重載機車電制動力對踏面剝離的影響研究

劉 鵬

(中車大同電力機車有限公司 技術中心， 山西大同 037038)

近年來，隨著我國貨運鐵路向高速、重載方向發展，機車走行部出現的問題也隨之增多，而機車輪對踏面剝離問題變得尤為突出，占機車輪對故障問題很大比例[1]。作為鐵路機車走行部的重要部件之一，其技術質量直接影響到鐵路行車安全水平，需要對機車輪對踏面剝離進行分析與研究，尋找簡單有效的解決方法。

針對踏面剝離問題，國外研究較早，但由于造成剝離問題的原因涉及多個方面，且經常反復出現，至今仍是亟需解決的世界性難題[2-3]。近年來，國內學者提出研制和開發新的輪對材料，提高輪對韌性和抗馬氏體相變能力[4]。文獻[5]提出減少機車空轉以降低輪對損傷。文獻[6]提出改善牽引力對機車輪對黏著性能的影響。文獻[7]提出消除輪對的縱向共振現象來改善輪對踏面的使用壽命。文獻[8]提出采用彈性車輪以降低輪對剝離問題。目前解決踏面剝離問題大多從改變車輪材質、消除共振、減少機車輪對空轉等方面做工作，文獻[4]提出改變車輪材質，成本高，實施難度大，而且車輪材質還需與鋼軌匹配；文獻[5-6]提出的通過調整機車黏著性能來改善踏面剝離狀態，該方法對踏面剝離改善效果有限，不能從根本上消除踏面剝離。根據實測六軸、八軸電力機車踏面狀態，提取踏面剝離的主要特征，從輪軌動力學角度證明降低車輪縱向蠕滑力和蠕滑率可以有效改善踏面剝離狀態，提出通過有效降低機車電制動力的方法解決機車踏面剝離問題。

1 機車踏面剝離的主要特征

1.1 剝離裂紋的位置與方向

通過現場實測，圖1給出了六軸機車踏面剝離的主要特征，并按照剝離裂紋特征分為豎向裂紋(沿圓周方向)、橫向裂紋(沿軸向)、斜裂紋3種裂紋形式，且這3種裂紋和更換輪對或旋修后的運行里程無明顯關系。豎向裂紋主要出現在中間輪對(第2、5軸位)，而橫向裂紋和斜裂紋主要出現在端軸。豎向裂紋主要位于距離輪輞內側面80～90 mm，橫向裂紋主要位于67.35～92.54 mm，斜裂紋主要位于77.78～87.77 mm范圍。

圖2給出了八軸機車的踏面狀態。八軸機車踏面表面仍能發現明顯的裂紋痕跡，但相對于六軸機車裂紋，八軸機車踏面主要存在較輕的斜裂紋，且很少發現橫向和垂向裂紋。

豎向裂紋、斜裂紋在旋修過程中往往會很快消失，說明這種裂紋并未擴展至較深位置。在車輪旋修時橫向裂紋往往較深，為消除橫向裂紋需要旋去較厚的車輪材料。根據裂紋方向和受力方向總是呈現出垂直的關系，可以推斷橫向裂紋主要和車輪受到的輪軌縱向動力作用有關。

圖2 八軸機車踏面剝離典型狀態

1.2 剝離裂紋的萌生

當機車按照圖3所示方向運行時，在牽引力作用下，輪軌接觸點處的車輪表面材料會發生如圖3所示的流動，流動方向和受力方向相同，而對于鋼軌表面的材料流動方向則相反。在制動條件下，車輪表面受到與運動方向相反的力，此時車輪表面的材料則會發生向后的流動，與圖3所示相反。

圖3 牽引條件下車輪表面材料塑性流動示意圖

牽引力或者制動力越大，輪軌接觸位置表面材料的塑性流動越明顯，當表面材料所受剪切應力超出材料的屈服極限時，材料表面即出現微觀裂紋。因此，從降低材料塑性流動從而減輕表面裂紋萌生的角度來說，降低牽引力或者制動力、提高材料的屈服強度是有效的。

2 兩種車型輪軌受力特性分析

機車在制動條件下，在直線上各車輪所受的縱向蠕滑力均和前進方向相反，且同一軸位左側車輪和右側車輪差異不明顯；在曲線上各輪對的受力情況比較復雜，下面重點分析在曲線上各車輪的受力情況[9]。為了便于分析，以六軸機車為例，對車輪進行編號，如圖4所示。

基于車輛-軌道耦合動力學理論，重點分析六軸機車和八軸機車通過小半徑曲線(曲線半徑400 m，超高110 mm)時各輪對的受力情況。由于在受力方向和輪軌接觸點方面，前后轉向架對應輪對差異不大，因此只給出了前轉向架各輪對通過曲線時的受力特性。圖5分別給出了前轉向架各輪對的受力方向(a)和橫向位移方向(b)。

圖4 車輪編號

圖5 六軸機車通過曲線時各輪對受力及橫移方向

由圖5可以得出，當六軸機車通過曲線時，第1、2軸位偏向曲線外側橫移，而第3軸為偏向曲線內側。對于縱向蠕滑力方向，1R、2R、3L車輪輪軌縱向蠕滑力和運行方向相反，1L、2L、3R車輪輪軌縱向蠕滑力和運行方向相同。對于橫向蠕滑力，第3軸位左右車輪所受橫向蠕滑力指向曲線外側，而其余軸位車輪所受橫向蠕滑力指向曲線內側。

圖6給出了八軸機車前轉向架各輪對縱向蠕滑力示意圖，可知1L、2R車輪所受縱向蠕滑力方向和前進方向相同，1R、2L車輪所受縱向蠕滑力方向和前進方向相反。

圖6 八軸機車通過曲線時縱向蠕滑力方向

3 電制動力對輪軌縱向動力作用的影響

針對六軸機車與八軸機車在運營過程中出現的不同車輪踏面狀態，基于車輛-軌道耦合動力學理論，計算分析了兩種機車輪軌動力作用下的輪軌動力作用，詳細對比了輪軌動力學性能指標，從輪軌動力作用方面找出兩種機車輪軌動力作用下的差異。在進行輪軌動力作用對比時，主要對比了對車輪橫向裂紋影響較大的縱向蠕滑力、縱向蠕滑率。

3.1 通過直線時的縱向蠕滑力和蠕滑率對比

對于六軸機車和八軸機車，由于制動條件下每個輪對的動力學指標響應規律十分接近，故圖7給出了兩種車型制動條件下通過直線時，1位輪對縱向蠕滑力的時間歷程。

圖7 兩種車型通過直線時的縱向蠕滑力對比

由圖7可以得出，當兩種機車制動條件下通過直線時，各輪對的縱向蠕滑力不超過50 kN，且隨著制動力的增加，縱向蠕滑力隨之增加。

圖8分別給出了兩種車型制動條件下分別通過直線時，各輪對縱向蠕滑率的時間歷程。

圖8 兩種車型通過直線時的縱向蠕滑率對比

由圖8可以得出，當兩種機車制動條件下通過直線時，各輪對的縱向蠕滑率隨著制動力的增加明顯增加。且對六軸機車來說，隨著制動力的增加，縱向蠕滑率的變化幅值進一步增加。

3.2 通過曲線時的縱向蠕滑力和蠕滑率對比

分析兩種車型分別在200 kN、300 kN、400 kN制動力作用下通過半徑為400 m曲線時的輪軌動力作用，并對比分析前轉向架各車輪縱向蠕滑力和蠕滑率的差異。分析機車惰行通過曲線時各輪對的受力情況，當機車施加牽引力或制動力時，各輪對所受的縱向蠕滑力首先會發生明顯變化。當施加制動力時，各輪對需要額外提供和運行方向相反的縱向蠕滑力，因此1L、2L、3R車輪所受縱向蠕滑力會出現下降，而1R、2R、3L車輪所受縱向蠕滑力會進一步增加，如圖9所示。需要說明的是，圖9(a)中的3L車輪縱向蠕滑力隨牽引力的增加未發生明顯變化，主要是因為此時已經達到黏著極限，即蠕滑力已經飽和。對于八軸機車1R、2L車輪，隨著制動力的增加，其縱向蠕滑力也出現明顯增加，其中2L車輪縱向蠕滑力始終高于其余車輪。

從縱向蠕滑力角度對比，六軸機車3L車輪在制動力為200 kN時即達到最大值(49.1 kN)，而八軸機車2L車輪在制動力為200 kN時僅為35.1 kN，兩者相差14 kN。但是隨著制動力的進一步增加，縱向蠕滑力的差值逐漸減小，主要是六軸機車縱向蠕滑力已經達到飽和狀態，而八軸機車仍未達到飽和狀態，因此，八軸機車縱向蠕滑力進一步增加，而六軸機車縱向蠕滑力保持在最大水平(49 kN左右)。

圖9 兩種機車輪軌縱向蠕滑力平均值對比

除了縱向蠕滑力之外，縱向蠕滑率對車輪踏面損傷也有較大影響。因此，對制動條件下兩種車型縱向蠕滑率進行了對比，如圖10所示。對于可能發生裂紋擴展的六軸機車1R、2R、3L車輪，縱向蠕滑率隨制動力的增加而發生增加。對于八軸機車1R、2L車輪，隨著制動力的增加，其縱向蠕滑率也出現明顯增加，其中1R車輪縱向蠕滑率始終高于其他車輪。

圖10 兩種機車輪軌縱向蠕滑率平均值對比

在相同工況下，六軸機車最大縱向蠕滑率均高于八軸機車，且隨著制動力的增加，兩種車型縱向蠕滑率均明顯增加，兩種車型縱向蠕滑率之間的差值越來越大。當制動力為400 kN時，六軸機車最大縱向蠕滑率為1.60%，而八軸機車縱向蠕滑率僅為0.95%。

4 結 論

通過實測六軸、八軸機車的踏面狀態，分析裂紋產生的原因以及輪軌的受力情況，對不同制動力下六軸、八軸機車的縱向蠕滑力、蠕滑率進行對比分析，得出如下結論：

(1)當車輪表面切向力(蠕滑力)超出材料屈服極限時，車輪表面材料的塑性流動產生裂紋，而降低切向力可有效降低表面裂紋的萌生。

(2)兩種車型在相同的制動力作用下運行，八軸機車的縱向蠕滑力和縱向蠕滑率要高于六軸機車，更容易造成踏面剝離，這與現場實測的裂紋位置、方向基本吻合。當制動力為200 kN時，六軸機車縱向蠕滑力較八軸機車增加14 kN，縱向蠕滑率增加0.19%，當制動力為400 kN時，兩者縱向蠕滑力相差6.3 kN，縱向蠕滑率相差0.65%。

綜上所述，增大電制動力可以增加機車的速度調節范圍，減少閘瓦的磨耗，但同時會增大機車運行過程中的縱向蠕滑力和蠕滑率。而縱向蠕滑力和蠕滑率的增大可能會導致車輪表面切向力超出材料屈服極限，導致裂紋的萌生。因此，當車輪出現裂紋或剝離時，在滿足應用工況的前提下有效降低電制動力，可以有效緩解或消除踏面剝離。尤其在列車通過曲線時，有效降低機車電制動力的發揮，可以減小輪軌動力學作用，避免踏面裂紋的萌生和擴展。