機車車輪失圓的原因及動態監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，產生車輪失圓的主要原因，重點研究了機車車輪失圓動態監測方法，并舉例說明應用位移測量法進行動態監測的思路及結果，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；動態監測

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塑性變形和疲勞現象，不同的磨耗機理將導致不同的破壞現象。從摩擦學的觀點來看，輪軌系統是一個開放系統，車輪失圓與輪軌系統的特性與環境狀況有關。不同的載荷、滑動與潤滑狀況能誘發不同的磨耗機理，這些變量的微小變化可能導致磨損速率發生很大變化。車輪的失圓現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監測方法，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。在動態監測車輪失圓現象而得到較為精確的結果后，對后續的車輪失圓故障分析及排除提供了重要的依據和參考。

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，且根據溫度的不同產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缺陷，甚至導致不規則變形，進而出現輪徑偏差大，車輪偏心等現象，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，經過車輪與鋼軌多次擠壓而產生疲勞破壞；另一種是由于車輪滑動過程中產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 車載檢測系統沒發揮應有作用

機車都安裝了車載行車安全監控裝置，理論上能夠對轉向架及車體的異常振動進行監測，實際上很少監測車輪的非正常運行狀態，使得車輪沒能及時發現并處理，導致車輪出現故障，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監測方法

車輪失圓的監測方法主要有兩種，分別是靜態監測和動態監測。其中靜態監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；動態監測方法則無需停止機車或拆卸車輪，能夠在線監測機車車輪狀態，如此不僅效率高，而且便于存儲相關信息。現階段我國采用的監測方法主要是靜態監測，但荷蘭、英國等國家已經廣泛應用動態監測方法了。

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

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

4.1 振動加速度監測法

機車運行過程中，軌道會在輪軌間的相互作用下產生振動，且當車輪失圓時，振動會加劇。振動加速度監測法就是依據該原理，通過收集整個機車經過監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。

振動加速度監測法在監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，且具有很高的經濟性。振動加速度監測法的優勢是可監測中高速 （大于 100 km/h）機車，準確率較高，性能穩定，安裝方便等。其劣勢主要包括： 傳感器間的安裝距離固定，不適宜監測不同半徑的車輪，且只能監測機車速度超過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，數據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（小于25mm）出現變化時，則車輪存在擦傷；若輪緣高度在整個圓周方位內出現波動時，則車輪出現失圓。

接觸測量法的原理簡單，安裝方便，可以直接監測車輪踏面半徑的變化，沒有繁瑣的數據處理，且準確率較高。但由于監測系統裝置的結構特征，要求機車緩慢通過監測點才能準確的監測出車輪的缺陷情況，這樣較難實現車輪的在線監測，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 圖像監測法

圖像監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。

圖像監測法的原理簡單，精度高，但一方面受到拍攝設備和環境的影響較大，另一方面受機車速度的限制較大，只能監測低速（一般低于30km/h）的情況，不適宜高速列車（大于200km/h）在線監測。但由于圖像監測法精度高，并且適用于靜態監測，所以應用前景較廣泛。主要產品有日本的“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

依據軌道特性分析可知，當軌道受到壓力作用時將產生垂向位移。機車運行時，若車輪出現失圓，則會在整個圓周內產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，可以通過監測軌道的垂向位移來監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不變；若車輪出現失圓，在整個車輪圓周上軌道的垂向位移曲線將出現波動。

位移測量法不但能監測機車車輪的缺陷，而且監測設備安裝方便（只需將傳感器安裝在軌道底部便可監測出軌道的位移），數據處理簡單，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象進行在線監測，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/數轉換模塊轉換成數字信號，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據進行仿真，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。

5 結束語

本文針對機車車輪失圓現象，分析了車輪失圓的危害及失圓的主要原因，提出了對失圓現象進行監測的辦法，重點研究了車輪失圓的動態監測方法，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測系統構建的主要思路，再通過仿真分析得到了失圓的數據結果。

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