試驗(yàn)前后車(chē)輪踏面的外形。

溫度監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)后，及時(shí)與機(jī)車(chē)時(shí)間校對(duì)，保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)間與機(jī)車(chē)時(shí)間誤差不大于1 s。試驗(yàn)結(jié)束后，提取列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中運(yùn)行時(shí)間、速度、位置、機(jī)車(chē)操縱記錄、線路狀態(tài)(直線、曲線及曲線超高等)。

1　車(chē)輛運(yùn)行時(shí)車(chē)輪及閘瓦溫度與制動(dòng)的關(guān)系

重車(chē)行車(chē)方向，提取車(chē)輛開(kāi)行公里標(biāo)區(qū)間為25～170 km。其中，63.3 km +1.85 km為-12‰的下坡，137.46 km開(kāi)始為連續(xù)下坡，最大坡度達(dá)到-11‰。

圖1所示為機(jī)車(chē)提取制動(dòng)管壓變化情況，圖2所示為25～170 km運(yùn)行速度變化情況，圖3所示為1號(hào)車(chē)踏面溫度和閘瓦溫度情況。

圖1　制動(dòng)管壓變化

圖2　運(yùn)行速度

通過(guò)分析圖1～圖3所示結(jié)果，可以得出，在車(chē)輛行駛過(guò)程中，速度的變化如圖2與路況等有關(guān)，比如機(jī)車(chē)牽引、車(chē)輛上下坡和信號(hào)限速等。在車(chē)輛行駛過(guò)程中，同一輛車(chē)各輪位踏面的溫差很小，只有在制動(dòng)過(guò)程中，踏面的溫度急劇上升，最大溫度可以達(dá)到400℃。在車(chē)輛運(yùn)行至60～70 km處，制動(dòng)管壓力下降1次如圖1，對(duì)應(yīng)此處踏面溫度上升1次如圖3(a)；車(chē)輛運(yùn)行至140～170 km區(qū)間時(shí)，制動(dòng)管壓力下降3次如圖1，對(duì)應(yīng)踏面溫度上升3次如圖3(a)。由此可以得出，踏面的溫度主要受制動(dòng)過(guò)程的影響，在車(chē)輛正常行駛過(guò)程中，輪徑差、曲線線路等因素對(duì)踏面的溫度影響較小。

圖3　車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中踏面和閘瓦溫度 (1號(hào)車(chē))

在車(chē)輛正常行駛過(guò)程中，不同輪位的閘瓦溫度已出現(xiàn)溫差如圖3(b)，當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，閘瓦的溫度也會(huì)出現(xiàn)溫度的波峰，最大溫度達(dá)到160℃。圖3(b)所示，在車(chē)輛正常行駛過(guò)程中，沒(méi)有制動(dòng)的作用時(shí)， 2、4位輪位的閘瓦溫度大于其他輪位的閘瓦溫度；在車(chē)輛未實(shí)施制動(dòng)時(shí)(公里標(biāo)區(qū)間為80～140 km)， 2、4位輪閘瓦溫度略微高于其他輪位閘瓦的溫度。

分析其原因，在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，為保證同一條輪對(duì)上有輪徑差輪對(duì)保持一致的滾動(dòng)線速度，小輪輪緣貼靠著鋼軌滾動(dòng)，由于輪緣與鋼軌的摩擦作用，致使小輪踏面的溫度略高于其他位輪的踏面溫度；有輪徑差的輪對(duì)將相對(duì)于無(wú)輪徑差的輪對(duì)有橫移，此時(shí)，小輪的閘瓦有可能貼靠在輪緣上，最終導(dǎo)致與小輪配合的閘瓦溫度略高于其他位的閘瓦溫度。1號(hào)車(chē)中2、4位輪為小輪，車(chē)輛在行駛過(guò)程中造成輪對(duì)橫移，小輪閘瓦貼靠輪緣導(dǎo)致溫度偏高。根據(jù)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控畫(huà)面圖4可以看出，2位輪閘瓦較1位輪閘瓦更貼近輪緣，也進(jìn)一步驗(yàn)證輪徑差是小輪閘瓦溫度升高的主要原因。

圖4　輪瓦位置

2　車(chē)輛在無(wú)制動(dòng)時(shí)車(chē)輪及閘瓦的溫度情況

選取車(chē)輛行駛里程區(qū)間為32.126～37.033 km，其中，27.8 km +4.75 km為4‰的上坡， 32.55 km +0.5 km為0坡度，33.05 km +0.6 km為2‰的上坡，33.65 km +0.6 km為4‰的上坡，34.25 km +1.55 km為3‰的上坡，35.8 km +0.75 km為0坡度，36.55 km +0.75 km為4‰的上坡。32.592 km +0.974 69 km為半徑8 000 m的曲線，超高80 mm；34.277 km +0.689 13 km為半徑800 m的曲線，超高80 mm；35.371 km +0.714 89 km為半徑1 000 m的曲線，超高70 mm。34.25 km +1.55 km為3‰的上坡，34.277～34.966 13 km為半徑800 m的曲線，超高80 mm，當(dāng)車(chē)輛通過(guò)時(shí)，34.277～34.966 13 km區(qū)間為既為上坡，又處在半徑為800的曲線上。而第1輛試驗(yàn)車(chē)駛?cè)氚霃綖?00的曲線時(shí)，機(jī)車(chē)的位置為34.277+0.032 5+48×0.012=34.885 5(km)；第2輛試驗(yàn)車(chē)駛出半徑為800 m的曲線時(shí)，機(jī)車(chē)的位置為34.966 13+0.032 5+50×0.012=35.598 63(km)。其中，0.032 5 km為機(jī)車(chē)的長(zhǎng)度，0.012 km為1輛車(chē)的長(zhǎng)度。

圖5為此運(yùn)行區(qū)間踏面溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，圖5(a)所示結(jié)果表明，1號(hào)車(chē)2、4位輪的踏面溫度明顯高于其他位輪的踏面溫度；而圖5(b) 所示結(jié)果表明，2號(hào)車(chē)的5、7位輪的踏面溫度高于其他位輪的溫度。根據(jù)圖6視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面可以看出，具有輪徑差的同一輪對(duì)，在直線或大半徑曲線上正常行駛時(shí)，小輪的輪緣已經(jīng)貼靠在鋼軌內(nèi)側(cè)如圖6(a)，而大輪輪緣離鋼軌較遠(yuǎn)如圖6(b)，這是因?yàn)榫哂休啅讲畹耐惠唽?duì)為了保持相同的滾動(dòng)速度造成的。由于輪緣貼靠鋼軌，致使輪緣與鋼軌內(nèi)側(cè)形成摩擦磨損的過(guò)程，因而產(chǎn)生摩擦熱，這可能是造成小輪的溫度大于大輪溫度的原因。

對(duì)比分析圖5中(a)與(b)的結(jié)果，1號(hào)車(chē)中2、4位輪的踏面溫度為23～24℃，2號(hào)車(chē)中5、7位輪的踏面溫度為19～23℃，而在試驗(yàn)配置中，1號(hào)車(chē)中2、4位輪與同軸車(chē)輪的輪徑差為6 mm，2號(hào)車(chē)中5、7位輪與同軸車(chē)輪的輪徑差為8 mm，試驗(yàn)結(jié)果表明小輪徑差的踏面溫度反而大于大輪徑差的踏面溫度，這有可能是其他因素所導(dǎo)致，比如太陽(yáng)照射方位或當(dāng)時(shí)的風(fēng)向等，因?yàn)?號(hào)車(chē)的2、4位處于車(chē)輛行駛方向的左邊，而2號(hào)車(chē)的5、7位輪處于車(chē)輛行駛方向的右邊。

沒(méi)有輪徑差的輪對(duì)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，各輪位車(chē)輪的踏面溫度都集中在17℃～20℃溫度區(qū)間。分別對(duì)比1號(hào)車(chē)2、4和2號(hào)車(chē)5、7位輪的踏面溫度，可以發(fā)現(xiàn)1號(hào)車(chē)的2位輪踏面略高于4位輪的踏面溫度，同樣，2號(hào)車(chē)的5位輪踏面溫度略大于7位輪的踏面溫度，這可能是由于1號(hào)車(chē)的2位輪和2號(hào)車(chē)的5位輪為轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向輪的原因。1號(hào)車(chē)的5位輪踏面溫度略大于7位輪的踏面溫度，1號(hào)車(chē)的6位輪踏面溫度大于8位輪的踏面溫度如圖5(a)。2號(hào)車(chē)中，2位輪的踏面溫度大于4位輪的踏面溫度，也可能是由于2位輪為導(dǎo)向輪的緣故如圖5(b)。

圖5　踏面溫度

圖6　輪軌位置

圖7為此區(qū)間閘瓦溫度的監(jiān)測(cè)結(jié)果，圖7(a)所示結(jié)果表明，1號(hào)車(chē)2、4位輪的閘瓦溫度明顯高于其他位輪的閘瓦溫度；圖7(b)所示的結(jié)果表明，在有輪徑差的轉(zhuǎn)向架上，5、7位輪的閘瓦溫度大于其他位輪的閘瓦溫度。進(jìn)一步驗(yàn)證了輪徑差造成同一輪對(duì)兩側(cè)閘瓦溫度的差異，進(jìn)而可能導(dǎo)致閘瓦偏磨。

3　車(chē)輛在下坡制動(dòng)時(shí)車(chē)輪及閘瓦的溫度情況

根據(jù)提取的機(jī)車(chē)行駛記錄，車(chē)輛初始制動(dòng)時(shí)機(jī)車(chē)的公里標(biāo)為64.555 km，制動(dòng)結(jié)束時(shí)為67.455 km，制動(dòng)時(shí)1號(hào)車(chē)位置：64.555-0.032 5-48×0.012=63.945 5(km)，制動(dòng)結(jié)束時(shí)，1號(hào)車(chē)的位置：67.455-0.032 5-48×0.012=66.846 5(km)。

圖7　閘瓦溫度

圖8所示為此區(qū)間踏面溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，從圖中可以看出，在車(chē)輛正常行駛未制動(dòng)時(shí)，踏面的溫度處于較低水平，當(dāng)車(chē)輛實(shí)施制動(dòng)后，踏面溫度急劇上升，最高溫度達(dá)到350℃。

圖8　踏面溫度

在此運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，在持續(xù)制動(dòng)過(guò)程中，對(duì)于有輪徑差的轉(zhuǎn)向架，1號(hào)車(chē)1位輪踏面溫度大于2位輪踏面溫度，3位輪踏面溫度大于4位輪踏面溫度圖8(a)，同一輪對(duì)上兩側(cè)車(chē)輪踏面最大溫差高達(dá)250℃(1、4位輪)；2號(hào)車(chē)6位輪踏面溫度大于5位輪踏面溫度，8位輪踏面溫度小于7位輪踏面溫度，5、8輪位踏面溫度相近且都小于6、7輪位如圖8(b)。而無(wú)輪徑差的輪對(duì)中，1號(hào)車(chē)5、6位輪踏面溫度相近，1號(hào)車(chē)7、8位輪踏面溫度相近。在制動(dòng)過(guò)程中，輪徑差的大小對(duì)兩側(cè)踏面溫度有一定影響。

圖9所示為此區(qū)間閘瓦溫度的監(jiān)測(cè)結(jié)果，1號(hào)試驗(yàn)車(chē)在正常行駛即未制動(dòng)時(shí)，2、4位輪的閘瓦溫度明顯高于其他位輪的閘瓦溫度如圖9(a)，導(dǎo)向輪(1、5、6)的閘瓦溫度也略高于從動(dòng)輪(3、7、8)的閘瓦溫度；當(dāng)車(chē)輛實(shí)施制動(dòng)后，最大溫度達(dá)到50℃，各位輪的閘瓦溫度表現(xiàn)出很大的差異，這可能跟各輪位閘瓦與踏面的貼合情況有關(guān)。2號(hào)車(chē)試驗(yàn)車(chē)在正常行駛未制動(dòng)時(shí)，閘瓦溫度都處于較低水平，各輪位的閘瓦溫度差異較小(圖9(b))；當(dāng)實(shí)施制動(dòng)后，各輪位閘瓦溫度都有所上升，最大溫度達(dá)到60℃。

在制動(dòng)過(guò)程中，閘瓦的溫度主要是由閘瓦與踏面的摩擦生熱產(chǎn)生的，當(dāng)同一條輪對(duì)一側(cè)輪位閘瓦溫度較大，另一側(cè)的輪位閘瓦溫度可能較低，其結(jié)果可能造成閘瓦偏磨。

圖9　閘瓦溫度

4　試驗(yàn)前后踏面磨損情況

圖10所示為輪徑差6 mm的車(chē)輪試驗(yàn)前后踏面的測(cè)試結(jié)果。 從圖中所示的結(jié)果可以看出，1位車(chē)輪(大輪)試驗(yàn)前后踏面的磨損輕微圖10(a)，且磨損集中在踏面滾動(dòng)圓區(qū)域；2位車(chē)輪(小輪)試驗(yàn)前后磨損較為嚴(yán)重如圖10(b)，磨損區(qū)域在輪緣。

分別對(duì)大輪和小輪試驗(yàn)前后踏面和輪緣的垂向方向變化量進(jìn)行對(duì)比和分析，以表征踏面的磨耗量，其結(jié)果如圖11所示，磨損量較大的區(qū)域出現(xiàn)在離車(chē)輪背面20～40 mm之間，峰值出現(xiàn)在約31 mm處。測(cè)試結(jié)果表明，大輪輪緣有輕微的磨損，而小輪輪緣磨損較為嚴(yán)重，這個(gè)與運(yùn)行過(guò)程中踏面的溫度、閘瓦作用位置和輪軌位置監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合；另外一方面，大輪踏面滾動(dòng)圓區(qū)域的磨損量較小輪略大，因?yàn)樵谡麄€(gè)運(yùn)行過(guò)程中，大輪的滾動(dòng)接觸區(qū)域主要在遠(yuǎn)離輪緣的踏面區(qū)域。

輪徑差為8 mm的輪對(duì)配置在2號(hào)試驗(yàn)車(chē)上，其試驗(yàn)前后車(chē)輪踏面的檢測(cè)結(jié)果如圖12所示。根據(jù)圖中所示的結(jié)果，5位車(chē)輪(小輪)磨損嚴(yán)重的區(qū)域出現(xiàn)在輪緣(圖12(a))；而6位輪的磨損輕微(圖12(b))，在遠(yuǎn)離輪緣的踏面滾動(dòng)圓區(qū)域有磨損。

分別對(duì)大、小輪試驗(yàn)前后徑向方向變化進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖13所示。試驗(yàn)前后變化量較大的區(qū)域也出現(xiàn)在離車(chē)輪背部20～40 mm的區(qū)域，小輪的變化量大于大輪的變化量，表明小輪的輪緣磨損較為嚴(yán)重，最大值達(dá)到7 mm。而大輪的踏面滾動(dòng)圓區(qū)域的磨損量也略大于小輪此區(qū)域的磨損量。

圖10　輪徑差為6 mm的車(chē)輪試驗(yàn)前后踏面對(duì)比

圖11　1號(hào)車(chē)輪徑差為6 mm大小輪徑向變化量

圖12　輪徑差為8 mm的車(chē)輪試驗(yàn)前后踏面對(duì)比

圖13　輪徑差為8 mm的大小輪徑向變化量

通過(guò)以上的結(jié)果，可以對(duì)比得到，輪徑差6 mm的小輪最大徑向變化量為5 mm，輪徑差6 mm的大輪徑向變化量為1 mm；輪徑差8 mm的小輪最大徑向變化量為7 mm，輪徑差8 mm的大輪最大徑向變化量為1 mm。因此，輪徑差增大，小輪的磨損將加劇，而對(duì)大輪的磨損影響較小。

5　結(jié)論和建議

通過(guò)該試驗(yàn)的研究和分析形成如下結(jié)論：

(1) 在車(chē)輛正常行駛過(guò)程中(包括曲線和直線等)，輪徑差對(duì)同一輪對(duì)兩車(chē)輪的踏面溫差有一定的影響，即小輪踏面溫度與大輪踏面溫度有一定差異，導(dǎo)向輪踏面溫度大于從動(dòng)輪踏面溫度。輪徑差對(duì)兩側(cè)車(chē)輪的閘瓦有一定的影響，最大溫差可達(dá)到10℃，有可能造成閘瓦與車(chē)輪虛抱或者閘瓦偏磨。

(2) 在制動(dòng)過(guò)程中，有輪徑差的轉(zhuǎn)向架各輪位踏面溫度與閘瓦貼合狀況和制動(dòng)梁施加作用力的狀況有關(guān)。輪徑差致使大小輪踏面和閘瓦溫度在制動(dòng)過(guò)程中呈現(xiàn)一定的差異。

(3) 具有輪徑差的同一輪對(duì)，小輪的輪緣磨耗大于大輪輪緣的磨耗，輪徑差越大，磨耗越大。而大輪的磨損主要在踏面的滾動(dòng)圓接觸區(qū)。

為保障車(chē)輛良好的運(yùn)用狀態(tài)，保證行車(chē)安全，建議：

(1) 在車(chē)輛新造過(guò)程中，嚴(yán)格控制同一輪對(duì)輪徑差不大于1 mm的技術(shù)要求，必要時(shí)可加嚴(yán)控制至不大于0.5 mm。

(2) 由于輪徑差在運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)不易檢查，需加強(qiáng)輪徑差與輪緣磨耗關(guān)系規(guī)律的研究，使現(xiàn)場(chǎng)列檢人員通過(guò)對(duì)輪緣厚度的把控，來(lái)間接控制輪徑差過(guò)大造成車(chē)輛狀態(tài)惡化。

(3) 加強(qiáng)基礎(chǔ)制動(dòng)組裝的準(zhǔn)確性和提高閘瓦質(zhì)量，避免各車(chē)輪的制動(dòng)力不均及閘瓦對(duì)車(chē)輪的偏磨。

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Experimental Study on Relations Between Wheel-brake-shoe and Wheel-rail used in Daqin Line C80BFCoal-train

ZHANGXianfeng1,2，DENGXiaojian1，LIHengli1,2，DENGTao1,ZHUJi1

(1CSR Meishan Rolling Stock Co., Ltd., Meishan 620032 Sichuan, China;2School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan, China

Through in Daqin line experiment, monitoring C80BFtype special purpose coal open top wagon wheel tread in the process of actual operation, the brake shoe contact surface temperature, it is concluded that the effect of the contact surface of wheel tread and brake shoe on wheel temperature and the influence of the brake shoe, as well as the relationship between the wheel wear and temperature. Vice framed the purpose of this paper is to study the radial bogie, braking and release in normal operation, the wheel/rail and wheel function form, and the wheel radius size effect on the wheel tread wear.

wheel； tread； brake shoe； temperature； sub-frame type steering bogie； wear

1008-7842 (2016) 03-0061-06

??)男，高級(jí)工程師(

2015-11-28)

U272.6+2

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.13