機車車輛踏面損傷機理研究

劉鳳義

神華準能大準鐵路公司車輛段

機車車輛踏面損傷機理研究

劉鳳義

神華準能大準鐵路公司車輛段

機車運行中造成的踏面損傷嚴重影響機車運行穩定和安全性。為探討踏面損傷的主要引起原因，結合某路線段對機車的運行狀態進行分析，通過比較加裝縱向減振器前后的機車縱向振動狀態來分析縱向振動對于踏面損傷的影響，結果表明加裝縱向減振器可以降低機車的振動情況，對于踏面損傷的緩解具有推動作用。

踏面；損傷；機理

1 引言

隨著鐵路的發展，煤運輸變得異常的便利。重載鐵路給社會帶來便利的同時，其運行中也存在一些問題。其中，車輪和鋼軌之間的嚴重磨損在運行問題中最為棘手，嚴重影響著重載鐵路的正常運行。導致輪軌之間磨損嚴重的因素較多，且相對復雜。目前，許多學者和專家都對此種情況進行分析研究。目前，較多的研究集中在通過建立相關的模型分析車輛在橫向和垂向方向上的動態響應，以尋求導致磨損嚴重的內在因素。而在車輛的正常運輸過程中，車輛的縱向振動對于磨損也存在較大的影響，然而目前在此方面的相關研究并不多。本文結合作者的工作經驗，對車輛縱向振動方面的相關內容進行分析探討，以此為基礎分析車輛踏面磨損嚴重的機理。

為便于分析研究，本文結合具體的鐵路路線段進行說明。某機務段的DF8B機車上的JM3型踏面出現較為嚴重的磨損，在路線較差的路段磨損更為嚴重，其主要的外觀現象為輪對多邊形，失圓和踏面磨損。機車出現上述的磨損狀態是在其還未達到一個維修周期時發生的。為分析車輛縱向振動的影響，本文測試了車輛縱向減振器對于車輛的動態響應狀態，并結合改路線段的實際特性，觀察輪對縱向振動情況，考察縱向振動對于車輛踏面磨損嚴重的影響程度。

2 機車車輛踏面損傷理論分析

2.1 輪對縱向振動狀態分析

輪對的縱向振動與車輛的橫向運行穩定性及啟動粘著作用相關性較小，因此在長期以來的研究中，對于輪對的縱向振動的研究較少，更多的研究集中在分析橫向和垂向振動在車輛運行中的動態響應狀態。據相關的研究數據表明，在40-130Km/h運行時，車輛縱向振動較為強烈。另外，在實際運行中也確實發生過此種強振動現象。提速機車在某些速度階段或者施加牽引力時會產生較大程度的振動，正因為該種狀態確實發生，也開始逐漸引起研究者們的關注。經過相關的分析探討，證實這種強振動現象與車輛運行中的縱向振動存在較大的關系，與輪對的縱向定位懸掛的剛度之間存在特定的聯系。

在機車實際運行中，由于存在軌道的不平衡、機車自身的橫向和垂向振動作用等外界作用，機車的輪對會產生縱向振動的激勵或者產生縱向位移量，導致輪對產生縱向振動。如果外界作用力導致的輪對縱向振動的頻率與其自身的振動頻率類似時，會產生共振現象，共振導致機車產生較為明顯的縱向振動。在輪對縱向振動的自激作用力中，輪軌之間的滾動接觸是最重要的組成部分。機車輪軌之間的滾動接觸產生縱向振動，反之機車的縱向振動對于輪軌形成反向作用。這種反向作用導致輪軌的接觸處產生較大的切向力，進而影響左右輪的動態接觸負荷。這種載荷的變化很容易對踏面產生較大的損傷。踏面產生的碾壓裂紋最終剝離，對機車的正常運行產生較大影響。如果在機車運行中，有效控制機車發生的縱向振動的頻率或者強度，能夠有效的緩解左右輪對的載荷變化。從而改善輪軌的運行環境，消除或緩解形成損傷的嚴重性。

2.2 輪對振動狀態分析

通過對輪對振動分析，可以分別求得輪對的自身振動頻率及外界對于輪對的縱向自激振動頻率，從而可以更加深入的了解整個共振導致的機車振動過程。也為控制振動發生強度奠定理論基礎。

通過分析機車運行中，輪對固有振動頻率可以看出，其余懸掛的剛度具有直接關系，懸掛的強度剛度越低，其直接導致輪對的固有振動頻率較大，使得機車的縱向振動情況加強，對輪對與鋼軌之間的接觸面產生較大的影響，造成踏面損傷。一般情況下，輪對的固有振動頻率與外界作用下的輪對頻率相差較大。但隨著固有頻率的增加，如果外力作用下的頻率與固有振動頻率相似時導致共振，會引發較為嚴重的機車振動，并導致左右輪對上產生較為不均衡的載荷變化，導致踏面損傷。因此，可以通過控制懸掛的剛度和位置，減緩輪對的固有頻率數值，從而降低共振發生的可能性。有效控制機車發生的縱向振動的頻率或者強度，有效地緩解左右輪對的載荷變化。從而改善輪軌的運行環境，消除或緩解形成損傷的嚴重性。

3 機車車輛踏面現場測試

3.1 使用儀器及儀器的布置

車輛縱向振動測試過程中所使用的儀器有數據采集儀、動態應變儀、加速度計、應變片等。將加速度計布置在牽引機車車廂司機室的地板下方，傳感器防止在軸箱上。

3.2 測試路段的基本條件

選取的區間段所在的鐵路線總長度為1500Km，整體鐵路沿線的地形地貌比較復雜。鐵路貫穿的隧道有30多座，另外通過的高架橋梁有470多座。由于整體鐵路線段的長度較大，因此本研究選取具有代表性的區間段作為研究路線，選取的路線長度為350Km，鐵路的實施標準為國鐵一級雙線鐵路。為了便于結合具體形貌分析相關數據，本次將選取的路線分為五大基本組成片段。其中，第一區間段，地形為碎石道床，坡度最大處為10‰，曲線的半徑最小為700m。第二區間段以上坡為主的碎石道床線路。第三區間段為直線線路為主，且存在較少的小坡度碎石道床線路。第四區間段為整體道床，其中存在大上坡的坡道，全場1700m，隧道的半徑為400m。第五區間段為下坡坡道，以碎石道床為主，坡度多處超過20‰。在分析中，選取具有代表性的第一區間、第三區間、第四區間為分析對象。

3.3 試驗方案

在機車運行中，測試輪對與車體各向振動發生的動態響應情況，通過振動分析，研究分析機車踏面產生損傷的原因及產生的機理。再探明原因及產生機理之后，提出相關的改進措施以緩解損傷的程度。通過第2章中的分析可以得知，機車懸掛的剛度對于縱向振動具有直接的關系，從而間接對踏面的損傷具有影響，可以通過改變懸掛的剛度來緩解損傷的產生機率。在此次分析中，對于此種方式的有效性也進行了探究。在軸箱和構架間加裝縱向減振器，來比較加裝減振器前后機車的振動情況。在對于振動比較分析中，側重對于振動的幅度和頻率進行比較和分析。

對測試的機車進行了輪對鏇修，以防止外形誤差對于測試結果產生影響，并且選擇測試的機車性能調試為最佳狀態。對同一機車在同一線路上測試兩次縱向振動響應情況，兩次情況分別為A和B，其中A為為加裝輪對縱向振動減振器的機車進行縱向振動測試，B為加裝了輪對縱向振動減振器的機車進行縱向振動測試。

4 機車車輛踏面測試數據分析

4.1 車輛振動功率譜密度的估算原理

機車在運行中的各部件的振動響應信號是一個平穩隨機的過程，而平穩堆積過程的樣本函數一般為不可積，也就意味著不能對信號進行傅里葉函數變換，因此需要對考察變量進行變換，采用功率譜函數作為譜分析的依據，根據維納-辛欽定理可以將功率譜函數看成是信號相關函數的傅里葉變換。

根據廣義普和分析理論，將均方連續的零均值平穩過程進行函數重構，再利用正交性來建立。對自相關函數進行變換的目的就是分析前后兩個不同時刻的振動之間是否存在特定的聯系或是否相似。利用自相關函數可檢驗數據是否相關，其次可用于檢驗混于隨機噪聲中的周期信號。功率譜函數是表征單位頻率的平均功率，觀察的對象是功率，觀察的區域是譜域。自相關函數觀察的對象是功率，觀察的區域是時域。功率譜函數和自相關函數可以通過傅里葉函數進行變換。

功率譜密度是結構在隨機動態載荷激勵下響應的統計結果，是一條功率譜密度值－頻率值的關系曲線，其中功率譜密度可以是位移功率譜密度、速度功率譜密度、加速度功率譜密度等形式。

4.2 第一區間段的數值分析

在第一區間段的列車進行加裝和未加裝減振器的軸箱縱向加速度情況進行測試，未加裝減振器測試結果是軸箱縱向振動加速度在56Hz時達到最大值，在17.75Hz時出現局部極值。加裝減振器的測試結果是縱軸箱向振動加速度的相應情況和未加裝減振器的響應狀態基本相似，但在17.75Hz位置的加速度明顯降低。

對列車進行加裝和未加裝減振器的車體縱向振動情況進行測試，未加裝減振器測試結果是車體縱向振動情況在73.5Hz時達到最大值，最大值數值為1.3。加裝減振器的測試結果是車體縱向振動情況在73.5Hz時達到最大值，最大值數值為0.1075。通過對比可以明顯看出加裝減振器的車體縱向振動遠遠小于未加減振器的振動狀況。

結合車體的縱向振動強度及縱向加速度的響應狀況，可以得出，對于第一區間，列車在運行中的縱向振動情況可以通過加裝縱向減振器加以緩解。

4.3 第二區間段的數值分析

在第二區間段的列車進行加裝和未加裝減振器的軸箱縱向加速度情況進行測試，未加裝減振器測試結果是軸箱縱向振動加速度在74.5Hz時達到最大值，其最大值數值為1.784。加裝減振器的測試結果是縱軸箱向振動加速度在78Hz時達到最大值，其最大值數值為6.074。未加裝減振器的軸箱縱向加速度和加裝減振器的響應情況在55-90Hz區間內明顯高于其他區間的響應情況。加裝減振器后，降低了18-40Hz和110-130Hz兩個區間內的縱向加速度響應狀況。

對列車進行加裝和未加裝減振器的車體縱向振動情況進行測試，未加裝減振器測試結果是車體縱向振動情況在72Hz時達到最大值，最大值數值為0.16。加裝減振器的測試結果是車體縱向振動情況在72Hz時達到最大值，最大值數值為0.32。并且在60-80Hz的區間內的縱向振動情況基本相似，但加裝減振器的情況其數值較大。加裝減振器可以緩解9.5Hz的局部極值狀況。

4.4 第三區間段的數值分析

在第三區間段的列車進行加裝和未加裝減振器的軸箱縱向加速度情況進行測試，未加裝減振器測試結果是軸箱縱向振動加速度在76Hz和19Hz時達到最大值，其最大值數值為5.9。次極值出現在59.5Hz，數值為4.6。加裝減振器的測試結果是縱軸箱向振動加速度在在76Hz和19Hz位置的響應情況明顯降低，數值基本在3.0左右，較4.6明顯降低。另外，對于59.5Hz處的次極值也明顯降低。但在110Hz-125Hz區間內的縱向加速度情況增強。

對列車進行加裝和未加裝減振器的車體縱向振動情況進行測試，未加裝減振器測試結果是車體縱向振動情況在86Hz時達到最大值，最大值數值為0.774，次極值在45Hz處，數值為0.426Hz,另外在15.5Hz處的數值也較大，具體數值為0.271。加裝減振器的測試結果是車體縱向振動情況在72Hz時達到最大值，最大值數值為0.612，次極值在31.75Hz處，數值為0.156Hz,另外在20.5Hz處的數值也較大，具體數值為0.136。可以看出加裝減振器后的縱向振動稍微降低。

4.5 綜合分析

通過對以上三個區域的縱向振動情況進行數值分析，可以發現在未加裝縱向減振器前軸箱的縱向振動成分主要由17-19Hz和55-90Hz范圍的振動組成。加裝縱向減震器后17-19Hz區間的振動情況得到抑制。第一區間、第二區間在該頻率附近的振動基本消除，第三區間在該頻率附近的振動也得到明顯抑制。輪對的固有振動頻率在82Hz左右，由于輪對上附加傳動齒輪的作用，會對其固有振動頻率稍微降低，基本維持在75-80Hz。在此區間內極容易發生共振現象，引起接觸斑縱向蠕滑力與蠕滑率周期性的變化，造成較為嚴重的踏面損傷。

4.6 減少車輪踏面損傷的對策

（1）嚴把車輪材質關

在車輪檢修中發現,有相當數量的車輪踏面損傷是由材質引起的,如車輪踏面圓周磨耗,只有當車輪與鋼軌的硬度比在1左右,車輪與鋼軌的磨損量才保持平衡。因此,在車輪選材及材質處理時,一定要嚴格掌握好材質的硬度,使車輪與鋼軌的硬度比保持在接近1的最合理的狀態。另外,更應嚴格執行加工工藝,避免材質有夾渣、氣孔等缺陷,減少由此引起的車輪裂損剝離。

（2）對列車制動系統的可靠性進行檢查

我段列檢反映的情況表明,因制動操作不當,制動系統故障導致的車輪擦傷故障率高達90%,且后果最為嚴重。因此,要對以下故障進行重點檢查，只有列檢部門對故障進行認真檢查,才可防止車輛抱死閘,消除事故隱患,保證行車安全。

（3）優化機車車輛運行品質

機車車輛運行品質的好壞,直接影響著車輪踏面的損傷程度,尤其是在高速運行條件下,速度越高,動載荷越大,車輪踏面的損傷就越嚴重。因此,從優化機車車輛運行品質入手,減少輪軌動作用力,從而降低車輪踏面損傷。

5 結語

通過對改路線段的輪軌踏面損傷的分析，可以發現其主要的原因有機車的粘著利用較高；通過對幾個不同區間的數值分析，輪對在55-90Hz區間的縱向振動較其他頻率區間的響應狀態強。而對輪對的模態分析發現，輪對的固有振動頻率在82Hz左右，由于輪對上附加傳動齒輪的作用，會對其固有振動頻率稍微降低，基本維持在75-80Hz。機車在運行過程中的自激頻率與此區間的頻率類似，極容易發生共振，引起輪對踏面磨損加劇。采用一系懸掛縱向減振器后得到一定程度抑制。由于兩次試驗中，機車的粘著利用并不一致，加裝縱向減振器試驗中機車的粘著利用比不加裝減振器的工況得到改善，因此對加裝減振器后車輛縱向振動得到改善。

就本次試驗結果而言，機車輪對的扭振可能是造成車輪多邊形化的一個主要因素，盡管車輪多邊形化非常嚴重，但并不產生剝離；而在運行過程中輪對產生15-20Hz的縱向振動時，剝離將代替多邊形化成為主要的踏面損傷。

[1]陳元凱.高速列車車輪踏面損傷機理分析及激光熔覆梯度涂層防損研究[D].華東交通大學,2016.

[2]封亞明,何柏林.鐵道車輛輪軌接觸疲勞的影響因素[J].表面技術,2016（11）：48-54.

[3]劉存柱.大秦線TPDS對車輛踏面損傷監測作用的分析與研究[J].太原鐵道科技,2016（4）：31-33.