HX D1C型机车车轮踏面剥离问题的探讨

严中明

（郑州铁路局 洛阳机务段，河南洛阳471002）

为适应陇海线增吨提速、机车长交路轮乘的需要，按照铁道部生产力布局的调整，洛阳机务段从2010年底陆续支配200台HXD1C型机车，其中固定重联94对，担当西陇海铁路线郑州至西安（新丰镇）间的货运列车牵引任务。该型机车自投入运用以来，受机车性能结构、运行线路状况及牵引增吨提速的影响，车轮踏面剥离比较严重，车轮旋修频繁，严重影响轮对使用寿命。探讨HXD1C型机车车轮踏面剥离的原因，制定预防措施，减少车轮踏面剥离。

1 机车运用情况

（1）机车运行交路及线路情况

洛阳机务段固定支配运用的HXD1C型机车以郑州为支点，西安（新丰镇）为折返点的肩回式交路，牵引区段营运里程498.4 km。

牵引区段线路纵断面较为复杂，弯道多，曲线半径小，坡道大，持续长大坡道长，线路限速地段多。

牵引定吨为双机牵引5 000 t。单机牵引4 500 t。

（2）机车运用情况

HXD1C型机车自2010年底陆续投入运用以来，截止至2011年底，最高走行公里200 734 km，最低走行公里79 088 km。一年来，共计发现173台机车221台次，合计496个轮对524个车轮踏面发生剥离。出现剥离现象，最早发现时仅走行28 683 km，最高走行公里193 618 km，平均走行公里105 191 km。同一个轮对车轮踏面剥离旋修后发生第2次剥离10台车，同一个车轮踏面剥离旋修后发生第2次剥离8台机车8个车轮，最低走行公里39 647 km，最高走行公里100 746 km，平均走行公里70 458 km。

车轮踏面剥离集中发生在1，3，4，6位；以3，4位剥离居多，其中3，4位剥离314个（占59.9%），1，6位剥离位201个（占38.4%），2，5位剥离9个（占1.7%）。消除剥离旋修量最大的达到14 mm（即轮径减少28 mm）。

2 车轮踏面剥离原因分析

HXD1C型机车车轮踏面剥离原因较为复杂，有车轮材质方面的原因，有该型机车性能结构受线路状况的影响，有线路运行条件、轮轨间接触疲劳和轴重转移的影响。

2.1 车轮材质方面的影响

影响车轮材质的因素很多，有化学成分、非金属夹杂物含量高的影响，有热处理、冷锻压工艺及制造应力的影响等。某一个环节出现细小的问题，都会影响车轮本身的质量。

随着铁路向高速、重载方向的发展，所使用的机车功率大、构造速度高、轴质量大。这就要求车轮在制造时，有关设计制造部门应重新考虑其化学成分、非金属夹杂物含量；重新考虑热处理、冷锻压及“时效”工艺，以适应铁路的高速发展。

2.2 性能结构受线路运行条件的影响造成车轮踏面剥离

HXD1C型机车转向架轴式为C0－C0结构，这种结构的转向架机车运行在高坡多、弯道多区段，其结构性能受制约。该结构转向架转向性能不良，加上其固定轴距为非等轴距（2 250＋2 000），转向性能更不良，机车过弯道时外侧车轮因转向不足易造成蠕滑，使得车轮踏面承受很大的剪切力，车轮内部交变应力增大，引起车轮踏面撕裂性剥离。第3、4位轮对车轮最严重。

同样的运行区段和运行线路，在换HXD1C型机车之前，在该运行区段运行的SS3B固定重联机车，采用同为C0－C0结构转向架，车轮踏面剥离情况和现在运行的HXD1C型机车情况基本相同；而采用B0－B0结构转向架的6 K型机车和SS4G机车车轮踏面就很少发生剥离。

另外该型机车绝大部分是双机重联运行，中间是车钩连接，机车在过曲线时，由于惯性作用造成重联端连接的第1、6位轮对因向外一侧转向不足易造成蠕滑，引起车轮踏面撕裂性剥离。早期运行在该区段的SS3B固定重联机车，也有类似的情况。

2.3 运行线路条件的影响

西陇海铁路线郑州至西安（新丰镇）间线路持续坡道平均在11～13‰间，持续坡道长、弯道多，限速地段多，运行区段又是客货混交路，客货流密集，机车起动频繁，其中有很大一部分在坡道起动，再加上高定吨，机车起动、运行十分困难，运行速度很难提高，加大了轮轨之间的滑动摩擦，使机车车轮踏面损伤。另外，遇雨雪等不良天气，轮轨间黏着力下降，或重载坡道起动时，车轮易空转造成车轮踏面损伤。这两种损伤在通过钢轨接头、道岔、撤岔及线路的各种不平顺处时，钢性地承受了全部垂直方向及水平方向冲击，频繁的冲击，最后造成车轮踏面剥离。

2.4 接触疲劳剥离

机车的全部载荷都通过车轮传给钢轨，牵引电动机转矩通过驱动装置传递经车轮作用于钢轨，产生牵引力，通过车轮的滚动使机车牵引列车前进。当车轮沿着钢轨运动，在通过钢轨接头、道岔、撤岔及线路的各种不平顺处时，刚性地承受了全部垂直方向及水平方向的冲击。静载荷、动作用力和制造应力共同作用在车轮上，使得车轮工作时的受力既复杂又严重。车轮内部产生交变应力，其金属表面发生塑性变形，见图1。塑性变形发生到一定程度后，车轮表面开始硬化，产生疲劳裂纹，见图2。如此时得不到及时处理，继续运行，最后发展到大面积剥离。这种现象在提速增吨、轴重增大后的机车上表现得更突出。

图1 车轮踏面碾宽

图2 疲劳裂纹

2.5 轴重转移的影响［1］

随着机车功率的不断增大，机车质量大小与功率的比值愈来愈小，黏着质量显得比较突出。黏着质量利用率越高，说明在牵引力作用下轴重转移越小，机车所能发挥的黏着力越大；反之，黏着质量利用率越低，说明在牵引力作用下轴重转移越大，机车所能发挥的黏着力越小。

牵引力是发生轴重转移的根本原因。当机车牵引运行时，各轴的轴重要发生变化，有的轴轴重增加，有的轴轴重减少，即轴重转移。轴重转移的数值随牵引力的增大而增大。当机车起动或爬坡时，发挥的牵引力是最大的，此时轴重转移也最大。在某些情况下，轴重增加量可以达到静轴重的20%或更多。

轮周牵引力经轴箱传给转向架构架，其传力点高度即车轴中心高度，为动轮直径之半；转向架构架经中心牵引拉杆将牵引力传给车体底架，其传力点在牵引梁的下方，传力点高度为h；车体底架将牵引力传给车钩，车钩高度为H。由于上述各传力点高度不同，在传递牵引力时，将分别引起车体底架和转向架的附加力矩M1。车体底架附加力矩引起前后转向架之间的轴重转移。如图3所示。

机车牵引力∑F K，两组承载弹簧座处传递的牵引力分别为FK1和FK2。则∑F K＝FK1＋FK2；车体底架产生的附加力矩为M1＝∑F K·（H－h）。

HXD1C型机车H＞h，前转向架将减载，后转向架将增载。在同一转向架内部，前轴减载，后轴增载。轴重减载的轮对，由于黏着质量减少，黏着力减小，将首先发生空转，造成轮轨间热损伤；轴重增载的轮对，在机车运行中动作用力也随之增加，也较易发生疲劳损伤。

图3 车体底架附加力矩引起前后转向架间的轴重转移示意图

3 踏面剥离的预防措施

通过对车轮踏面剥离的原因分析，为减少车轮踏面剥离，机务段采取了一些有针对性措施。

（1）加强对车轮踏面的日常检查和动态活件的报修，一旦发现车轮踏面剥离及时旋修消除，防止裂纹源向深处发展。

（2）车轮踏面塑性变形到一定程度，如车轮碾宽、左右轮径差大等，及时安排旋修，恢复车轮型面，尽早消除车轮踏面接触疲劳引起的剥离。

（3）车轮踏面剥离旋修时，尽量保证同一轮对左右轮径差一致，保证机车在线路上平稳运行；尽量保证全车各轴轮径差基本一致，减少机车运行中的轴重转移。

（4）加强日常探伤检查，严格按修程及探伤规范进行探伤，发现问题，及时处理。

（5）增强乘务员的责任心，不断提高他们的操作技能，平稳操纵，避免因空转、滑行等造成的车轮踏面损伤。

①充分利用HXD1C型机车轴重转移控制功能，减少轴重转移［2］

HXD1C型机车具有轴重转移控制功能，机车动轮在严重空转后，机车根据列车运行速度、牵引力自动寻找黏着点并逐步增加牵引力，此时乘务员切不可操之过急，盲目增大牵引力，防止动轮空转进一步加剧。列车接近上坡道以前，应将IDU画面调置牵引数据画面，观察各轴牵引力的发挥情况，运行中当发现机车出现轴重转移（牵引力不一致）或运行记录器“工况显示栏”内各速度通道速度不一致时，应及时撒沙遏制动轮空转。

②根据线路运行状况，合理操纵机车

列车接近上坡道以前，司机提前进行预防性撒沙，充分发挥机车黏着牵引力，利用有利地形（线路直缓地段）尽量提高列车速度，储足动能，做到动能闯坡，闯爬结合，爬坡时要注意观察各仪表的显示；运行至易发生动轮空转或线路状况不良的地段前，要采用线式预防性撒沙，防止动轮空转。发生动轮空转后若采取撒沙的方式不能消除时，乘务员要采用单独制动阀制动的方式来进行抑制，但一次制动时间不能过长，并待动轮空转停止后及时缓解机车制动。若使用撒沙及单独制动阀均不能有效遏制动轮空转时，乘务员要适当降低机车牵引力，待动轮空转停止后先维持既有速度运行，待列车运行至平直线路时再逐步提高牵引力，切不可急于加载，防止因牵引力突然增大而导致机车再次发生动轮空转。

列车在接近上坡道的车站停车后，乘务员除了认真检查机车撒沙装置外，还要做好必要的思想准备，站内起动列车时要发挥机车最大黏着牵引力，充分利用站内有利地形提高列车运行速度。遇雨雪等不良天气或坡道起车前，将机车牵引力缓慢增加至200 k N后再缓解列车制动及机车制动，同时缓慢将牵引力增大至起动列车所需要的牵引力；列车起动后再根据实际情况逐步提高手柄位置，增加机车牵引力，并要适当撒沙防止动轮空转。

4 应用效果

洛阳机务段采取了上述措施后，取得了一定效果，该机务段支配运用的HXD1C型机车车轮踏面发生剥离已明显减少，剥离周期已延长近一个季度检查期。延长了机车使用寿命的同时，也解决了因车轮频繁旋修给运输生产带来的实际困难。

5 结束语

通过对车轮踏面剥离的原因的分析，我们发现造成机车车轮踏面剥离的原因很复杂，有材质方面的影响，有机车性能结构及运行线路条件的影响，有轮轨间接触疲劳和机车轴重转移的影响等原因。找到正真原因，采取针对性措施，就能取得效果。

另外，机车车轮是一种高负荷、高运转部件，是保证机车安全运行的关键部件，建议机车和车轮制造单位及车轮设计研究部门，应根据机车车轮运用情况对车轮的材质和工艺要求等作相应的调整和改变，以适应铁路提速、重载、安全、高效的要求。建议上级主管部门根据各型机车的性能特点、线路运行情况合理配备机车，充分发挥铁路的运输能力。

［1］李志彪.电力机车总体及走行部［M］.北京：中国铁道出版社.2009.

［2］南车株洲电力机车有限公司.HXD1C电力机车培训资料［R］.2011.