動車組車輪踏面損傷深度高效測量方法

魏洪方

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，青島 266111）

1 技術背景

動車組運行檢修過程中，經常發現車輪踏面存在擦傷、硌傷以及剝離等損傷問題[1]。踏面擦傷發生在輪對兩個車輪上同一圓周位置，是由制動和加速時輪軌滑移而產生是。硌傷是車輪踏面出現小的凹痕，由運營中輪軌接觸面間存在的小物體（如石子）產生。滾動接觸疲勞是在車輪踏面中心出現小裂紋，由輪軌間的滑移切向力產生。剝離是由于上述損傷及擦輪而引起的局部材料丟失。輪對作為動車組的重要走行部位，承擔著導向和承載整車質量的作用，其踏面缺陷需要控制在一定范圍內，否則會直接影響車輛的運行安全[2]。因此，快速有效地對缺陷深度進行測量顯得尤為重要。

2 常用測量方法

動車運行所在車輪踏面損傷深度測量時無便捷和高效的測量方法，目前多采用經驗判斷、刀口尺配合塞尺以及第四種檢查器等方式判斷和測量損傷深度。但是，這些方法難以保證測量精度，會給行車安全帶來一定的隱患[3]。

2.1 經驗判斷

在發現踏面損傷時，采用目測和手摸等方法進行判斷。對于深度很小的損傷，這樣可以滿足要求，同時能夠提高檢查效率。但是，對于深度接近限度要求的損傷容易產生誤判，從而帶來一定的行車安全隱患。

2.2 塞尺測量

塞尺測量是將刀口尺或鋼板尺放置在踏面損傷處，然后用塞尺進行測量。使用這種方法測量時會因塞尺面積大而導致無法有效測量到損傷最低點。此外，刀口尺為直尺，會與損傷處滾動圓兩側接觸，導致此部分弧高無法計入測量而造成測量的結果相比實際偏小[4]。

2.3 第四種檢查器

第四種檢查器如圖1所示，其豎尺帶有踏面磨耗測尺，測量過程如下。

圖1 第四種檢查器

（1）定位。將定位角鐵與車輪輪輞內側貼合，并盡可能保持尺身處于輪徑方向。

（2）找點。移動輪輞寬度測尺尺框，使A點接觸踏面損傷最深處，并擰緊輪輞寬度測尺鎖緊螺釘。

（3）第1次測量。移動輪緣高度及踏面磨耗測尺與輪緣接觸，此時讀取測尺數值a。

（4）第2次測量。沿圓周方向旋轉檢查，使A點與正常踏面接觸，此刻移動輪緣高度和踏面磨耗測尺與輪緣接觸，并讀取測尺數值b。

（5）結果。損傷深度為a～b。

使用第四種檢查器檢測損傷深度時存在以下問題。

（1）無法保證尺身與輪徑方向重合，從而降低了測量精度。

（2）側頭A直線部分與損傷線接觸，從而無法觸及損傷最深處。

（3）輪緣高度及踏面磨耗測尺精度過低（0.1 mm），無法滿足精度要求。

（4）一次無法測定，需旋轉一定角度，而二次定位導致測量誤差增大。

綜上所述，以CRH2型車為例，車輪踏面損傷深度要求不超過0.25 ㎜，現行的判斷和測量工具無法滿足要求，給動車組的安全運行帶來了一定的隱患。

3 新型測量方法

為提高踏面損傷深度的測量效率，基于精確定位、精準測量以及一次測定的目標，經研究，提出了一種新型簡易的測量尺結構[5]。

3.1 測量尺結構

測量尺由本體、橫尺和百分表（可根據精度要求進行相應調整，如千分表）3大部分組成。本體上固定有定位1和定位2，橫尺可軸向移動，并可通過鎖緊螺母1鎖緊。百分表可徑向移動，并配有側頭和輔助側頭（小球狀結構，且側頭與2個輔助側頭所處平面與定位1所在平面平行），具體結構如圖2所示。

圖2 測量尺結構

3.2 測量方法

測量過程包括定位、找點和讀數3個步驟，測量示意圖如圖3所示。

圖3 測量示意圖

（1）定位。軸向定位，定位1與輪輞內側面貼合；徑向定位，定位2與輪緣頂部貼合。

（2）找點。移動橫尺，使側頭接觸踏面損傷最深處，并使兩輔助側頭與踏面接觸。

（3）讀數。讀取百分表數值，即為損傷深度。

3.3 測量精度

為實現一次測量即為損傷深度的目標，測量尺配有輔助測頭。此時，需對測量結果進行修正補償，損傷深度測量原理如圖4所示。圖4中，A、B點為輔助測頭，C點為百分表測頭，P點為損傷最深點，CP為損傷深度。因C點實際已不存在（損傷處），而D點可以人為設定，即當A、D、B處于同一直線（高度）時，人為設定百分表的讀數為Δ，然后測得DP的數值，即可在百分表直接顯示出損傷深度（Δ+DP）。

圖4 測量修正

結合車輛運用情況，車輪踏面損傷長度大多數小于20 mm。 在此設定測量尺兩輔助側頭間距為20 mm，則L=10 mm，各參數關系如下：

式中：r為損傷處滾動圓半徑OB；h為直角三角形直角邊高OD；L=DB=AB/2。

以CRH2型動車組為例，當輪徑r變化范圍為860～790 mm 時，將r=860 mm代 入 式（1）和 式（2）計 算 可 得Δ1= 0.058 1 mm；將r=790 mm代入式（1）和式（2）計算可得Δ2=0.063 3 mm。于是，最終可得平均值Δ=0.060 7 mm， 在此取Δ=0.06 mm，因此測量最大誤差為max(|Δ1-0.06|, |Δ2-0.06|)，即為0.003 3 mm。考慮到檢修要求損傷深度≤ 0.25 mm，可知此測量精度滿足要求。

當輪徑r變化范圍為920～850 mm時，將r=920 mm 代入式（1）和式（2）計算可得Δ1=0.054 3 mm；將r=850 mm代入式（1）和式（2）計算可得Δ2=0.058 8 mm。同樣，最終取Δ=0.06 mm，則測量最大誤差為max(|Δ1-0.06|,|Δ2-0.06|)， 即為0.005 7 mm，則此測量精度同樣滿足要求。

3.4 精度提升

測量尺配有輔助測頭，可實現一次測量即為損傷深度，提升測量效率。為進一步提升測量精度，現將輔助測頭設計為浮動式結構，可隨轉軸旋轉，如圖5所示。

圖5 浮動式輔助測頭

車輪運行一段時間后，車輪輪緣和踏面表面狀態較差，會出現不同程度的磨損、不圓度較大等現象。此時，輪緣頂部滾動圓和損傷處滾動圓難以保證同心，如圖6所示。

圖6 滾動圓不同心

圖6中：E、F點為測量尺V型定位2與輪緣頂部接觸點；A、B點為輔助測頭；外圓為定位2處滾動圓；內圓為損傷處滾動圓。當外圓和內圓不同心時，若輔助測頭無法旋轉，即AB∥EF，將會造成其中1個輔助測頭A或B與損傷處滾動圓不接觸，從而導致測量結果偏大。增加浮動式設計，使輔助測頭可旋轉，從而使輔助測頭在a、b點與損傷處滾動圓接觸，以減少因不同心帶來的測量誤差（大小約為Aa/2）。

4 結語

結合動車組輪對日常檢修工作實際情況，為滿足運行檢修準確性和快速性的特點，從輪對踏面檢修質量和效率出發，重點探討了在滿足準確和快速對缺陷進行定位的同時，如何一次性測量即為缺陷深度的測量方法。經分析現行測量方法的優缺點，并對現有方法加以改進升級，最終形成了高效便捷測量方法。相比原有測量方法，新型測量尺可實現精確定位、精準測量以及一次測定的目標，操作便捷且易于實現，最大限度實現了快速測量，提升了運行檢修效率，保證了測量精度，對車輛行車安全具有重要作用。