HX D1C型機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面剝離問(wèn)題的探討

嚴(yán)中明

（鄭州鐵路局 洛陽(yáng)機(jī)務(wù)段，河南洛陽(yáng)471002）

為適應(yīng)隴海線增噸提速、機(jī)車(chē)長(zhǎng)交路輪乘的需要，按照鐵道部生產(chǎn)力布局的調(diào)整，洛陽(yáng)機(jī)務(wù)段從2010年底陸續(xù)支配200臺(tái)HXD1C型機(jī)車(chē)，其中固定重聯(lián)94對(duì)，擔(dān)當(dāng)西隴海鐵路線鄭州至西安（新豐鎮(zhèn)）間的貨運(yùn)列車(chē)牽引任務(wù)。該型機(jī)車(chē)自投入運(yùn)用以來(lái)，受機(jī)車(chē)性能結(jié)構(gòu)、運(yùn)行線路狀況及牽引增噸提速的影響，車(chē)輪踏面剝離比較嚴(yán)重，車(chē)輪旋修頻繁，嚴(yán)重影響輪對(duì)使用壽命。探討HXD1C型機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面剝離的原因，制定預(yù)防措施，減少車(chē)輪踏面剝離。

1 機(jī)車(chē)運(yùn)用情況

（1）機(jī)車(chē)運(yùn)行交路及線路情況

洛陽(yáng)機(jī)務(wù)段固定支配運(yùn)用的HXD1C型機(jī)車(chē)以鄭州為支點(diǎn)，西安（新豐鎮(zhèn)）為折返點(diǎn)的肩回式交路，牽引區(qū)段營(yíng)運(yùn)里程498.4 km。

牽引區(qū)段線路縱斷面較為復(fù)雜，彎道多，曲線半徑小，坡道大，持續(xù)長(zhǎng)大坡道長(zhǎng)，線路限速地段多。

牽引定噸為雙機(jī)牽引5 000 t。單機(jī)牽引4 500 t。

（2）機(jī)車(chē)運(yùn)用情況

HXD1C型機(jī)車(chē)自2010年底陸續(xù)投入運(yùn)用以來(lái)，截止至2011年底，最高走行公里200 734 km，最低走行公里79 088 km。一年來(lái)，共計(jì)發(fā)現(xiàn)173臺(tái)機(jī)車(chē)221臺(tái)次，合計(jì)496個(gè)輪對(duì)524個(gè)車(chē)輪踏面發(fā)生剝離。出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，最早發(fā)現(xiàn)時(shí)僅走行28 683 km，最高走行公里193 618 km，平均走行公里105 191 km。同一個(gè)輪對(duì)車(chē)輪踏面剝離旋修后發(fā)生第2次剝離10臺(tái)車(chē)，同一個(gè)車(chē)輪踏面剝離旋修后發(fā)生第2次剝離8臺(tái)機(jī)車(chē)8個(gè)車(chē)輪，最低走行公里39 647 km，最高走行公里100 746 km，平均走行公里70 458 km。

車(chē)輪踏面剝離集中發(fā)生在1，3，4，6位；以3，4位剝離居多，其中3，4位剝離314個(gè)（占59.9%），1，6位剝離位201個(gè)（占38.4%），2，5位剝離9個(gè)（占1.7%）。消除剝離旋修量最大的達(dá)到14 mm（即輪徑減少28 mm）。

2 車(chē)輪踏面剝離原因分析

HXD1C型機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面剝離原因較為復(fù)雜，有車(chē)輪材質(zhì)方面的原因，有該型機(jī)車(chē)性能結(jié)構(gòu)受線路狀況的影響，有線路運(yùn)行條件、輪軌間接觸疲勞和軸重轉(zhuǎn)移的影響。

2.1 車(chē)輪材質(zhì)方面的影響

影響車(chē)輪材質(zhì)的因素很多，有化學(xué)成分、非金屬夾雜物含量高的影響，有熱處理、冷鍛壓工藝及制造應(yīng)力的影響等。某一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)細(xì)小的問(wèn)題，都會(huì)影響車(chē)輪本身的質(zhì)量。

隨著鐵路向高速、重載方向的發(fā)展，所使用的機(jī)車(chē)功率大、構(gòu)造速度高、軸質(zhì)量大。這就要求車(chē)輪在制造時(shí)，有關(guān)設(shè)計(jì)制造部門(mén)應(yīng)重新考慮其化學(xué)成分、非金屬夾雜物含量；重新考慮熱處理、冷鍛壓及“時(shí)效”工藝，以適應(yīng)鐵路的高速發(fā)展。

2.2 性能結(jié)構(gòu)受線路運(yùn)行條件的影響造成車(chē)輪踏面剝離

HXD1C型機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架軸式為C0－C0結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架機(jī)車(chē)運(yùn)行在高坡多、彎道多區(qū)段，其結(jié)構(gòu)性能受制約。該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)向性能不良，加上其固定軸距為非等軸距（2 250＋2 000），轉(zhuǎn)向性能更不良，機(jī)車(chē)過(guò)彎道時(shí)外側(cè)車(chē)輪因轉(zhuǎn)向不足易造成蠕滑，使得車(chē)輪踏面承受很大的剪切力，車(chē)輪內(nèi)部交變應(yīng)力增大，引起車(chē)輪踏面撕裂性剝離。第3、4位輪對(duì)車(chē)輪最嚴(yán)重。

同樣的運(yùn)行區(qū)段和運(yùn)行線路，在換HXD1C型機(jī)車(chē)之前，在該運(yùn)行區(qū)段運(yùn)行的SS3B固定重聯(lián)機(jī)車(chē)，采用同為C0－C0結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架，車(chē)輪踏面剝離情況和現(xiàn)在運(yùn)行的HXD1C型機(jī)車(chē)情況基本相同；而采用B0－B0結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架的6 K型機(jī)車(chē)和SS4G機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面就很少發(fā)生剝離。

另外該型機(jī)車(chē)絕大部分是雙機(jī)重聯(lián)運(yùn)行，中間是車(chē)鉤連接，機(jī)車(chē)在過(guò)曲線時(shí)，由于慣性作用造成重聯(lián)端連接的第1、6位輪對(duì)因向外一側(cè)轉(zhuǎn)向不足易造成蠕滑，引起車(chē)輪踏面撕裂性剝離。早期運(yùn)行在該區(qū)段的SS3B固定重聯(lián)機(jī)車(chē)，也有類(lèi)似的情況。

2.3 運(yùn)行線路條件的影響

西隴海鐵路線鄭州至西安（新豐鎮(zhèn)）間線路持續(xù)坡道平均在11～13‰間，持續(xù)坡道長(zhǎng)、彎道多，限速地段多，運(yùn)行區(qū)段又是客貨混交路，客貨流密集，機(jī)車(chē)起動(dòng)頻繁，其中有很大一部分在坡道起動(dòng)，再加上高定噸，機(jī)車(chē)起動(dòng)、運(yùn)行十分困難，運(yùn)行速度很難提高，加大了輪軌之間的滑動(dòng)摩擦，使機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面損傷。另外，遇雨雪等不良天氣，輪軌間黏著力下降，或重載坡道起動(dòng)時(shí)，車(chē)輪易空轉(zhuǎn)造成車(chē)輪踏面損傷。這兩種損傷在通過(guò)鋼軌接頭、道岔、撤岔及線路的各種不平順處時(shí)，鋼性地承受了全部垂直方向及水平方向沖擊，頻繁的沖擊，最后造成車(chē)輪踏面剝離。

2.4 接觸疲勞剝離

機(jī)車(chē)的全部載荷都通過(guò)車(chē)輪傳給鋼軌，牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置傳遞經(jīng)車(chē)輪作用于鋼軌，產(chǎn)生牽引力，通過(guò)車(chē)輪的滾動(dòng)使機(jī)車(chē)牽引列車(chē)前進(jìn)。當(dāng)車(chē)輪沿著鋼軌運(yùn)動(dòng)，在通過(guò)鋼軌接頭、道岔、撤岔及線路的各種不平順處時(shí)，剛性地承受了全部垂直方向及水平方向的沖擊。靜載荷、動(dòng)作用力和制造應(yīng)力共同作用在車(chē)輪上，使得車(chē)輪工作時(shí)的受力既復(fù)雜又嚴(yán)重。車(chē)輪內(nèi)部產(chǎn)生交變應(yīng)力，其金屬表面發(fā)生塑性變形，見(jiàn)圖1。塑性變形發(fā)生到一定程度后，車(chē)輪表面開(kāi)始硬化，產(chǎn)生疲勞裂紋，見(jiàn)圖2。如此時(shí)得不到及時(shí)處理，繼續(xù)運(yùn)行，最后發(fā)展到大面積剝離。這種現(xiàn)象在提速增噸、軸重增大后的機(jī)車(chē)上表現(xiàn)得更突出。

圖1 車(chē)輪踏面碾寬

圖2 疲勞裂紋

2.5 軸重轉(zhuǎn)移的影響［1］

隨著機(jī)車(chē)功率的不斷增大，機(jī)車(chē)質(zhì)量大小與功率的比值愈來(lái)愈小，黏著質(zhì)量顯得比較突出。黏著質(zhì)量利用率越高，說(shuō)明在牽引力作用下軸重轉(zhuǎn)移越小，機(jī)車(chē)所能發(fā)揮的黏著力越大；反之，黏著質(zhì)量利用率越低，說(shuō)明在牽引力作用下軸重轉(zhuǎn)移越大，機(jī)車(chē)所能發(fā)揮的黏著力越小。

牽引力是發(fā)生軸重轉(zhuǎn)移的根本原因。當(dāng)機(jī)車(chē)牽引運(yùn)行時(shí)，各軸的軸重要發(fā)生變化，有的軸軸重增加，有的軸軸重減少，即軸重轉(zhuǎn)移。軸重轉(zhuǎn)移的數(shù)值隨牽引力的增大而增大。當(dāng)機(jī)車(chē)起動(dòng)或爬坡時(shí)，發(fā)揮的牽引力是最大的，此時(shí)軸重轉(zhuǎn)移也最大。在某些情況下，軸重增加量可以達(dá)到靜軸重的20%或更多。

輪周牽引力經(jīng)軸箱傳給轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，其傳力點(diǎn)高度即車(chē)軸中心高度，為動(dòng)輪直徑之半；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架經(jīng)中心牽引拉桿將牽引力傳給車(chē)體底架，其傳力點(diǎn)在牽引梁的下方，傳力點(diǎn)高度為h；車(chē)體底架將牽引力傳給車(chē)鉤，車(chē)鉤高度為H。由于上述各傳力點(diǎn)高度不同，在傳遞牽引力時(shí)，將分別引起車(chē)體底架和轉(zhuǎn)向架的附加力矩M1。車(chē)體底架附加力矩引起前后轉(zhuǎn)向架之間的軸重轉(zhuǎn)移。如圖3所示。

機(jī)車(chē)牽引力∑F K，兩組承載彈簧座處傳遞的牽引力分別為FK1和FK2。則∑F K＝FK1＋FK2；車(chē)體底架產(chǎn)生的附加力矩為M1＝∑F K·（H－h(huán)）。

HXD1C型機(jī)車(chē)H＞h，前轉(zhuǎn)向架將減載，后轉(zhuǎn)向架將增載。在同一轉(zhuǎn)向架內(nèi)部，前軸減載，后軸增載。軸重減載的輪對(duì)，由于黏著質(zhì)量減少，黏著力減小，將首先發(fā)生空轉(zhuǎn)，造成輪軌間熱損傷；軸重增載的輪對(duì)，在機(jī)車(chē)運(yùn)行中動(dòng)作用力也隨之增加，也較易發(fā)生疲勞損傷。

圖3 車(chē)體底架附加力矩引起前后轉(zhuǎn)向架間的軸重轉(zhuǎn)移示意圖

3 踏面剝離的預(yù)防措施

通過(guò)對(duì)車(chē)輪踏面剝離的原因分析，為減少車(chē)輪踏面剝離，機(jī)務(wù)段采取了一些有針對(duì)性措施。

（1）加強(qiáng)對(duì)車(chē)輪踏面的日常檢查和動(dòng)態(tài)活件的報(bào)修，一旦發(fā)現(xiàn)車(chē)輪踏面剝離及時(shí)旋修消除，防止裂紋源向深處發(fā)展。

（2）車(chē)輪踏面塑性變形到一定程度，如車(chē)輪碾寬、左右輪徑差大等，及時(shí)安排旋修，恢復(fù)車(chē)輪型面，盡早消除車(chē)輪踏面接觸疲勞引起的剝離。

（3）車(chē)輪踏面剝離旋修時(shí)，盡量保證同一輪對(duì)左右輪徑差一致，保證機(jī)車(chē)在線路上平穩(wěn)運(yùn)行；盡量保證全車(chē)各軸輪徑差基本一致，減少機(jī)車(chē)運(yùn)行中的軸重轉(zhuǎn)移。

（4）加強(qiáng)日常探傷檢查，嚴(yán)格按修程及探傷規(guī)范進(jìn)行探傷，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)處理。

（5）增強(qiáng)乘務(wù)員的責(zé)任心，不斷提高他們的操作技能，平穩(wěn)操縱，避免因空轉(zhuǎn)、滑行等造成的車(chē)輪踏面損傷。

①充分利用HXD1C型機(jī)車(chē)軸重轉(zhuǎn)移控制功能，減少軸重轉(zhuǎn)移［2］

HXD1C型機(jī)車(chē)具有軸重轉(zhuǎn)移控制功能，機(jī)車(chē)動(dòng)輪在嚴(yán)重空轉(zhuǎn)后，機(jī)車(chē)根據(jù)列車(chē)運(yùn)行速度、牽引力自動(dòng)尋找黏著點(diǎn)并逐步增加牽引力，此時(shí)乘務(wù)員切不可操之過(guò)急，盲目增大牽引力，防止動(dòng)輪空轉(zhuǎn)進(jìn)一步加劇。列車(chē)接近上坡道以前，應(yīng)將IDU畫(huà)面調(diào)置牽引數(shù)據(jù)畫(huà)面，觀察各軸牽引力的發(fā)揮情況，運(yùn)行中當(dāng)發(fā)現(xiàn)機(jī)車(chē)出現(xiàn)軸重轉(zhuǎn)移（牽引力不一致）或運(yùn)行記錄器“工況顯示欄”內(nèi)各速度通道速度不一致時(shí)，應(yīng)及時(shí)撒沙遏制動(dòng)輪空轉(zhuǎn)。

②根據(jù)線路運(yùn)行狀況，合理操縱機(jī)車(chē)

列車(chē)接近上坡道以前，司機(jī)提前進(jìn)行預(yù)防性撒沙，充分發(fā)揮機(jī)車(chē)黏著牽引力，利用有利地形（線路直緩地段）盡量提高列車(chē)速度，儲(chǔ)足動(dòng)能，做到動(dòng)能闖坡，闖爬結(jié)合，爬坡時(shí)要注意觀察各儀表的顯示；運(yùn)行至易發(fā)生動(dòng)輪空轉(zhuǎn)或線路狀況不良的地段前，要采用線式預(yù)防性撒沙，防止動(dòng)輪空轉(zhuǎn)。發(fā)生動(dòng)輪空轉(zhuǎn)后若采取撒沙的方式不能消除時(shí)，乘務(wù)員要采用單獨(dú)制動(dòng)閥制動(dòng)的方式來(lái)進(jìn)行抑制，但一次制動(dòng)時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，并待動(dòng)輪空轉(zhuǎn)停止后及時(shí)緩解機(jī)車(chē)制動(dòng)。若使用撒沙及單獨(dú)制動(dòng)閥均不能有效遏制動(dòng)輪空轉(zhuǎn)時(shí)，乘務(wù)員要適當(dāng)降低機(jī)車(chē)牽引力，待動(dòng)輪空轉(zhuǎn)停止后先維持既有速度運(yùn)行，待列車(chē)運(yùn)行至平直線路時(shí)再逐步提高牽引力，切不可急于加載，防止因牽引力突然增大而導(dǎo)致機(jī)車(chē)再次發(fā)生動(dòng)輪空轉(zhuǎn)。

列車(chē)在接近上坡道的車(chē)站停車(chē)后，乘務(wù)員除了認(rèn)真檢查機(jī)車(chē)撒沙裝置外，還要做好必要的思想準(zhǔn)備，站內(nèi)起動(dòng)列車(chē)時(shí)要發(fā)揮機(jī)車(chē)最大黏著牽引力，充分利用站內(nèi)有利地形提高列車(chē)運(yùn)行速度。遇雨雪等不良天氣或坡道起車(chē)前，將機(jī)車(chē)牽引力緩慢增加至200 k N后再緩解列車(chē)制動(dòng)及機(jī)車(chē)制動(dòng)，同時(shí)緩慢將牽引力增大至起動(dòng)列車(chē)所需要的牽引力；列車(chē)起動(dòng)后再根據(jù)實(shí)際情況逐步提高手柄位置，增加機(jī)車(chē)牽引力，并要適當(dāng)撒沙防止動(dòng)輪空轉(zhuǎn)。

4 應(yīng)用效果

洛陽(yáng)機(jī)務(wù)段采取了上述措施后，取得了一定效果，該機(jī)務(wù)段支配運(yùn)用的HXD1C型機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面發(fā)生剝離已明顯減少，剝離周期已延長(zhǎng)近一個(gè)季度檢查期。延長(zhǎng)了機(jī)車(chē)使用壽命的同時(shí)，也解決了因車(chē)輪頻繁旋修給運(yùn)輸生產(chǎn)帶來(lái)的實(shí)際困難。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)車(chē)輪踏面剝離的原因的分析，我們發(fā)現(xiàn)造成機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面剝離的原因很復(fù)雜，有材質(zhì)方面的影響，有機(jī)車(chē)性能結(jié)構(gòu)及運(yùn)行線路條件的影響，有輪軌間接觸疲勞和機(jī)車(chē)軸重轉(zhuǎn)移的影響等原因。找到正真原因，采取針對(duì)性措施，就能取得效果。

另外，機(jī)車(chē)車(chē)輪是一種高負(fù)荷、高運(yùn)轉(zhuǎn)部件，是保證機(jī)車(chē)安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件，建議機(jī)車(chē)和車(chē)輪制造單位及車(chē)輪設(shè)計(jì)研究部門(mén)，應(yīng)根據(jù)機(jī)車(chē)車(chē)輪運(yùn)用情況對(duì)車(chē)輪的材質(zhì)和工藝要求等作相應(yīng)的調(diào)整和改變，以適應(yīng)鐵路提速、重載、安全、高效的要求。建議上級(jí)主管部門(mén)根據(jù)各型機(jī)車(chē)的性能特點(diǎn)、線路運(yùn)行情況合理配備機(jī)車(chē)，充分發(fā)揮鐵路的運(yùn)輸能力。

［1］李志彪.電力機(jī)車(chē)總體及走行部［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社.2009.

［2］南車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司.HXD1C電力機(jī)車(chē)培訓(xùn)資料［R］.2011.