大秦線C80BF型運煤專用敞車輪瓦及輪軌關系試驗研究

張顯鋒 ， 鄧小劍 ， 李亨利， 鄧　濤， ?！◇?/p>

(1　南車眉山車輛有限公司， 四川眉山 620032；2　西南交通大學　機械工程學院， 四川成都 610031)

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大秦線C80BF型運煤專用敞車輪瓦及輪軌關系試驗研究

張顯鋒1,2， 鄧小劍1， 李亨利1,2， 鄧濤1， 祝笈1

(1南車眉山車輛有限公司， 四川眉山 620032；2西南交通大學機械工程學院， 四川成都 610031)

通過在大秦線的線路試驗，監(jiān)測C80BF型運煤專用敞車在實際運行過程中車輪踏面、閘瓦接觸面溫度，得出車輪踏面與閘瓦接觸面作用對輪瓦溫度及閘瓦性能的影響，以及車輪磨耗與溫度的關系。本文旨在研究分析副構架式徑向轉向架在正常運行、制動和緩解時，輪軌、輪瓦作用形態(tài)，研究輪徑差大小對踏面磨耗的影響。

車輪； 踏面； 閘瓦； 溫度； 副構架式徑向轉向架； 磨耗

試驗內(nèi)容：采用測溫傳感器監(jiān)測C80BF型敞車在列車整個運行過程中車輪踏面、閘瓦溫度變化；采用高清攝像機視頻監(jiān)測C80BF型敞車在列車整個運行過程中的輪軌、輪瓦運動形態(tài)；了解車輪踏面磨損情況。

本次C80BF試驗監(jiān)測車為2輛，編組在105輛試驗車組中，分別位于機車后第49、50位，49位車為1號試驗車，50位車為2號試驗車。1號車配置：1位轉向架換裝同一輪對左、右車輪直徑差為6 mm的輪對，小輪徑車輪裝在車輛2、4位，2位轉向架換裝新輪對。2號車配置：2位轉向架裝用同一輪對左、右車輪直徑差為8 mm的輪對，小輪徑車輪裝在車輛5、7位，1位轉向架換裝新輪對。

試驗研究方法：兩試驗車轉向架各輪位安裝一套溫度監(jiān)測系統(tǒng)，包括踏面和閘瓦的溫度監(jiān)測；各個輪位分別安裝視頻監(jiān)測攝像機，其中，1號車監(jiān)測輪瓦，2號車監(jiān)測輪軌；試驗采用Miniprof測量儀測量試驗前后車輪踏面的外形。

溫度監(jiān)測和視頻監(jiān)測系統(tǒng)啟動后，及時與機車時間校對，保證監(jiān)測系統(tǒng)時間與機車時間誤差不大于1 s。試驗結束后，提取列車運行過程中運行時間、速度、位置、機車操縱記錄、線路狀態(tài)(直線、曲線及曲線超高等)。

1　車輛運行時車輪及閘瓦溫度與制動的關系

重車行車方向，提取車輛開行公里標區(qū)間為25～170 km。其中，63.3 km +1.85 km為-12‰的下坡，137.46 km開始為連續(xù)下坡，最大坡度達到-11‰。

圖1所示為機車提取制動管壓變化情況，圖2所示為25～170 km運行速度變化情況，圖3所示為1號車踏面溫度和閘瓦溫度情況。

圖1　制動管壓變化

圖2　運行速度

通過分析圖1～圖3所示結果，可以得出，在車輛行駛過程中，速度的變化如圖2與路況等有關，比如機車牽引、車輛上下坡和信號限速等。在車輛行駛過程中，同一輛車各輪位踏面的溫差很小，只有在制動過程中，踏面的溫度急劇上升，最大溫度可以達到400℃。在車輛運行至60～70 km處，制動管壓力下降1次如圖1，對應此處踏面溫度上升1次如圖3(a)；車輛運行至140～170 km區(qū)間時，制動管壓力下降3次如圖1，對應踏面溫度上升3次如圖3(a)。由此可以得出，踏面的溫度主要受制動過程的影響，在車輛正常行駛過程中，輪徑差、曲線線路等因素對踏面的溫度影響較小。

圖3　車輛在運行過程中踏面和閘瓦溫度 (1號車)

在車輛正常行駛過程中，不同輪位的閘瓦溫度已出現(xiàn)溫差如圖3(b)，當車輛制動時，閘瓦的溫度也會出現(xiàn)溫度的波峰，最大溫度達到160℃。圖3(b)所示，在車輛正常行駛過程中，沒有制動的作用時， 2、4位輪位的閘瓦溫度大于其他輪位的閘瓦溫度；在車輛未實施制動時(公里標區(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，在車輛運行過程中，為保證同一條輪對上有輪徑差輪對保持一致的滾動線速度，小輪輪緣貼靠著鋼軌滾動，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；有輪徑差的輪對將相對于無輪徑差的輪對有橫移，此時，小輪的閘瓦有可能貼靠在輪緣上，最終導致與小輪配合的閘瓦溫度略高于其他位的閘瓦溫度。1號車中2、4位輪為小輪，車輛在行駛過程中造成輪對橫移，小輪閘瓦貼靠輪緣導致溫度偏高。根據(jù)實時視頻監(jiān)控畫面圖4可以看出，2位輪閘瓦較1位輪閘瓦更貼近輪緣，也進一步驗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　車輛在無制動時車輪及閘瓦的溫度情況

選取車輛行駛里程區(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，當車輛通過時，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輛試驗車駛入半徑為800的曲線時，機車的位置為34.277+0.032 5+48×0.012=34.885 5(km)；第2輛試驗車駛出半徑為800 m的曲線時，機車的位置為34.966 13+0.032 5+50×0.012=35.598 63(km)。其中，0.032 5 km為機車的長度，0.012 km為1輛車的長度。

圖5為此運行區(qū)間踏面溫度監(jiān)測結果，圖5(a)所示結果表明，1號車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) 所示結果表明，2號車的5、7位輪的踏面溫度高于其他位輪的溫度。根據(jù)圖6視頻實時監(jiān)控畫面可以看出，具有輪徑差的同一輪對，在直線或大半徑曲線上正常行駛時，小輪的輪緣已經(jīng)貼靠在鋼軌內(nèi)側如圖6(a)，而大輪輪緣離鋼軌較遠如圖6(b)，這是因為具有輪徑差的同一輪對為了保持相同的滾動速度造成的。由于輪緣貼靠鋼軌，致使輪緣與鋼軌內(nèi)側形成摩擦磨損的過程，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。

對比分析圖5中(a)與(b)的結果，1號車中2、4位輪的踏面溫度為23～24℃，2號車中5、7位輪的踏面溫度為19～23℃，而在試驗配置中，1號車中2、4位輪與同軸車輪的輪徑差為6 mm，2號車中5、7位輪與同軸車輪的輪徑差為8 mm，試驗結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致，比如太陽照射方位或當時的風向等，因為1號車的2、4位處于車輛行駛方向的左邊，而2號車的5、7位輪處于車輛行駛方向的右邊。

沒有輪徑差的輪對，其監(jiān)測結果表明，各輪位車輪的踏面溫度都集中在17℃～20℃溫度區(qū)間。分別對比1號車2、4和2號車5、7位輪的踏面溫度，可以發(fā)現(xiàn)1號車的2位輪踏面略高于4位輪的踏面溫度，同樣，2號車的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號車的2位輪和2號車的5位輪為轉向架的導向輪的原因。1號車的5位輪踏面溫度略大于7位輪的踏面溫度，1號車的6位輪踏面溫度大于8位輪的踏面溫度如圖5(a)。2號車中，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)測結果，圖7(a)所示結果表明，1號車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)所示的結果表明，在有輪徑差的轉向架上，5、7位輪的閘瓦溫度大于其他位輪的閘瓦溫度。進一步驗證了輪徑差造成同一輪對兩側閘瓦溫度的差異，進而可能導致閘瓦偏磨。

3　車輛在下坡制動時車輪及閘瓦的溫度情況

根據(jù)提取的機車行駛記錄，車輛初始制動時機車的公里標為64.555 km，制動結束時為67.455 km，制動時1號車位置：64.555-0.032 5-48×0.012=63.945 5(km)，制動結束時，1號車的位置：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)測結果，從圖中可以看出，在車輛正常行駛未制動時，踏面的溫度處于較低水平，當車輛實施制動后，踏面溫度急劇上升，最高溫度達到350℃。

圖8　踏面溫度

在此運行區(qū)間內(nèi)，在持續(xù)制動過程中，對于有輪徑差的轉向架，1號車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)，同一輪對上兩側車輪踏面最大溫差高達250℃(1、4位輪)；2號車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)。而無輪徑差的輪對中，1號車5、6位輪踏面溫度相近，1號車7、8位輪踏面溫度相近。在制動過程中，輪徑差的大小對兩側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)測結果，1號試驗車在正常行駛即未制動時，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)，導向輪(1、5、6)的閘瓦溫度也略高于從動輪(3、7、8)的閘瓦溫度；當車輛實施制動后，最大溫度達到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。2號車試驗車在正常行駛未制動時，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))；當實施制動后，各輪位閘瓦溫度都有所上升，最大溫度達到60℃。

在制動過程中，閘瓦的溫度主要是由閘瓦與踏面的摩擦生熱產(chǎn)生的，當同一條輪對一側輪位閘瓦溫度較大，另一側的輪位閘瓦溫度可能較低，其結果可能造成閘瓦偏磨。

圖9　閘瓦溫度

4　試驗前后踏面磨損情況

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

分別對大輪和小輪試驗前后踏面和輪緣的垂向方向變化量進行對比和分析，以表征踏面的磨耗量，其結果如圖11所示，磨損量較大的區(qū)域出現(xiàn)在離車輪背面20～40 mm之間，峰值出現(xiàn)在約31 mm處。測試結果表明，大輪輪緣有輕微的磨損，而小輪輪緣磨損較為嚴重，這個與運行過程中踏面的溫度、閘瓦作用位置和輪軌位置監(jiān)測結果吻合；另外一方面，大輪踏面滾動圓區(qū)域的磨損量較小輪略大，因為在整個運行過程中，大輪的滾動接觸區(qū)域主要在遠離輪緣的踏面區(qū)域。

輪徑差為8 mm的輪對配置在2號試驗車上，其試驗前后車輪踏面的檢測結果如圖12所示。根據(jù)圖中所示的結果，5位車輪(小輪)磨損嚴重的區(qū)域出現(xiàn)在輪緣(圖12(a))；而6位輪的磨損輕微(圖12(b))，在遠離輪緣的踏面滾動圓區(qū)域有磨損。

分別對大、小輪試驗前后徑向方向變化進行對比，其結果如圖13所示。試驗前后變化量較大的區(qū)域也出現(xiàn)在離車輪背部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重，最大值達到7 mm。而大輪的踏面滾動圓區(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的車輪試驗前后踏面對比

圖11　1號車輪徑差為6 mm大小輪徑向變化量

圖12　輪徑差為8 mm的車輪試驗前后踏面對比

圖13　輪徑差為8 mm的大小輪徑向變化量

通過以上的結果，可以對比得到，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，而對大輪的磨損影響較小。

5　結論和建議

通過該試驗的研究和分析形成如下結論：

(1) 在車輛正常行駛過程中(包括曲線和直線等)，輪徑差對同一輪對兩車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，導向輪踏面溫度大于從動輪踏面溫度。輪徑差對兩側車輪的閘瓦有一定的影響，最大溫差可達到10℃，有可能造成閘瓦與車輪虛抱或者閘瓦偏磨。

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

(3) 具有輪徑差的同一輪對，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圓接觸區(qū)。

為保障車輛良好的運用狀態(tài)，保證行車安全，建議：

(1) 在車輛新造過程中，嚴格控制同一輪對輪徑差不大于1 mm的技術要求，必要時可加嚴控制至不大于0.5 mm。

(2) 由于輪徑差在運用現(xiàn)場不易檢查，需加強輪徑差與輪緣磨耗關系規(guī)律的研究，使現(xiàn)場列檢人員通過對輪緣厚度的把控，來間接控制輪徑差過大造成車輛狀態(tài)惡化。

(3) 加強基礎制動組裝的準確性和提高閘瓦質量，避免各車輪的制動力不均及閘瓦對車輪的偏磨。

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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，高級工程師(

2015-11-28)

U272.6+2

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.13