机车车辆踏面损伤机理研究

刘凤义

神华准能大准铁路公司车辆段

机车车辆踏面损伤机理研究

刘凤义

神华准能大准铁路公司车辆段

机车运行中造成的踏面损伤严重影响机车运行稳定和安全性。为探讨踏面损伤的主要引起原因，结合某路线段对机车的运行状态进行分析，通过比较加装纵向减振器前后的机车纵向振动状态来分析纵向振动对于踏面损伤的影响，结果表明加装纵向减振器可以降低机车的振动情况，对于踏面损伤的缓解具有推动作用。

踏面；损伤；机理

1 引言

随着铁路的发展，煤运输变得异常的便利。重载铁路给社会带来便利的同时，其运行中也存在一些问题。其中，车轮和钢轨之间的严重磨损在运行问题中最为棘手，严重影响着重载铁路的正常运行。导致轮轨之间磨损严重的因素较多，且相对复杂。目前，许多学者和专家都对此种情况进行分析研究。目前，较多的研究集中在通过建立相关的模型分析车辆在横向和垂向方向上的动态响应，以寻求导致磨损严重的内在因素。而在车辆的正常运输过程中，车辆的纵向振动对于磨损也存在较大的影响，然而目前在此方面的相关研究并不多。本文结合作者的工作经验，对车辆纵向振动方面的相关内容进行分析探讨，以此为基础分析车辆踏面磨损严重的机理。

为便于分析研究，本文结合具体的铁路路线段进行说明。某机务段的DF8B机车上的JM3型踏面出现较为严重的磨损，在路线较差的路段磨损更为严重，其主要的外观现象为轮对多边形，失圆和踏面磨损。机车出现上述的磨损状态是在其还未达到一个维修周期时发生的。为分析车辆纵向振动的影响，本文测试了车辆纵向减振器对于车辆的动态响应状态，并结合改路线段的实际特性，观察轮对纵向振动情况，考察纵向振动对于车辆踏面磨损严重的影响程度。

2 机车车辆踏面损伤理论分析

2.1 轮对纵向振动状态分析

轮对的纵向振动与车辆的横向运行稳定性及启动粘着作用相关性较小，因此在长期以来的研究中，对于轮对的纵向振动的研究较少，更多的研究集中在分析横向和垂向振动在车辆运行中的动态响应状态。据相关的研究数据表明，在40-130Km/h运行时，车辆纵向振动较为强烈。另外，在实际运行中也确实发生过此种强振动现象。提速机车在某些速度阶段或者施加牵引力时会产生较大程度的振动，正因为该种状态确实发生，也开始逐渐引起研究者们的关注。经过相关的分析探讨，证实这种强振动现象与车辆运行中的纵向振动存在较大的关系，与轮对的纵向定位悬挂的刚度之间存在特定的联系。

在机车实际运行中，由于存在轨道的不平衡、机车自身的横向和垂向振动作用等外界作用，机车的轮对会产生纵向振动的激励或者产生纵向位移量，导致轮对产生纵向振动。如果外界作用力导致的轮对纵向振动的频率与其自身的振动频率类似时，会产生共振现象，共振导致机车产生较为明显的纵向振动。在轮对纵向振动的自激作用力中，轮轨之间的滚动接触是最重要的组成部分。机车轮轨之间的滚动接触产生纵向振动，反之机车的纵向振动对于轮轨形成反向作用。这种反向作用导致轮轨的接触处产生较大的切向力，进而影响左右轮的动态接触负荷。这种载荷的变化很容易对踏面产生较大的损伤。踏面产生的碾压裂纹最终剥离，对机车的正常运行产生较大影响。如果在机车运行中，有效控制机车发生的纵向振动的频率或者强度，能够有效的缓解左右轮对的载荷变化。从而改善轮轨的运行环境，消除或缓解形成损伤的严重性。

2.2 轮对振动状态分析

通过对轮对振动分析，可以分别求得轮对的自身振动频率及外界对于轮对的纵向自激振动频率，从而可以更加深入的了解整个共振导致的机车振动过程。也为控制振动发生强度奠定理论基础。

通过分析机车运行中，轮对固有振动频率可以看出，其余悬挂的刚度具有直接关系，悬挂的强度刚度越低，其直接导致轮对的固有振动频率较大，使得机车的纵向振动情况加强，对轮对与钢轨之间的接触面产生较大的影响，造成踏面损伤。一般情况下，轮对的固有振动频率与外界作用下的轮对频率相差较大。但随着固有频率的增加，如果外力作用下的频率与固有振动频率相似时导致共振，会引发较为严重的机车振动，并导致左右轮对上产生较为不均衡的载荷变化，导致踏面损伤。因此，可以通过控制悬挂的刚度和位置，减缓轮对的固有频率数值，从而降低共振发生的可能性。有效控制机车发生的纵向振动的频率或者强度，有效地缓解左右轮对的载荷变化。从而改善轮轨的运行环境，消除或缓解形成损伤的严重性。

3 机车车辆踏面现场测试

3.1 使用仪器及仪器的布置

车辆纵向振动测试过程中所使用的仪器有数据采集仪、动态应变仪、加速度计、应变片等。将加速度计布置在牵引机车车厢司机室的地板下方，传感器防止在轴箱上。

3.2 测试路段的基本条件

选取的区间段所在的铁路线总长度为1500Km，整体铁路沿线的地形地貌比较复杂。铁路贯穿的隧道有30多座，另外通过的高架桥梁有470多座。由于整体铁路线段的长度较大，因此本研究选取具有代表性的区间段作为研究路线，选取的路线长度为350Km，铁路的实施标准为国铁一级双线铁路。为了便于结合具体形貌分析相关数据，本次将选取的路线分为五大基本组成片段。其中，第一区间段，地形为碎石道床，坡度最大处为10‰，曲线的半径最小为700m。第二区间段以上坡为主的碎石道床线路。第三区间段为直线线路为主，且存在较少的小坡度碎石道床线路。第四区间段为整体道床，其中存在大上坡的坡道，全场1700m，隧道的半径为400m。第五区间段为下坡坡道，以碎石道床为主，坡度多处超过20‰。在分析中，选取具有代表性的第一区间、第三区间、第四区间为分析对象。

3.3 试验方案

在机车运行中，测试轮对与车体各向振动发生的动态响应情况，通过振动分析，研究分析机车踏面产生损伤的原因及产生的机理。再探明原因及产生机理之后，提出相关的改进措施以缓解损伤的程度。通过第2章中的分析可以得知，机车悬挂的刚度对于纵向振动具有直接的关系，从而间接对踏面的损伤具有影响，可以通过改变悬挂的刚度来缓解损伤的产生机率。在此次分析中，对于此种方式的有效性也进行了探究。在轴箱和构架间加装纵向减振器，来比较加装减振器前后机车的振动情况。在对于振动比较分析中，侧重对于振动的幅度和频率进行比较和分析。

对测试的机车进行了轮对镟修，以防止外形误差对于测试结果产生影响，并且选择测试的机车性能调试为最佳状态。对同一机车在同一线路上测试两次纵向振动响应情况，两次情况分别为A和B，其中A为为加装轮对纵向振动减振器的机车进行纵向振动测试，B为加装了轮对纵向振动减振器的机车进行纵向振动测试。

4 机车车辆踏面测试数据分析

4.1 车辆振动功率谱密度的估算原理

机车在运行中的各部件的振动响应信号是一个平稳随机的过程，而平稳堆积过程的样本函数一般为不可积，也就意味着不能对信号进行傅里叶函数变换，因此需要对考察变量进行变换，采用功率谱函数作为谱分析的依据，根据维纳-辛钦定理可以将功率谱函数看成是信号相关函数的傅里叶变换。

根据广义普和分析理论，将均方连续的零均值平稳过程进行函数重构，再利用正交性来建立。对自相关函数进行变换的目的就是分析前后两个不同时刻的振动之间是否存在特定的联系或是否相似。利用自相关函数可检验数据是否相关，其次可用于检验混于随机噪声中的周期信号。功率谱函数是表征单位频率的平均功率，观察的对象是功率，观察的区域是谱域。自相关函数观察的对象是功率，观察的区域是时域。功率谱函数和自相关函数可以通过傅里叶函数进行变换。

功率谱密度是结构在随机动态载荷激励下响应的统计结果，是一条功率谱密度值－频率值的关系曲线，其中功率谱密度可以是位移功率谱密度、速度功率谱密度、加速度功率谱密度等形式。

4.2 第一区间段的数值分析

在第一区间段的列车进行加装和未加装减振器的轴箱纵向加速度情况进行测试，未加装减振器测试结果是轴箱纵向振动加速度在56Hz时达到最大值，在17.75Hz时出现局部极值。加装减振器的测试结果是纵轴箱向振动加速度的相应情况和未加装减振器的响应状态基本相似，但在17.75Hz位置的加速度明显降低。

对列车进行加装和未加装减振器的车体纵向振动情况进行测试，未加装减振器测试结果是车体纵向振动情况在73.5Hz时达到最大值，最大值数值为1.3。加装减振器的测试结果是车体纵向振动情况在73.5Hz时达到最大值，最大值数值为0.1075。通过对比可以明显看出加装减振器的车体纵向振动远远小于未加减振器的振动状况。

结合车体的纵向振动强度及纵向加速度的响应状况，可以得出，对于第一区间，列车在运行中的纵向振动情况可以通过加装纵向减振器加以缓解。

4.3 第二区间段的数值分析

在第二区间段的列车进行加装和未加装减振器的轴箱纵向加速度情况进行测试，未加装减振器测试结果是轴箱纵向振动加速度在74.5Hz时达到最大值，其最大值数值为1.784。加装减振器的测试结果是纵轴箱向振动加速度在78Hz时达到最大值，其最大值数值为6.074。未加装减振器的轴箱纵向加速度和加装减振器的响应情况在55-90Hz区间内明显高于其他区间的响应情况。加装减振器后，降低了18-40Hz和110-130Hz两个区间内的纵向加速度响应状况。

对列车进行加装和未加装减振器的车体纵向振动情况进行测试，未加装减振器测试结果是车体纵向振动情况在72Hz时达到最大值，最大值数值为0.16。加装减振器的测试结果是车体纵向振动情况在72Hz时达到最大值，最大值数值为0.32。并且在60-80Hz的区间内的纵向振动情况基本相似，但加装减振器的情况其数值较大。加装减振器可以缓解9.5Hz的局部极值状况。

4.4 第三区间段的数值分析

在第三区间段的列车进行加装和未加装减振器的轴箱纵向加速度情况进行测试，未加装减振器测试结果是轴箱纵向振动加速度在76Hz和19Hz时达到最大值，其最大值数值为5.9。次极值出现在59.5Hz，数值为4.6。加装减振器的测试结果是纵轴箱向振动加速度在在76Hz和19Hz位置的响应情况明显降低，数值基本在3.0左右，较4.6明显降低。另外，对于59.5Hz处的次极值也明显降低。但在110Hz-125Hz区间内的纵向加速度情况增强。

对列车进行加装和未加装减振器的车体纵向振动情况进行测试，未加装减振器测试结果是车体纵向振动情况在86Hz时达到最大值，最大值数值为0.774，次极值在45Hz处，数值为0.426Hz,另外在15.5Hz处的数值也较大，具体数值为0.271。加装减振器的测试结果是车体纵向振动情况在72Hz时达到最大值，最大值数值为0.612，次极值在31.75Hz处，数值为0.156Hz,另外在20.5Hz处的数值也较大，具体数值为0.136。可以看出加装减振器后的纵向振动稍微降低。

4.5 综合分析

通过对以上三个区域的纵向振动情况进行数值分析，可以发现在未加装纵向减振器前轴箱的纵向振动成分主要由17-19Hz和55-90Hz范围的振动组成。加装纵向减震器后17-19Hz区间的振动情况得到抑制。第一区间、第二区间在该频率附近的振动基本消除，第三区间在该频率附近的振动也得到明显抑制。轮对的固有振动频率在82Hz左右，由于轮对上附加传动齿轮的作用，会对其固有振动频率稍微降低，基本维持在75-80Hz。在此区间内极容易发生共振现象，引起接触斑纵向蠕滑力与蠕滑率周期性的变化，造成较为严重的踏面损伤。

4.6 减少车轮踏面损伤的对策

（1）严把车轮材质关

在车轮检修中发现,有相当数量的车轮踏面损伤是由材质引起的,如车轮踏面圆周磨耗,只有当车轮与钢轨的硬度比在1左右,车轮与钢轨的磨损量才保持平衡。因此,在车轮选材及材质处理时,一定要严格掌握好材质的硬度,使车轮与钢轨的硬度比保持在接近1的最合理的状态。另外,更应严格执行加工工艺,避免材质有夹渣、气孔等缺陷,减少由此引起的车轮裂损剥离。

（2）对列车制动系统的可靠性进行检查

我段列检反映的情况表明,因制动操作不当,制动系统故障导致的车轮擦伤故障率高达90%,且后果最为严重。因此,要对以下故障进行重点检查，只有列检部门对故障进行认真检查,才可防止车辆抱死闸,消除事故隐患,保证行车安全。

（3）优化机车车辆运行品质

机车车辆运行品质的好坏,直接影响着车轮踏面的损伤程度,尤其是在高速运行条件下,速度越高,动载荷越大,车轮踏面的损伤就越严重。因此,从优化机车车辆运行品质入手,减少轮轨动作用力,从而降低车轮踏面损伤。

5 结语

通过对改路线段的轮轨踏面损伤的分析，可以发现其主要的原因有机车的粘着利用较高；通过对几个不同区间的数值分析，轮对在55-90Hz区间的纵向振动较其他频率区间的响应状态强。而对轮对的模态分析发现，轮对的固有振动频率在82Hz左右，由于轮对上附加传动齿轮的作用，会对其固有振动频率稍微降低，基本维持在75-80Hz。机车在运行过程中的自激频率与此区间的频率类似，极容易发生共振，引起轮对踏面磨损加剧。采用一系悬挂纵向减振器后得到一定程度抑制。由于两次试验中，机车的粘着利用并不一致，加装纵向减振器试验中机车的粘着利用比不加装减振器的工况得到改善，因此对加装减振器后车辆纵向振动得到改善。

就本次试验结果而言，机车轮对的扭振可能是造成车轮多边形化的一个主要因素，尽管车轮多边形化非常严重，但并不产生剥离；而在运行过程中轮对产生15-20Hz的纵向振动时，剥离将代替多边形化成为主要的踏面损伤。

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