GK1c機車輪箍弛緩的現場修復

敬 敏 中鐵二十四局集團公司

我國南車集團資陽機車廠制造的GK1c系列內燃機車采用柴油機液力傳動，液力傳動箱、二級、一級車軸齒輪箱之間依次使用萬向軸將動力傳遞車軸齒輪箱再傳給輪對（該車型四個輪對都是主動輪都用車軸齒輪箱將動力傳給輪對，只是2、3車軸齒輪箱帶輸出軸1、4車軸齒輪箱不帶輸出軸)。該機車輪對使用輪箍組合式車輪（如圖1），基礎制動部分均為閘瓦踏面制動，制動方式采用合成閘瓦雙側制動。由于該系列機車技術成熟特別是能在六十度高溫下工作，阿爾及利亞鐵路更新項目部2007年11月購進兩臺，其中一臺發生弛緩的故障。

圖1 輪箍結構示意圖

1 故障現象及后果

發生故障的機車在行駛過程中車輪出現均勻的"啃啃"聲(有點象踏面損壞的聲音，機車正常時車輪無異響)，響聲有節奏并時常伴有"吱吱"的夾軌聲；低速時車身有震動感車速越高響聲越急。（據司機反映一月前就有這聲音了，只是以前響聲很小以為是過節頭時被鋼軌頭撞傷了車輪踏面，因此未曾報修）。筆者對該車的四個輪對(從前向后數)進行檢查發現左右兩車輪都發生輪箍弛緩；經測量左邊（從后往前看）輪箍的軸向移動量最大17 mm最小10 mm，右邊移動量最大8 mm最小1 mm，而輪箍內測距（標準1 353 mm）最大1 375 mm最小1 365 mm；也就是說輪對的兩輪箍是斜套在滾動圓上的，而軌距（標準1 435 mm）也變成了1 447～1 457 mm，車輪運行時軌距時大時小 (如圖1b、c)。

輪箍弛緩超限后會使輪對輪緣磨損加劇、踏面失圓，嚴重時將擠壞叉心軌尖和使機車脫軌，所以輪箍弛緩超限后機車不允許再運行，必須進行輪箍輪芯更換或修復。

2 輪箍弛緩原因和修復分析

該系列機車車輪輪箍內徑、輪芯外徑為900mm。輪箍與輪芯為過盈配合，過盈量為1.30mm，安裝工藝采用加熱套裝法。廠家在制造時對輪箍所能發生橫向移動所受力的估算得知：再不受熱情況下，考慮輪箍過盈量、輪箍與輪芯的摩擦系數和輪箍厚度等因素；使輪箍發生軸向移動的橫向力應為800～2 000 kN以上，而機車在運行中所承受的最大橫向力僅為100 kN，由此可見裝配的牢固。

機車在運行中輪箍不但承受著車身的重力、牽引力、摩擦力還承受著自身的內應力、熱應力和來自軌面的沖擊力等復雜的交變應力。加之機車在運行中如頻繁的制動、長時間非正常抱閘都可能使輪箍過度受熱。由于輪箍受熱膨脹時與輪芯產生溫差使過盈量減小。當過盈量減小到某值時再受到一定的橫向力作用，會使輪箍與輪芯產生軸向和圓周方向相對位移即發生了遲緩。輪箍圓周位移后防緩線將錯位，嚴重時伴有軸向位移，位移量較大時輪箍外竄并斜套在輪芯上，機車運行時輪箍滾動圓（即踏面）將與軌面失去平行而失圓，車輪滾動起來時高時低就出現了啃啃聲，也造成輪距增加輪輞損傷。

2.1 造成輪箍遲緩的原因

(1)閘缸間鞲鞴行程量太小或基礎制動裝置出現卡滯，使制動鞲鞴、制動桿和閘瓦等制動機構動作不良，導致閘瓦偏磨或制動后個別輪緩解不徹底。

(2)由于制動裝置故障，使機車緩解不徹底（如閥類組裝、中繼閥、大小閘等）。

(3)機車運行時未松手制動或手制動沒有松到位造成第四位輪箍弛緩。

(4)機車司乘人員缺乏經驗和相關知識或沒按規章操作（如以小閘代替大閘使機車輪箍受熱過度等）。

(5)輪箍、輪芯的材質或加工不符合要求。

輪箍弛緩是輪箍在運行中過度受熱后發生的。雖然輪箍裝配很牢固但是由于司乘人員因操作不當、制動機構失修或運行中長時間抱閘等原因，輪箍遲緩故障時有發生。這次輪箍遲緩第1、2、5條原因可以排除，因為只有第四位輪對發生輪箍弛緩，而駐車制動就在第四位輪對上，所以其主要原因是由于司乘人員未松手制動或是沒有松到位所造成的。又由于司乘人員在牽引列車時習慣用本務機制動（該機負載不重又在牽引、制動頻繁的工況下運行），事故發生時又缺乏相關知識和經驗導致弛緩加劇。

2.2 修復方案分析

把輪對發回廠家修復要半年以上時間，買新的輪對最快也要3個月時間到岸（輪對太重只能海運）；由于生產到了最關鍵最緊張的時期，如短時期該機能恢復生產那對工期影響還可以趕回來，超過1個月就必須租用當地機車，生產成本將成倍增長。經檢測發生輪箍遲緩機車雖然兩輪箍位移量嚴重超限，但輪輞未見明顯拉傷并無其它異常，輪箍復位后可繼續使用。因此輪箍復位有兩種方案：

(1)冷壓法。就是直接把輪芯壓入輪箍使其復位。這種方法需要大型沖壓設備（后經制作復位框架使用機車起復器油頂2×60 t就車復位未成功）；即使能復位成功也可能因過盈量、所需壓力太大損傷輪箍輪芯，影響其幾何尺寸和復位效果使其使用壽命縮短甚至報廢。但由于該國機械加工技術落后和沒有大型的沖壓設備等原因（輪對拆下后送修過），我們現有的設備和條件無法實施修復。

(2)火焰加熱復位法。就是將輪箍用火加熱至一定溫度后施加橫向力使其復位。由于輪箍與輪芯同是車軋鋼，他們的配合過盈量與溫度之間的關系由碳鋼線膨脹系數公式可知：

式中：Δt-輪箍與輪芯的溫差；Δr-過盈量；r-輪芯的半徑；a-線膨脹系數。取Δr＝0.675mm，r＝450mm，a＝125×10-7/K，即Δt＝120℃。當Δt＝120℃時如忽略其它因素，輪箍與輪芯的過盈量則為0；這時在輪箍外側施加橫向的撞擊力完全可是輪箍復位。但由于輪箍是套在輪芯上的，輪箍被加熱的同時輪芯也被加熱了；要使兩溫差達到230～250℃，那輪箍被加熱的溫度將3～4倍于溫差乃至更高；加熱的火力越強所需的時間就短，則輪箍被加熱至所需溫差的溫度就有所降低，反之則增加。

3 故障難點與解決方案

火焰加熱復位法即使輪箍被加熱時沒有完全達到所需溫差過盈量也會很減小，從而減小對輪輞的損傷，復位效果無疑是最好的。只要解決幾處難點，就能進行現場修復；根據筆者多年工作經驗認為對輪對進行現場修復的主要難點有：

(1)由于該國機械制造技術薄弱、物資匱乏，怎樣能使輪箍在短時間內達到復位條件所需的溫差。輪箍厚75×150 mm外加34 mm厚的輪緣，就是用4套氧氣、乙炔和大號割槍同時連續加熱半小時也只是使輪箍發燙無法達到目的；用噴燈加熱效果要好筆者想試一下但是跑遍該國都買不到，用焊接鋼軌的鋁熱焊汽油加熱機（簡稱汽油加熱機）完全可使輪箍短時間內達到復位條件所需溫差的要求。汽油加熱機的工作原理是將壓縮空氣和一定比例的汽油混合后，經特制噴嘴噴入鋁熱焊模具里燃燒對軌頭進行加熱（5 min可使軌頭達到800℃），加熱時調整汽油開關的開度可以調整火力的大小。然而離開了模具加熱噴嘴噴出的混合油氣很難點著火，即使著火后根本無法完全燃燒和調整火力。所以要用汽油加熱機加熱就必須滿足在輪對上熱噴嘴噴出的混合油氣能完全燃燒，經分析噴嘴噴出的高速油氣在鋁熱焊模具里能完全燃燒是因為混合氣能在模具里產生渦流，使油氣能更好的霧化有利于點火和燃燒完全，模具還起到保溫的作用使燃燒更穩定加熱更快。于是筆者用鋼板試作了一個模具試驗成功。正式用5 mm鋼板焊制4個200×250×300 mm的模具，輪轂加熱時點焊在輪箍適當位置即可。

(2)要移除第四位輪對，必須把整個機車抬離軌面1 m。機車重100 t，在沒有大型的起吊設備又要保證人員、機車設備的安全的前提下，僅依靠一套機車起復器（由2只60 t的油缸、2套獨立的手動油泵和油缸連接裝置等組成，如圖2）來完成其難度可想而知。我們在機車前端用起復器將機車起升到一定高度后，再在前轉向架中間（萬向軸位置）用3排新木枕橫直軌面碼垛墊實后拆頂；再機車后端也用同樣方法，經多次交替起升到適當高度后拆除起復器，再保險加固防止機車傾斜側翻的方法完成機車的舉升。

圖2 起復器結構示意圖

(3)制作用于固定輪對使其復位的框架難度（簡稱復位框）。因所要加在輪對上的橫向力未知，復位框承受力的強度更不知道，也沒有前人的經驗可以借鑒。經過改進（制作就車復位時的框架積累了經驗）用270 m的槽鋼制作框架，在受力兩端加20 mm厚的鋼板作支撐面焊接而成。

(4)怎樣對輪對施加橫向力。由于不能做到整個輪箍同時都被加熱，所以采用圓周均分4點分段同時加熱；在未被加熱的上下兩對稱點用起復器油缸施加橫向力，而左右兩對稱點采用兩臺撞軌器同時施加撞擊力（兩靜兩動效果會更好些也因只有一套起復器）。為了達到同步和更好的撞擊效果，在兩臺撞軌器頭部焊接了撞擊頭，然后再把撞軌器連成一體。

4 故障修復

故障修復分三步進行。

4.1 輪對的拆卸

(1)用木楔在輪對前后塞牢車輪，拆除全車的基礎制動裝置 (便于用枕木支撐機車)，第四位輪對手制動裝置。

(2)拆除機車后向排障器裝配、排障器、灑沙管路等。

(3)拆除第四位輪對萬向軸組成、車軸齒輪箱拉臂與車軸齒輪箱連接銷、沙箱裝置、輪對軸箱上下拉桿固定螺桿和液壓減震器等。

(4)用難點1的方法將機車舉升到能將輪對移除的高度0.8--1 m，保險牢固后拆除起復器。

(5)取出軸箱彈簧、彈簧座、調整墊片等，用兩根線路用撬棍把輪對移出車外，輪對拆除完畢。

4.2 輪箍的復位

具體操作如下（所需設備的結構與布置如圖1）：

(1)選擇清理好場地，擺放好復位框。

(2)用機具將輪對擺放在復位框上（帶車軸齒輪箱重約5 t），使輪對軸箱端蓋離支撐面30 mm左右，輪對與復位框保持在同一軸線上。

(3)用鐵楔將輪對塞牢并把鐵楔焊接在復位框上，再將支撐輪箍邊緣的上下支撐分別焊接在支撐面上。(采用兩點支撐分散了支撐面的受力)。

(4)按照難點4上的布置方法將加熱模具分別點焊固定在輪箍上，安放好4臺汽油加熱機再將加熱噴嘴固定在模具上。在安放好起復器油泵和上下油缸，下油缸直接放在復位框上；上油缸后部放在支撐面所焊的角鋼上，前部用焊的鋼筋環吊在復位框架上。最后架好撞軌器的行走軌道，裝上撞軌器調整好撞擊點，讓兩臺撞軌器頭緊靠輪箍邊緣焊接成一體。（注意模具靠近輪箍的兩端要留有縫隙便于形成渦流，使火焰緊貼輪箍不形成死角）。

(5)加熱前準備。汽油加熱機連接好管路加好汽油，起復器連接好管路；準備好干粉滅火器，最備好冷卻水濕毛巾（用于冷卻油缸和車軸齒輪箱油封）；相關人員到位（撞軌器4人、起復器油泵4人、加熱機點火調火2人、指揮兼安全1人）。

(6)加熱機工作時將火力調到最佳狀態。加熱15 min后密切觀察輪箍加熱狀態，起復器油缸同時預頂至一定壓力后停止泵油保壓；20 min后輪箍被加熱表面成暗紅狀態輪箍開始移動并伴有響聲，這時加熱機繼續加熱，油頂邊觀察邊頂，撞軌器開始撞擊直至輪箍完全復位。（輪箍移動時要觀察輪箍的復位情況兩油頂用力要均勻，加熱過程中用水濕毛巾冷卻油頂、車軸齒輪箱油封位置防止過熱損壞密封件）

(7)輪箍復位結束后關掉加熱機、拆除油頂，讓輪對自然冷卻后拆除加熱噴嘴模具等。

(8)將輪對換向重復以上操作，當兩輪箍完成復位工作后拆除所有設備，清理工作場地。

(9)清除輪對上的點焊痕跡、附著物、氧化物等。觀察輪對的幾何形狀和檢測技術尺寸完全符合要求，按規定顏色對輪對進行涂裝后重新標劃防緩線；輪箍的復位工作結束。

4.3 輪對的裝復

輪對的裝復與輪對的拆卸剛好相反，具體步驟如下：

(1)將輪對移入機車下對好正卻位置，裝上軸箱彈簧、彈簧座、調整墊片等。

(2)用起復器將機車降低直至第4輪對完全復位，用木楔塞牢車輪拆除起復器。

(3)裝復第四位輪對萬向軸組成、車軸齒輪箱拉臂與車軸齒輪箱連接銷、沙箱裝置、輪對軸箱上下拉桿固定螺桿和液壓減震器等。

(4)裝復機車后向排障器裝配、排障器、灑沙管路等。

(5)裝復全車的基礎制動裝置，第四位輪對手制動裝置。

(6)清理場地、閘瓦間隙調整和試機等，整個修復工作全部結束。

現場修理輪箍弛緩所用設備和機具如下：電焊機1臺、乙炔氧氣一套、汽油加熱機4臺、起復器1套、撞軌器2臺。所用時間見表1。

表1 輪對裝復所用時間

5 修復效果

經過一年多的運行，修復的輪對各部的幾何尺寸和技術狀態良好，輪箍弛緩標線未發生位移。這次輪轂弛緩事故主觀上是由于司乘人員缺乏經驗和相關知識未按章操作，客觀上也反映出機車生產制造時不夠人性化。因此建議在操控臺上顯示手制動狀態，或在機車運行時增設手制動狀態自動保護以實現電氣聯鎖，以杜絕類似事故的發生。