机车车轮失圆的原因及动态监测方法的分析与研究

陈庆 肖茜

摘要： 本文主要介绍了机车车轮失圆的危害，产生车轮失圆的主要原因，重点研究了机车车轮失圆动态监测方法，并举例说明应用位移测量法进行动态监测的思路及结果，为铁路设备故障检测提供参考。

Abstract： This paper mainly introduces the harm and the main causes of out-of-round locomotive wheel， and focuses on the dynamic monitoring method of out-of-round locomotive wheel， and gives an example to illustrate the idea and results of application of displacement measurement method for dynamic monitoring， providing a reference for railway equipment fault detection.

关键词： 车轮失圆；车轮踏面；动态监测

Key words： out-of-round wheel；wheel tread；dynamic monitoring

中图分类号：U270.7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）09-0129-02

1 概述

车轮失圆是一个极其复杂的过程。从固体力学的观点来看，轮轨间的接触力、接触应力和表面应力将导致车轮出现塑性变形和疲劳现象，不同的磨耗机理将导致不同的破坏现象。从摩擦学的观点来看，轮轨系统是一个开放系统，车轮失圆与轮轨系统的特性与环境状况有关。不同的载荷、滑动与润滑状况能诱发不同的磨耗机理，这些变量的微小变化可能导致磨损速率发生很大变化。车轮的失圆现象受到很多因素的影响，如曲线半径、轨道结构、车辆运行速度、轮轨间的动力行为、轮轨接触面的“第三介质”、轮轨材料等。车轮滚动圆失圆形式可分为局部失圆和全周失圆，车轮失圆主要有以下几种形式：局部缺陷、扁症、剥落、脱落、踏面突起、车轮呈现多边形、车轮非周期性不圆顺和车轮椭圆化。

本文针对机车车轮失圆现象，通过分析车轮失圆的危害、失圆的主要原因，重点研究了车轮失圆的动态监测方法，其中重点推荐位移测量法，但此方法需要提升传感器的技术性能。在动态监测车轮失圆现象而得到较为精确的结果后，对后续的车轮失圆故障分析及排除提供了重要的依据和参考。

2 车轮失圆的危害

2.1 影响行车安全

车轮失圆会造成车轮踏面出现严重剥离，同时会加大车辆的垂直振动和轮轨的动力作用，在这种情况下很容易出现配件脱落/轴箱弹簧断裂/减震器异常等故障，影响行人行车安全。

2.2 加大检修工作量

因为不解体镟轮设备数量有限，使得很多故障车轮无法得到及时维修，这样就要更换大量的车轮送修。对于车轮更换，其作业要求较高，更换时间较长，不但增加了检修成本，更加大了检修工作量。

2.3 使得备用车严重不足

由于车轮故障率较高，造成故障车增多，但是相关修复措施没有及时到位，有时只能甩车处理，甚至甩下的车不能及时调往修理台位检修，造成备用车严重不足，极大地影响到机车的正常运行。

3 车轮失圆的主要原因

列车提速后，对车轮的损伤有所加重，不同运行方向的车轮损伤情况也存在着差别，分析车轮失圆的主要原因有以下几点：

3.1 车轮材质达不到标准的要求

3.2 车轮反复挤压后发生塑性变形，造成踏面磨损

在钢轨上车轮的主要运行形式就是滚动，但在经过曲线部位等特殊情况下，其运行形式是滑动，因此，轮轨之间是一种滚滑混合的复杂摩擦运动。在车轮滚动的过程中其与钢轨之间会产生挤压和摩擦，长此以往下去其表层金属灰疲劳，导致磨耗。车轮踏面的最表层会随着不断的摩擦而急剧加热，且根据温度的不同产生两种形式的热裂纹。一旦轮轨接触应力过大，就会导致接触塑形流动磨损，而磨损的部分就会出现缺陷，甚至导致不规则变形，进而出现轮径偏差大，车轮偏心等现象，影响车辆的动力学性能，威胁行人的行车安全。

3.3 材质不均造成踏面局部凹下和剥离

若车轮局部材质过软，那么在车轮滚动的过程中会导致踏面局部凹下。导致踏面剥离的原因有两种，一是车轮材质不良，经过车轮与钢轨多次挤压而产生疲劳破坏；另一种是由于车轮滑动过程中产生的热导致的踏面局部金属组织异常造成的。踏面局部凹下和踏面剥离都对行人的行车安全存在很大威胁。

3.4 车载检测系统没发挥应有作用

机车都安装了车载行车安全监控装置，理论上能够对转向架及车体的异常振动进行监测，实际上很少监测车轮的非正常运行状态，使得车轮没能及时发现并处理，导致车轮出现故障，甚至影响整个车体的安全性。此外这也说明了车载检测系统还有很多待完善的地方，应采取有效措施进行改进。

3.5 线路质量

机车车轮磨损还与线路质量等存在很大关系，若线路质量不合格，会加剧机车车轮磨损，导致车轮失圆，影响行人行车安全。

4 主要的车轮失圆动态监测方法

车轮失圆的监测方法主要有两种，分别是静态监测和动态监测。其中静态监测方法只有在机车停止或车轮拆卸的情况下才能进行，因此不仅会占用机车的周转时间，而且效率低，劳动强度大；动态监测方法则无需停止机车或拆卸车轮，能夠在线监测机车车轮状态，如此不仅效率高，而且便于存储相关信息。现阶段我国采用的监测方法主要是静态监测，但荷兰、英国等国家已经广泛应用动态监测方法了。

动态监测系统有车载式和地面式。其中车载式监测系统由于需要将传感器安装在每根车轴上，通过监测车轴振动来间接获取踏面的外形参数，劳民伤财，采用的人并不多；而地面式监测系统是在线路上安装车轮外形测量系统，便捷经济，被广泛应用在监测运行中的机车车辆。

根据监测原理，当前主要的车轮失圆动态监测方法分为：振动加速度监测法、接触测量法、位移测量法及图像监测法。这些监测方法各有利弊，具体分析如下：

4.1 振动加速度监测法

机车运行过程中，轨道会在轮轨间的相互作用下产生振动，且当车轮失圆时，振动会加剧。振动加速度监测法就是依据该原理，通过收集整个机车经过监测点时轨道的振动情况，然后进行相关分析，提取出有缺陷的车轮信息。

振动加速度监测法在监测车轮缺陷的过程中还能够准确的分析出缺陷的危害程度，且具有很高的经济性。振动加速度监测法的优势是可监测中高速 （大于 100 km/h）机车，准确率较高，性能稳定，安装方便等。其劣势主要包括： 传感器间的安装距离固定，不适宜监测不同半径的车轮，且只能监测机车速度超过100 km/h的机车；必须建立科学完整的速度变化曲线；机车的振动不止一处，数据分析时需要排除干扰。

4.2 接触测量法

当机车车轮失圆时，车轮半径就会变化，使得整个圆周内车轮半径不同，但由于不圆的只是踏面部分，而轮缘始终保持不变。这样，可以通过监测轮缘高度的变化来判定车轮踏面的缺陷。若轮缘高度基本没有变化时，为完好车轮；若轮缘高度在小段范围内（小于25mm）出现变化时，则车轮存在擦伤；若轮缘高度在整个圆周方位内出现波动时，则车轮出现失圆。

接触测量法的原理简单，安装方便，可以直接监测车轮踏面半径的变化，没有繁琐的数据处理，且准确率较高。但由于监测系统装置的结构特征，要求机车缓慢通过监测点才能准确的监测出车轮的缺陷情况，这样较难实现车轮的在线监测，但在列车入库等情况下，接触测量法可以起到良好的效果。

4.3 图像监测法

图像监测法是用激光照射机车车轮踏面，然后用高速摄像机进行连续拍摄，最后对拍摄到的图像进行处理而获得机车车轮外形的状况，进而计算出其踏面失圆度的大小。

图像监测法的原理简单，精度高，但一方面受到拍摄设备和环境的影响较大，另一方面受机车速度的限制较大，只能监测低速（一般低于30km/h）的情况，不适宜高速列车（大于200km/h）在线监测。但由于图像监测法精度高，并且适用于静态监测，所以应用前景较广泛。主要产品有日本的“车轮踏面形状自动测定装置”和澳大利亚的“车轮实时跟踪检测装置”。

4.4 位移测量法

依据轨道特性分析可知，当轨道受到压力作用时将产生垂向位移。机车运行时，若车轮出现失圆，则会在整个圆周内产生周期性的作用力变化。假设轮轨接触为单点接触，轨道垂向位移会随着轮轨相互作用力的变化而变化。所以，可以通过监测轨道的垂向位移来监测轮轨作用力的情况，这就是位移测量法的工作原理。若车轮完好，轨道垂向位移曲线应持续不变；若车轮出现失圆，在整个车轮圆周上轨道的垂向位移曲线将出现波动。

位移测量法不但能监测机车车轮的缺陷，而且监测设备安装方便（只需将传感器安装在轨道底部便可监测出轨道的位移），数据处理简单，重点推荐此检测方法。但是这种方法对传感器的要求较高，设备技术难度较大。

我们研究过用位移测量法对机车车轮失圆现象进行在线监测，采用2个分体式磁致伸缩位移传感器（适用于高速铁路等高要求领域）在线实时检测制动器及轮对踏面的机械位移，将检测到的信号通过模/数转换模块转换成数字信号，然后提供给计算机模块进行计算和处理，其结果通过人机界面和声光报警模块进行显示和报警。我们对位移测量法检测到的数据进行仿真，得到了车轮失圆的中短轴、长轴与标准车轮比较后的波谷值为0.5mm，在标准范围之内。

5 结束语

本文针对机车车轮失圆现象，分析了车轮失圆的危害及失圆的主要原因，提出了对失圆现象进行监测的办法，重点研究了车轮失圆的动态监测方法，重点推荐位移测量法，并通过应用举例，说明了车轮失圆在线监测系统构建的主要思路，再通过仿真分析得到了失圆的数据结果。

参考文献：

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