SS4型電力機車輪緣磨耗問題分析及措施研究

賀文文

（中鐵十六局集團鐵運工程有限公司，河北高碑店 074000）

0 引言

輪對作為列車不可或缺的組成部分，在機車的運行當(dāng)中有著承重與保持行駛安全平穩(wěn)的關(guān)鍵功能，其質(zhì)量好壞直接關(guān)系到列車運行的穩(wěn)定性和乘坐的舒適性。從現(xiàn)場運用數(shù)據(jù)來看，大功率電力機車車輪損傷形式主要有踏面擦傷、剝離、輪緣磨耗及車輪多邊形等，而尤以輪緣異常磨耗對輪對的使用壽命影響最大。因此，對車輪的輪緣磨耗問題進(jìn)行研究，不僅有利于提高機車運行的安全性和穩(wěn)定性，而且可以極大地降低檢修成本，具有重要的工程意義和經(jīng)濟價值。然而在機車的運行過程當(dāng)中，一些因素會導(dǎo)致機車輪緣的過度磨耗，輪緣的過度異常磨耗會改變輪對與軌道之間的平衡與穩(wěn)定，影響機車的行駛穩(wěn)定性與平順性，當(dāng)機車輪軌磨耗過大則會導(dǎo)致輪緣過小，輕則縮短鏇修周期，重則機車脫軌、顛覆，車毀人亡。機車輪緣磨耗嚴(yán)重影響著輪對工作壽命、車輛的行駛效率和行駛過程中的安全[1-3]。

世界各國都非常重視輪軌關(guān)系方面的研究工作。最早的磨耗模型是在1953年由Achard[4]提出的，其指出磨耗量與接觸物體的材質(zhì)以及接觸兩物體的滑動距離有關(guān)。Fries等[5]在Achard模型的基礎(chǔ)上，通過建立車輛軌道耦合動力學(xué)模型，對車輪磨耗進(jìn)行了動力學(xué)分析，并通過仿真完成輪對磨耗預(yù)測。Zobory等[6]對車輪和鋼軌的磨損過程做了更加深入的研究，他們對車體、轉(zhuǎn)向架、輪對進(jìn)行了剛體化處理，將軌道簡單離散為集中質(zhì)量塊，采用Hertz和FASTSIM計算輪軌的接觸力，同時引入了軌道不平順函數(shù)，他們認(rèn)為質(zhì)量密度與接觸斑上的能量消耗成正比，可以通過消耗的質(zhì)量密度來表征磨耗量的大小。Krause等[7]通過對大量的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)磨耗模型的磨耗系數(shù)與摩擦系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)和物體表面接觸溫度有很大的相關(guān)性。Braghin等[8]運用多體動力學(xué)理論建立了仿真模型來對車輪的磨耗進(jìn)行計算，通過對輪軌蠕滑率的計算程序進(jìn)行簡化處理得到了輪軌之間的接觸參數(shù)，并對車輪的磨耗情況進(jìn)行了預(yù)測。Telliskivi[9]采用Archard磨損模型對輪軌型面的演變過程實現(xiàn)了定性的分析預(yù)測。Montenegro[10]對車輪和軌道的幾何特性做了細(xì)致的分析，并通過有限元的方法對輪對運動方程進(jìn)行了完善。Jendel等[11]建立了車輪磨耗預(yù)測模型，并將該模型應(yīng)用于斯德哥爾摩通勤路網(wǎng)某運營車輛，利用模擬仿真的方法對車輪磨耗進(jìn)行預(yù)測。Li和Kalker等[12-13]通過對輪軌接觸的計算方法進(jìn)行改進(jìn)，基于CONTACT計算方法，提出了non-Hertz接觸、共形接觸算法，將磨耗計算模型定義為磨耗體積與摩擦功成正比。

針對車輪的磨耗問題，國內(nèi)的許多學(xué)者做了大量的研究工作，鄭箭鋒[14]通過分析SS3B、HXD3C與HXD1C型電力機車的輪緣磨耗情況，提出了沖角、導(dǎo)向力是導(dǎo)致輪緣磨耗的主要因素，并給出了減緩輪緣磨耗的措施；朱世剛[15]針對SS3型電力機車提出采用TAX箱的擴展插件功能，在彎道加量預(yù)噴脂技術(shù)實現(xiàn)直線少潤滑，彎道外側(cè)集中潤滑，有效解決了因牽引噸位增加而導(dǎo)致的機車輪緣磨耗過快問題；沙永龍[16]以HXD2C型電力機車為研究對象，基于機車及運行線路的實際參數(shù)，運用多體動力學(xué)仿真軟件UM，建立了機車動力學(xué)模型對輪緣磨耗問題進(jìn)行了研究。

本論文在充分調(diào)研SS4型電力機車輪緣磨耗情況的基礎(chǔ)上，對車輪異常磨耗因素進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并通過對不同的輪緣磨耗原因采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，最終使機車的平均輪緣磨耗顯著降低。

1 影響因素調(diào)查與分析

經(jīng)整理統(tǒng)計前3年的SS4型電力機車輪緣磨損數(shù)據(jù)，可知輪緣磨耗=（上次輪緣厚度-本次輪緣厚度）÷機車該時段走行公里（輪緣差取最大值），得到前3年SS4 型電力機車平均輪緣萬公里磨耗分別為0.45、0.43、0.48 mm/萬km，因機務(wù)段要求，SS4型電力機車輪緣萬公里磨耗須低于0.4 mm?，F(xiàn)隨機對50臺SS4型電力機車輪緣磨損情況進(jìn)行檢測和統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。

表1 SS4型電力機車輪緣磨損情況

從表1中計算出50臺車輪緣平均萬公里磨耗為0.47 mm，可發(fā)現(xiàn)輪緣異常磨耗是造成輪緣萬公里磨耗過大的主要原因，因此只要解決輪緣異常磨耗，即可降低輪緣萬公里磨耗。

1.1 輪緣異常磨耗因素調(diào)查統(tǒng)計

我們對造成機車輪緣異常磨耗的因素逐項進(jìn)行了調(diào)查、分析，通過查看機車電制動給流等方式進(jìn)行要因確定[17]，經(jīng)整理輪緣異常磨耗的主要因素如圖1所示。

圖1 輪緣異常磨耗的主要因素

由圖1可知，輪緣的異常磨耗受到人員、機械、材料及環(huán)境等因素的影響，具體主要包括在機車下坡道時盲目使用單臺機車電制動給流，電制動給流未采用雙機配合、輪噴未能及時補油、輪噴控制盒故障、輪噴風(fēng)管老化、噴嘴堵塞，以及存在沖角或者一側(cè)輪緣偏磨等因素，從而造成了輪緣的異常磨耗。

1.2 輪緣異常磨耗因素數(shù)據(jù)分析

經(jīng)對上述輪緣異常磨耗的各主要因素進(jìn)行分析檢查，其具體情況如表2所示。

表2 輪緣異常磨耗的各主要因素分析統(tǒng)計

從表2中可以看出，由于司機操縱不當(dāng)在下坡道電制動給流未采用雙機配合，盲目單臺機車電制動給流，造成輪緣異常磨耗的情況占76%；對補油作業(yè)進(jìn)行檢查，作業(yè)人員均能執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，及時補油，作業(yè)人員均能按規(guī)定進(jìn)行作業(yè)，及時補油率為100%，因此未能及時補油不是主要原因；檢查了50臺車384個輪噴噴嘴位置情況，噴嘴位置正確率可達(dá)91.67%，經(jīng)過現(xiàn)場修復(fù)后，噴嘴位置100%正確，因此噴嘴位置不對不是主要原因；從調(diào)查表可看出，輪噴控制盒故障率有12.5%，經(jīng)過現(xiàn)場修復(fù)后，輪噴控制盒工作狀態(tài)100%良好，因此輪噴控制盒故障不是主要原因；在整備場調(diào)查了50臺車400個風(fēng)管老化情況，根據(jù)表2可知風(fēng)管老化率為6.25%，更換后更是100%良好狀態(tài)，因此輪噴風(fēng)管老化漏風(fēng)不是主要原因；對50臺車400個輪噴噴嘴進(jìn)行檢查，從表2可看出，輪噴噴嘴堵塞數(shù)量占總數(shù)的12.5%，雖噴嘴堵塞的比例不高，但經(jīng)過一周的反復(fù)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)輪噴噴嘴易反復(fù)堵塞；通過查看50臺機車的輪軌關(guān)系，并檢測是否存在沖角或者偏磨一側(cè)輪緣，經(jīng)檢測42%的機車存在異常輪軌關(guān)系，經(jīng)后期檢查機車的鏇修周期和鏇修后的數(shù)據(jù)，未及時鏇修或鏇修后不符合標(biāo)準(zhǔn)的機車只有1臺，所以未及時鏇輪不是造成異常輪軌關(guān)系的主要原因，但異常輪軌關(guān)系導(dǎo)致了輪緣的異常磨耗。

2 改進(jìn)措施與效果

2.1 改進(jìn)措施

通過對SS4型電力機車輪異常磨耗因素的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可知，下坡道時過度使用電制動以及異常輪軌關(guān)系是造成輪緣異常磨耗的主要原因。

對于過度使用電制動來說，由于司機未采用雙機配合，盲目單臺機車電制動給流，造成輪緣異常磨耗而導(dǎo)致的電力機車輪緣磨耗問題，應(yīng)闡述電制動操作不當(dāng)加速輪緣磨耗的危害整體，并組織乘務(wù)員學(xué)習(xí)下坡道時電制動操縱辦法，提升乘務(wù)員操縱水平，加強電制動時雙機配合，以及建立相關(guān)自動控制調(diào)控系統(tǒng)，使機車在制動時可根據(jù)實際情況進(jìn)行自動的雙機配合，實現(xiàn)其制動最優(yōu)化。

對于輪軌關(guān)系的異常情況，在車輛行駛時，電動機生成的動力經(jīng)輪對輸送到行駛軌道上，車輛的全部承重也都是經(jīng)輪對傳送到運行軌道上，機車在行駛當(dāng)中，經(jīng)過軌道連接處、分道路口、彎道和不平整道路時，輪對會對其生成不同方向的作用力，這些不同作用力會造成不同軸輪緣磨耗不均、同軸輪緣偏磨、同臺架同側(cè)偏磨、同臺架異側(cè)偏磨和前后轉(zhuǎn)向架對角偏磨[18-19]。經(jīng)過分析可知，不同軸輪緣磨耗不均主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)向架中間軸輪緣磨耗量大于端軸，所以針對異常輪軌關(guān)系采取的措施，一種是針對輪對偏向鋼軌一側(cè)，我們可使用在軸箱止檔處加調(diào)整墊的方式解決；另一種是針對機車輪緣與鋼軌之間存在沖角的情況，我們可以通過采用壓輪徑及軸箱拉桿加調(diào)整墊的方式解決。通過大量的實踐驗證及數(shù)據(jù)分析證明，在軸箱止檔處加調(diào)整墊、實施壓輪徑和軸箱拉桿加調(diào)整墊的方式減緩輪緣偏磨取得很好的效果。

除此之外，針對輪噴噴嘴易反復(fù)堵塞等其它問題，應(yīng)加強疏通輪噴噴嘴工作，且可以使用新材料并構(gòu)造新型輪噴噴嘴結(jié)構(gòu)，增加輪軌的潤滑裝置等，防止輪緣長時間得不到有效的潤滑，進(jìn)而降低輪緣的異常磨耗。

2.2 改進(jìn)效果

在充分調(diào)研SS4型電力機車輪緣磨耗情況的基礎(chǔ)上，通過對車輪異常磨耗因素進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，以及采取相應(yīng)的改進(jìn)措施之后，對10臺車的輪緣進(jìn)行了檢測，并計算出平均輪緣磨耗，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的車輪緣磨耗情況

從圖2中可以看出，在進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)措施以后，平均輪緣磨耗為0.36 mm/萬km，比改進(jìn)前降低了0.11 mm/萬km，實現(xiàn)了降低輪緣磨耗至0.4 mm/萬km以下的目標(biāo)。

3 結(jié)語

針對機車輪緣過度磨耗會影響機車運用效率和車輪使用壽命及機車運行安全這一問題，本文在充分調(diào)研SS4型電力機車輪緣磨耗情況的基礎(chǔ)上，對車輪異常磨耗因素進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，通過對SS4型電力機車輪異常磨耗因素的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可知，下坡道時過度使用電制動以及異常輪軌關(guān)系是造成輪緣異常磨耗的主要原因。針對不同的磨耗原因采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施，最終使機車的平均輪緣磨耗從0.47 mm/萬km降低至0.36 mm/萬km，實現(xiàn)了降低輪緣磨耗至0.4 mm/萬km以下的目標(biāo)。