0.   引言

在轨道车辆的发展过程中, 轮缘过度磨耗问题长期存在并已成为车轮型面损伤的主要表现形式之一^[1-3]。Braghin等提出了一种预测车轮磨耗发展的数学模型, 分析了轮轨型面的变化情况^[1]; Jin等结合一种滚动接触试验装置研究了真实轮轨型面的磨耗问题^[2]; Enblom等分析了制动和轮轨接触状态引起的踏面损伤问题, 考虑了制动方式、摩擦和润滑状态的影响^[3]; 李霞等分析了地铁车辆车轮踏面异常磨耗现象, 指出闸瓦压力过大、压力不均匀、晃动量大等是导致异常磨耗的根源^[4]。

轮缘偏磨是轮缘非正常磨耗的主要表现形式, 引起偏磨的原因很多, 例如车轮材料、强度、表面硬度、线路条件、轴重、运行速度、轮轨匹配不合理、机车维护状况不良等。国内外众多学者对此开展了大量的研究, 从线路情况、运行条件、机车结构参数等方面提出了一些改进措施, 并取得一定的效果^[5-8]。马卫华等初步分析了重载机车电制动导致的轮缘偏磨现象^[5]; 姚汤伟等针对DF₄型机车的轮缘偏磨问题展开了分析, 并根据实际应用提出相应的改进对策^[6]; 张剑等通过优化轮轨型面设计来改善轮轨接触状态, 以期实现降低磨耗的目的^[8]。

近年来, 在轮轨磨耗的动力学仿真中, 逐渐形成了以Pearce、Zobory、Jendel和Braghin为代表的4种磨耗模型, 众多研究人员采用这4种模型仿真分析了轴重、速度等因素对车轮踏面磨耗的影响程度, 并与试验结果进行了对比论证^{[1, 9-11]}; 丁军君等通过建立具有初始安装偏转角和轮径差的轮对受力方程, 计算了LM、LMA和S1002等3种踏面轮对在平衡时的轮对冲角和横移量, 并研究了安装偏转角和轮径差对高速列车踏面磨耗的影响^[12], 另外, 还研究了重载货车轮缘和踏面磨耗情况^[13]; 张军等根据现场实测的SS₄机车JM3型磨耗车轮型面和小半径曲线钢轨型面, 通过建立轮轨接触三维有限元模型, 分析了车轮几何型面对轮缘磨耗的影响, 得到车轮几何型面磨耗的一般规律^[14]。然而, 尽管已开展了大量的研究, 轮缘偏磨现象仍不断发生, 偏磨的出现严重影响到车辆的运行安全性与乘坐舒适性, 并增加了维护成本, 因而有必要深入研究轮缘偏磨的发生原因^[15]。

除了常见的线路条件、机车结构等原因导致轮缘偏磨之外, 机车电制动与轴箱定位偏差均有可能导致轮缘偏磨现象的发生。机车采用电制动时引起的车钩偏转, 将会导致轮轴横向力的增加与轮对向一侧横移现象的发生, 引起轮缘贴靠钢轨现象的发生, 加剧机车的轮缘偏磨。当机车在小半径曲线频繁使用电制动时, 这种原因导致的轮缘偏磨现象将不可忽视^[5]。此外, 轮对轴箱纵向定位偏差的存在, 将使轮对与轨道产生一个初始冲角, 继而使轮对发生一定的横移及偏转, 导致轮缘偏磨现象的发生。本文以某2C₀轴式机车为例, 通过动力学仿真, 分析轴箱定位偏差对机车轮缘偏磨的影响。

1.   某2C ₀ 轴式机车轮缘偏磨现象

国内某2C₀轴式机车在实际运用中出现了比较严重的轮缘偏磨现象, 从机车投入应用至今, 在其中一个铁路局共计有50辆机车发生轮对偏磨现象, 其中有19辆机车发生转向架单侧车轮同时出现偏磨现象, 有31辆机车发生单轮对单侧轮缘偏磨现象, 约占总配属机车的45.9%。机车上2个转向架中某1个轮缘偏磨非常严重, 而2个转向架同时产生轮缘偏磨的情况很少发生; 机车上某个中间轮对轮缘偏磨现象非常严重, 也有2个中间轮对同时发生轮缘偏磨的现象, 但这种现象并不显著。表 1为随机抽取的4辆机车前转向架各车轮在2个月内的轮缘磨耗量, 最大磨耗量可达1.5 mm。

表  1  机车轮缘磨耗量

Table  1.  Wheel flange wears of locomotives mm

车轮	机车1	机车2	机车3	机车4
左1	0.3	0.4	0.5	0.7
右1	0.5	0.9	0.7	1.2
左2	0.4	0.2	1.0	0.6
右2	0.4	0.5	0.5	0.8
左3	0.5	0.5	0.4	0.5
右3	0.6	1.3	0.3	1.5

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针对机车轮缘偏磨问题, 研究人员对机车悬挂系统、牵引杆偏差、车钩位置偏差等进行了详细分析, 结果表明虽然它们均对轮缘偏磨现象的发生有一定的影响, 但都很难进行合理的解释, 也就是说一直没有找到导致上述现象发生的根本原因。直至对轮对轴箱定位尺寸的检查后, 发现轮对初期定位存在超出正常控制尺寸的偏差, 进而导致轮对初始冲角的存在, 其为造成机车轮缘偏磨的主要原因。

图 1为转向架第1轮对和中间轮对轴箱定位偏差, 当轴箱定位偏差存在时, 将会导致轮对在平衡状态存在一个轮对初始冲角, 引起轮对一侧轮缘偏磨现象的发生。

图  1  轴箱定位偏差

Figure  1.  Axle-box positioning deviations

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根据实际测量结果, 机车左右轴箱纵向定位总偏差最大值约为2.4 mm, 对应的冲角为1.13×10^-4rad, 实际上, 按设计要求最大允许值不应超过0.2 mm。在正常状态下, 左右轮轨接触点对称分布, 轮对初始冲角的存在将使轮轨接触点离开理论对称接触位置, 接触点在钢轨和踏面上的分布区域将扩大, 尤其是轮缘与钢轨侧面接触区域显著增大, 会加剧轮缘偏磨现象的发生。

2.   机车动力学模型

根据机车实际结构与悬挂参数建立了机车动力学仿真模型, 由6个轮对、6个牵引电动机、2个转向架和1个车体组成, 为了分析轴箱定位偏差的影响, 将轴箱进行单独建模, 模型中共包含12个轴箱, 并考虑了轮轨间隙与轴箱定位偏差的模拟。通过二系悬挂装置连接车体和转向架, 二系悬挂装置由6组高圆弹簧(每侧3组)、2个横向减振器、2个垂向减振器构成, 转向架和轮对之间由一系悬挂装置连接, 一系悬挂装置由一系弹簧、轴箱拉杆和端轴垂向减振器组成, 端轴箱轴承无自由间隙, 中间轴箱轴承自由间隙为15 mm。牵引电动机采用轴悬方式, 一端抱在车轴上, 另一端通过吊杆吊挂在转向架上。在模型中, 刚体总数为33个, 即1个车体、2个构架、6个牵引电动机、6个牵引电动机吊杆、6个轮对和12个轴箱。一系、二系悬挂系统均按实际参数建模, 并考虑了弹簧与减振器的非线性因素, 采用JM3型踏面与60 kg·m^-1钢轨的匹配, 轨底坡为1/40。机车主要参数见表 2, V为速度, F为力。图 2为机车动力学模型。

表  2  机车参数

Table  2.  Parameters of locomotive

轴重/t	23
轮对质量/kg	3 860
转向架质量/kg	7 000
电机质量/kg	2 800
车体质量/kg	84 000
车体质心距轨面高度/mm	2 100
x、y、z向轮对转动惯量/(kg·m2)	2.03×103/4.77×102/2.03×103
x、y、z向牵引电机转动惯量/(kg·m2)	3.36×102/3.47×102/3.15×102
x、y、z向转向架转动惯量/(kg·m2)	3.73×103/1.48×104/1.82×104
x、y、z向车体转动惯量/(kg·m2)	1.01×105/1.73×106/1.76×106
轴距/mm	2 250+2 000
转向架定距/mm	10 200
一系悬挂刚度(x、y、z向每轴箱)/(N·m-1)	1.0×107/3.0×106/1.7×106
二系高圆簧刚度(x、y、z向单个)/(N·m-1)	2.5×105/2.5×105/8.9×105
一系垂向减振器阻尼特性	V=0.10 m·s-1, F=5.1 kN
	V=0.30 m·s-1, F=10.0 kN
二系垂向减振器阻尼特性	V=0.10 m·s-1, F=12.0 kN
	V=0.30 m·s-1, F=22.0 kN
	V=0.05 m·s-1, F=5.0 kN
二系横向减振器阻尼特性	V=0.10 m·s-1, F=9.6 kN
	V=0.20 m·s-1, F=16.0 kN
	V=0.30 m·s-1, F=20.0 kN
轮径/mm	1 250

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图  2  机车动力学模型

Figure  2.  Locomotive dynamics model

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3.   仿真结果分析

轴箱定位偏差对轮轨横向力、垂向力、摇头角与轮轨接触点都有影响, 图 3为第1轮对有无轴箱定位偏差时, 第1轮对右轮轮轨横向力和轮缘磨耗率对比。需要说明的是, 第1轮对存在轴箱定位偏差时, 对第1轮对的影响较大, 对其余轮对的影响较小, 因而仅给出第1轮对的结果。

图  3  第1轮对轴箱定位偏差的影响

Figure  3.  Influence of axle-box positioning deviations for the first wheelset

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机车的蛇行临界速度在140 km·h^-1以上, 分析时为防止机车失稳对计算结果带来影响, 选取了70 km·h^-1的速度, 机车运行在无轨道不平顺输入的直线轨道上。从图 3可以看到, 当存在2.4 mm的轴箱定位偏差时, 轮轨横向力和轮缘磨耗率相比偏差为0时的结果发生了极大的变化。

轴箱定位偏差的存在使轮轨接触关系发生了变化, 引起轮轨接触点位置的变化, 最终导致轮缘偏磨的发生。一般来说, 在名义轮轨参数下, 轮对大约横移9~10 mm时会导致轮缘接触现象的发生。下面主要分析轴箱定位偏差对轮对横移量的影响, 通过轮对横移量变化体现其对轮缘偏磨与偏磨方向的影响, 主要给出同一转向架各轮对的横移方向与相对大小, 对另一个转向架来说, 由于各轮对的横移量很小, 均可视为无轮对横移。

3.1   单个定位偏差对同转向架轮对横移影响

当第1轮对具有轴箱定位偏差时, 得到结果见图 4, 定位偏差为0~2.4 mm。图 4(a)为第1轮对横向位移变化情况, 图 4(b)为前转向架各轮对横向位移随第1轮对轴箱偏差的变化情况, W₁、W₂和W₃分别为第1、2、3轮对的横移量。从图 4可以看出, 第1轮对存在轴箱定位偏差时, 对第1轮对的横向位移影响较大, 对中间轮对和第3轮对的影响较小。中间轮对和第3轮对横向位移最大值约为2.0 mm, 而第1轮对横向位移最大值接近6.0 mm。

图  4  第1轮对轴箱定位偏差对轮对横向位移的影响

Figure  4.  Influence of axle-box positioning deviations for the first wheelset on wheelset lateral displacements

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中间轮对存在轴箱定位偏差时的结果见图 5(a), 第3轮对的结果见图 5(b)。图 5(a)表明总偏差为1.6 mm时, 中间轮对将产生5.0 mm横移, 接近轮缘贴靠, 此时第1、3轮对的横移量约为中间轮对的一半, 但方向相反; 即使中间轮对达到最大2.4 mm偏差, 第1、3轮对的横移量也不超过4.0 mm, 属于踏面磨耗范围, 也就是说端部轮对的磨耗主要体现为踏面磨耗, 这个现象非常重要, 因为从图 5(a)中, 初看可能会得出中间轮对与端部轮对不会产生同侧偏磨, 但较快的踏面磨耗意味着该侧车轮的轮缘更易增厚, 因此, 从轮缘的角度看, 中间轮对偏差形成的是轮缘同侧偏磨的趋势。

图  5  第2、3轮对轴箱定位偏差对轮对横向位移的影响

Figure  5.  Influence of axle-box positioning deviations of the second and third wheelset on wheelset lateral displacements

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从图 5(b)可知, 第3轮对总偏差导致中间轮对产生的横移量最大, 对第3、1轮对产生的横移量比中间轮对要小, 但仍很显著, 且方向相反。这说明如果较大的偏差出现在第3轮对, 则各轮均发生轮缘贴靠现象, 且同一个转向架的第1轮对与中间轮对往同一方向贴靠, 第3轮对往另一方向贴靠。依此判断, 如果出现偏差, 中间轮对的偏磨最严重, 其次是第1轮对且偏磨方向与中间轮对相同, 最后是第3轮对, 但其轮缘偏磨现象发生在另一侧。

3.2   组合定位偏差对同转向架轮对横移影响

2个轮对同时存在定位偏差时, 根据引起的冲角方向不同又可分为同相定位偏差和反相定位偏差。当第1轮对、中间轮对分别存在同相定位偏差、反相定位偏差时, 得到的结果见图 6, 假定每个轮对的总偏差为1.6 mm。从图 6可以看出, 第1轮对、中间轮对同相定位偏差将使第1轮对、中间轮对发生同侧车轮偏磨现象, 对第3轮对的影响很小。而第1轮对、中间轮对反相定位偏差将导致第1轮对、中间轮对发生反向车轮偏磨现象, 反相偏差的影响大于同相偏差的影响。

图  6  第1、2轮对轴箱组合定位偏差的影响

Figure  6.  Influence of axle-box combined positioning deviations of the first and second wheelset

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第1、3轮对存在同相偏差、反相偏差时的结果见图 7, 假定总偏差为1.6 mm。第1、3轮对同相偏差将使中间轮对、第3轮对发生反方向车轮偏磨; 而第1、3轮对反相偏差将使第1轮对、中间轮对发生同方向轮缘偏磨, 反相偏差的影响大于同相偏差的影响。

图  7  第1、3轮对轴箱组合定位偏差的影响

Figure  7.  Influence of axle-box combined positioning deviations of the first and third wheelset

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中间轮对、第3轮对存在同相偏差、反相偏差时的结果见图 8, 总偏差为1.6 mm。图 8(a)的结果表明中间轮对、第3轮对同相偏差将导致第1轮对发生较大的轮缘偏磨, 而中间轮对、第3轮对反相偏差将导致中间轮对发生严重的轮缘偏磨, 反相偏差的影响略大于同相偏差。

图  8  第2、3轮对轴箱组合定位偏差的影响

Figure  8.  Influence of axle-box combined positioning deviations of the second and third wheelset

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3个轮对同时存在偏差的情况又分为很多种, 分析方法与之类似, 这里不再详述。

4.   结语

(1) 轴箱定位偏差对轮轨横向力、轮轨接触关系、轮对摇头角等均有较大的影响。当轮对具有轴箱定位偏差时, 即使在直线上运行, 轮轨接触点也会偏离对称位置, 引起轮缘偏磨。

(2) 第1轮对轴箱定位偏差对第1轮对横向位移影响较大, 对其余轮对影响较小; 中间轮对、第3轮对轴箱定位偏差对中间轮对横向位移的影响较大, 对其余轮对的影响较小; 1个轮对具有2.4 mm的轴箱定位偏差时最大可导致6.0 mm的轮对横移量。

(3) 2个轮对同时存在轴箱定位偏差时, 同等偏差条件下对轮对横移量的影响比单个轮对存在偏差时大, 影响更复杂, 并且反相定位偏差的影响比同相定位偏差的影响略大。当2个轮对同时具有1.6 mm的轴箱定位偏差时, 最大可引起轮对发生6.5 mm的横移量。

(4) 轴箱定位偏差的存在导致轮对发生较大的横移量, 引起轮缘偏磨的产生, 控制轴箱定位偏差的大小, 可有效改善机车轮缘偏磨情况。