陳慶 肖茜

摘要： 本文主要介紹了機(jī)車車輪失圓的危害，產(chǎn)生車輪失圓的主要原因，重點(diǎn)研究了機(jī)車車輪失圓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，并舉例說明應(yīng)用位移測(cè)量法進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的思路及結(jié)果，為鐵路設(shè)備故障檢測(cè)提供參考。

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.

關(guān)鍵詞： 車輪失圓；車輪踏面；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

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

中圖分類號(hào)：U270.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）09-0129-02

1 概述

車輪失圓是一個(gè)極其復(fù)雜的過程。從固體力學(xué)的觀點(diǎn)來看，輪軌間的接觸力、接觸應(yīng)力和表面應(yīng)力將導(dǎo)致車輪出現(xiàn)塑性變形和疲勞現(xiàn)象，不同的磨耗機(jī)理將導(dǎo)致不同的破壞現(xiàn)象。從摩擦學(xué)的觀點(diǎn)來看，輪軌系統(tǒng)是一個(gè)開放系統(tǒng)，車輪失圓與輪軌系統(tǒng)的特性與環(huán)境狀況有關(guān)。不同的載荷、滑動(dòng)與潤(rùn)滑狀況能誘發(fā)不同的磨耗機(jī)理，這些變量的微小變化可能導(dǎo)致磨損速率發(fā)生很大變化。車輪的失圓現(xiàn)象受到很多因素的影響，如曲線半徑、軌道結(jié)構(gòu)、車輛運(yùn)行速度、輪軌間的動(dòng)力行為、輪軌接觸面的“第三介質(zhì)”、輪軌材料等。車輪滾動(dòng)圓失圓形式可分為局部失圓和全周失圓，車輪失圓主要有以下幾種形式：局部缺陷、扁癥、剝落、脫落、踏面突起、車輪呈現(xiàn)多邊形、車輪非周期性不圓順和車輪橢圓化。

本文針對(duì)機(jī)車車輪失圓現(xiàn)象，通過分析車輪失圓的危害、失圓的主要原因，重點(diǎn)研究了車輪失圓的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其中重點(diǎn)推薦位移測(cè)量法，但此方法需要提升傳感器的技術(shù)性能。在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)車輪失圓現(xiàn)象而得到較為精確的結(jié)果后，對(duì)后續(xù)的車輪失圓故障分析及排除提供了重要的依據(jù)和參考。

2 車輪失圓的危害

2.1 影響行車安全

車輪失圓會(huì)造成車輪踏面出現(xiàn)嚴(yán)重剝離，同時(shí)會(huì)加大車輛的垂直振動(dòng)和輪軌的動(dòng)力作用，在這種情況下很容易出現(xiàn)配件脫落/軸箱彈簧斷裂/減震器異常等故障，影響行人行車安全。

2.2 加大檢修工作量

因?yàn)椴唤怏w鏇輪設(shè)備數(shù)量有限，使得很多故障車輪無法得到及時(shí)維修，這樣就要更換大量的車輪送修。對(duì)于車輪更換，其作業(yè)要求較高，更換時(shí)間較長(zhǎng)，不但增加了檢修成本，更加大了檢修工作量。

2.3 使得備用車嚴(yán)重不足

由于車輪故障率較高，造成故障車增多，但是相關(guān)修復(fù)措施沒有及時(shí)到位，有時(shí)只能甩車處理，甚至甩下的車不能及時(shí)調(diào)往修理臺(tái)位檢修，造成備用車嚴(yán)重不足，極大地影響到機(jī)車的正常運(yùn)行。

3 車輪失圓的主要原因

列車提速后，對(duì)車輪的損傷有所加重，不同運(yùn)行方向的車輪損傷情況也存在著差別，分析車輪失圓的主要原因有以下幾點(diǎn)：

3.1 車輪材質(zhì)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的要求

3.2 車輪反復(fù)擠壓后發(fā)生塑性變形，造成踏面磨損

在鋼軌上車輪的主要運(yùn)行形式就是滾動(dòng)，但在經(jīng)過曲線部位等特殊情況下，其運(yùn)行形式是滑動(dòng)，因此，輪軌之間是一種滾滑混合的復(fù)雜摩擦運(yùn)動(dòng)。在車輪滾動(dòng)的過程中其與鋼軌之間會(huì)產(chǎn)生擠壓和摩擦，長(zhǎng)此以往下去其表層金屬灰疲勞，導(dǎo)致磨耗。車輪踏面的最表層會(huì)隨著不斷的摩擦而急劇加熱，且根據(jù)溫度的不同產(chǎn)生兩種形式的熱裂紋。一旦輪軌接觸應(yīng)力過大，就會(huì)導(dǎo)致接觸塑形流動(dòng)磨損，而磨損的部分就會(huì)出現(xiàn)缺陷，甚至導(dǎo)致不規(guī)則變形，進(jìn)而出現(xiàn)輪徑偏差大，車輪偏心等現(xiàn)象，影響車輛的動(dòng)力學(xué)性能，威脅行人的行車安全。

3.3 材質(zhì)不均造成踏面局部凹下和剝離

若車輪局部材質(zhì)過軟，那么在車輪滾動(dòng)的過程中會(huì)導(dǎo)致踏面局部凹下。導(dǎo)致踏面剝離的原因有兩種，一是車輪材質(zhì)不良，經(jīng)過車輪與鋼軌多次擠壓而產(chǎn)生疲勞破壞；另一種是由于車輪滑動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱導(dǎo)致的踏面局部金屬組織異常造成的。踏面局部凹下和踏面剝離都對(duì)行人的行車安全存在很大威脅。

3.4 車載檢測(cè)系統(tǒng)沒發(fā)揮應(yīng)有作用

機(jī)車都安裝了車載行車安全監(jiān)控裝置，理論上能夠?qū)D(zhuǎn)向架及車體的異常振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)際上很少監(jiān)測(cè)車輪的非正常運(yùn)行狀態(tài)，使得車輪沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，導(dǎo)致車輪出現(xiàn)故障，甚至影響整個(gè)車體的安全性。此外這也說明了車載檢測(cè)系統(tǒng)還有很多待完善的地方，應(yīng)采取有效措施進(jìn)行改進(jìn)。

3.5 線路質(zhì)量

機(jī)車車輪磨損還與線路質(zhì)量等存在很大關(guān)系，若線路質(zhì)量不合格，會(huì)加劇機(jī)車車輪磨損，導(dǎo)致車輪失圓，影響行人行車安全。

4 主要的車輪失圓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法

車輪失圓的監(jiān)測(cè)方法主要有兩種，分別是靜態(tài)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。其中靜態(tài)監(jiān)測(cè)方法只有在機(jī)車停止或車輪拆卸的情況下才能進(jìn)行，因此不僅會(huì)占用機(jī)車的周轉(zhuǎn)時(shí)間，而且效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法則無需停止機(jī)車或拆卸車輪，能夠在線監(jiān)測(cè)機(jī)車車輪狀態(tài)，如此不僅效率高，而且便于存儲(chǔ)相關(guān)信息?，F(xiàn)階段我國(guó)采用的監(jiān)測(cè)方法主要是靜態(tài)監(jiān)測(cè)，但荷蘭、英國(guó)等國(guó)家已經(jīng)廣泛應(yīng)用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法了。

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有車載式和地面式。其中車載式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于需要將傳感器安裝在每根車軸上，通過監(jiān)測(cè)車軸振動(dòng)來間接獲取踏面的外形參數(shù)，勞民傷財(cái)，采用的人并不多；而地面式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在線路上安裝車輪外形測(cè)量系統(tǒng)，便捷經(jīng)濟(jì)，被廣泛應(yīng)用在監(jiān)測(cè)運(yùn)行中的機(jī)車車輛。

根據(jù)監(jiān)測(cè)原理，當(dāng)前主要的車輪失圓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法分為：振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)法、接觸測(cè)量法、位移測(cè)量法及圖像監(jiān)測(cè)法。這些監(jiān)測(cè)方法各有利弊，具體分析如下：

4.1 振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)法

機(jī)車運(yùn)行過程中，軌道會(huì)在輪軌間的相互作用下產(chǎn)生振動(dòng)，且當(dāng)車輪失圓時(shí)，振動(dòng)會(huì)加劇。振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)法就是依據(jù)該原理，通過收集整個(gè)機(jī)車經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)軌道的振動(dòng)情況，然后進(jìn)行相關(guān)分析，提取出有缺陷的車輪信息。

振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)法在監(jiān)測(cè)車輪缺陷的過程中還能夠準(zhǔn)確的分析出缺陷的危害程度，且具有很高的經(jīng)濟(jì)性。振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)法的優(yōu)勢(shì)是可監(jiān)測(cè)中高速 （大于 100 km/h）機(jī)車，準(zhǔn)確率較高，性能穩(wěn)定，安裝方便等。其劣勢(shì)主要包括： 傳感器間的安裝距離固定，不適宜監(jiān)測(cè)不同半徑的車輪，且只能監(jiān)測(cè)機(jī)車速度超過100 km/h的機(jī)車；必須建立科學(xué)完整的速度變化曲線；機(jī)車的振動(dòng)不止一處，數(shù)據(jù)分析時(shí)需要排除干擾。

4.2 接觸測(cè)量法

當(dāng)機(jī)車車輪失圓時(shí)，車輪半徑就會(huì)變化，使得整個(gè)圓周內(nèi)車輪半徑不同，但由于不圓的只是踏面部分，而輪緣始終保持不變。這樣，可以通過監(jiān)測(cè)輪緣高度的變化來判定車輪踏面的缺陷。若輪緣高度基本沒有變化時(shí)，為完好車輪；若輪緣高度在小段范圍內(nèi)（小于25mm）出現(xiàn)變化時(shí)，則車輪存在擦傷；若輪緣高度在整個(gè)圓周方位內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，則車輪出現(xiàn)失圓。

接觸測(cè)量法的原理簡(jiǎn)單，安裝方便，可以直接監(jiān)測(cè)車輪踏面半徑的變化，沒有繁瑣的數(shù)據(jù)處理，且準(zhǔn)確率較高。但由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)特征，要求機(jī)車緩慢通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)才能準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)出車輪的缺陷情況，這樣較難實(shí)現(xiàn)車輪的在線監(jiān)測(cè)，但在列車入庫(kù)等情況下，接觸測(cè)量法可以起到良好的效果。

4.3 圖像監(jiān)測(cè)法

圖像監(jiān)測(cè)法是用激光照射機(jī)車車輪踏面，然后用高速攝像機(jī)進(jìn)行連續(xù)拍攝，最后對(duì)拍攝到的圖像進(jìn)行處理而獲得機(jī)車車輪外形的狀況，進(jìn)而計(jì)算出其踏面失圓度的大小。

圖像監(jiān)測(cè)法的原理簡(jiǎn)單，精度高，但一方面受到拍攝設(shè)備和環(huán)境的影響較大，另一方面受機(jī)車速度的限制較大，只能監(jiān)測(cè)低速（一般低于30km/h）的情況，不適宜高速列車（大于200km/h）在線監(jiān)測(cè)。但由于圖像監(jiān)測(cè)法精度高，并且適用于靜態(tài)監(jiān)測(cè)，所以應(yīng)用前景較廣泛。主要產(chǎn)品有日本的“車輪踏面形狀自動(dòng)測(cè)定裝置”和澳大利亞的“車輪實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)裝置”。

4.4 位移測(cè)量法

依據(jù)軌道特性分析可知，當(dāng)軌道受到壓力作用時(shí)將產(chǎn)生垂向位移。機(jī)車運(yùn)行時(shí)，若車輪出現(xiàn)失圓，則會(huì)在整個(gè)圓周內(nèi)產(chǎn)生周期性的作用力變化。假設(shè)輪軌接觸為單點(diǎn)接觸，軌道垂向位移會(huì)隨著輪軌相互作用力的變化而變化。所以，可以通過監(jiān)測(cè)軌道的垂向位移來監(jiān)測(cè)輪軌作用力的情況，這就是位移測(cè)量法的工作原理。若車輪完好，軌道垂向位移曲線應(yīng)持續(xù)不變；若車輪出現(xiàn)失圓，在整個(gè)車輪圓周上軌道的垂向位移曲線將出現(xiàn)波動(dòng)。

位移測(cè)量法不但能監(jiān)測(cè)機(jī)車車輪的缺陷，而且監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝方便（只需將傳感器安裝在軌道底部便可監(jiān)測(cè)出軌道的位移），數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，重點(diǎn)推薦此檢測(cè)方法。但是這種方法對(duì)傳感器的要求較高，設(shè)備技術(shù)難度較大。

我們研究過用位移測(cè)量法對(duì)機(jī)車車輪失圓現(xiàn)象進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，采用2個(gè)分體式磁致伸縮位移傳感器（適用于高速鐵路等高要求領(lǐng)域）在線實(shí)時(shí)檢測(cè)制動(dòng)器及輪對(duì)踏面的機(jī)械位移，將檢測(cè)到的信號(hào)通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后提供給計(jì)算機(jī)模塊進(jìn)行計(jì)算和處理，其結(jié)果通過人機(jī)界面和聲光報(bào)警模塊進(jìn)行顯示和報(bào)警。我們對(duì)位移測(cè)量法檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，得到了車輪失圓的中短軸、長(zhǎng)軸與標(biāo)準(zhǔn)車輪比較后的波谷值為0.5mm，在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)機(jī)車車輪失圓現(xiàn)象，分析了車輪失圓的危害及失圓的主要原因，提出了對(duì)失圓現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)的辦法，重點(diǎn)研究了車輪失圓的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，重點(diǎn)推薦位移測(cè)量法，并通過應(yīng)用舉例，說明了車輪失圓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建的主要思路，再通過仿真分析得到了失圓的數(shù)據(jù)結(jié)果。

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