輪緣潤滑識別工況法在大功率機車上的試驗驗證

武小鵬 王冬冬 王楊

(中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所,北京 100081)

輪緣潤滑識別工況法在大功率機車上的試驗驗證

武小鵬 王冬冬 王楊

(中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所,北京 100081)

識別工況法是通過檢測機車橫向振動的頻率和幅值特征,實時判斷輪緣磨損狀況,并自動選擇針對性的潤滑劑用量和位置的方法。本文介紹了識別工況法的基本算法和在大功率機車上的實驗驗證。

識別工況 輪緣潤滑 機車橫向振動

1 引言

1.1 輪緣潤滑控制系統現狀

由于我國是一個多山地國家，鐵路線路曲線占比例較高，輪緣軌側磨損問題一直是影響車輪和鋼軌壽命的重要因素。目前機務系統主要采用輪緣潤滑裝置來解決這一問題，主流的流體輪緣潤滑裝置一般采取固定間隔(距離或時間)的方式向機車輪緣噴射潤滑脂。輪緣磨損劇烈時需要縮短噴脂間隔，輪緣磨損輕微時又需要延長噴脂間隔。進口流體輪緣潤滑裝置主要采取固定時間噴脂模式，國產流體輪緣潤滑裝置采用固定距離噴脂模式，為了根據輪緣磨損狀況調整潤滑劑用量，二者分別開發了識別離心力模式和識別線路模式。

識別離心力模式以傾角傳感器讀數為依據，讀數絕對值大時認為輪緣磨損嚴重；識別線路模式以曲線半徑為依據，曲線半徑小時認為輪緣磨損嚴重。由于我國客貨混跑的現狀，機車在小曲線上的離心力讀數可能反而小于在大曲線的離心力讀數，因此采用離心力模式容易造成輪緣磨損工況的誤判。識別線路模式單純以曲線半徑為依據，忽略了機車速度、外軌超高等影響輪緣磨損參數的影響，也有一定局限性。

1.2 識別工況控制系統的提出

針對識別離心力模式和識別線路模式的特點，提出了根據機車橫向振動的幅值和頻率特性識別機車輪緣磨損工況的方法，簡稱為識別工況法，并獲發明專利。[1]識別工況法測量機車橫向振動數值，推導輪軌的接觸狀態，由于是實時測量多個參數影響下的最終結果，因此相對更加準確。

機車橫向振動受到機車特性和機車激勵特性的影響，機車激勵又包括軌道激勵、輪對激勵等；實踐中輪緣潤滑控制系統一般安裝在動力間墻體上，動力間的機械振動，如牽引風機振動，又會傳遞到墻體，帶來干擾。因此，從機車橫向振動數據提取反映輪緣磨損的有效分量，是識別工況法的重點。

2 識別工況控制系統

2.1 不同輪緣磨損工況下的機車橫向振動特征分析

車輪在理想直線運行狀態下，輪緣不接觸鋼軌，此時機車橫向振動頻率較低；由于外部激勵造成輪對小幅蛇行時，輪緣反復接近鋼軌，由于車輪/鋼軌外形特點，鋼軌和車輪接觸面法線角度不斷發生變化，機車橫向振動頻率增大；當機車過曲線或蛇擺加重時，鋼軌和車輪接觸面法線角度進一步增大，宏觀上輪緣與鋼軌軌距角接觸，發生劇烈磨損，微觀上輪緣反復沖擊軌距角，此時機車橫向振動頻率進一步增大且伴隨沖擊碰撞的特征。因此，識別輪緣磨損工況實際上就是檢測輪緣反復沖擊軌距角時由于輪軌接觸幾何特征變化帶來的機車橫向振動頻率和幅值特性的變化。

2.2 停車/運行工況的識別

(圖1)為HXD3機車在站場從掛機到運行20分鐘時間的時間-頻譜圖。大約0--800秒之間，圖中(1)(2)(3)分別是3次短時低速運動過程，(4)位置是機車過道岔，而后運行速度逐漸達到60km/h。可以看到，在3次低速運動中，均在50HZ以下的低頻帶出現較高能量。對該數據進行濾波處理，結果如(圖2)所示。

圖1 HXD3機車站場運行數據

圖2 HXD3機車站場運行數據濾波

根據(圖1)和(圖2)所示，通對數據的濾波處理，能夠通過低頻段的能量判斷機車的運行/停止狀態。結合機車停車/運行狀態下縱向加速度數值，可以判斷出機車的運行方向。

2.3 小曲線/道岔/直線/大曲線識別

天棚—關角—察漢諾(關角溝)區間集中了西格線的所有小半徑曲線，該區間長76公里，共有曲線70多條，其中半徑為300米的小半徑曲線有24條，機車(客車)實際運行速度55km/h左右，輪緣磨損嚴重。西格線進入關角溝之前，線路條件較好，曲線半徑超過2000米，機車(客車)實際運行速度在110km/h左右，輪緣磨損輕微。(圖3)是HXD1C機車(客車)進入關角溝前剛察—天棚81km區間的時間--頻譜圖，其中(1)(2)(3)為停車狀態，這3處前后該機車進出站過道岔；(圖4)是該機車天棚—關角30km區間運行的時間--頻譜圖，其中(4)(5)(6)(7)是停車狀態，柱狀圖區域為機車運行在曲線，柱狀圖高度是曲線半徑，曲線半徑最大800米，最小300米。

圖3 HXD1C機車剛察—天棚橫向振動時間--頻譜圖

總結HXD1C機車在關角溝線路上的橫向振動數據，有以下特點：(1)機車進出站過道岔時在頻譜圖上有顯著反映；(2)線路條件好時橫向振動能量較低且集中在較低頻帶；(3)小曲線多、輪緣磨損嚴重時橫向振動能量向較高頻帶方向擴散。

由此總結識別工況法針對不同輪緣磨損工況的判斷依據：(1)低頻段無能量時，認為輪緣磨損輕微，機車運行在直線；(2)低頻段有能量時，認為輪緣開始磨損，機車運行在大曲線或有蛇形；(3)能量向較高頻段擴算時，認為輪緣磨損劇烈，機車運行在小曲線；(4)加速--沖擊特征出現時為機車過道岔，輪緣磨損劇烈。

2.4 前進端/單側/對角噴脂等多種模式的實現

機車輪緣潤滑系統將潤滑脂噴射到機車輪緣上，輪緣接觸鋼軌時，潤滑脂通過鋼軌傳遞到后繼車輪。如果在輪緣不磨損時多次噴射潤滑脂，會造成潤滑脂在輪緣上的堆積、甩濺并向踏面擴散。因此在直線、小曲線和大曲線應采取不同的噴脂模式。例如直線段輪緣通過機車蛇行偶爾接觸鋼軌，因此可執行前進端噴脂并加大噴脂間隔；大曲線外軌超高與速度不匹配時機車會偏向一側，因此可執行單側噴脂并適當減小噴脂間距；小曲線時轉向架通常楔接通過，因此可執行對角噴脂并大幅減小噴脂間距。

通過機車橫向振動的頻率和幅值特性，識別工況法能夠區分小曲線、大曲線和道岔等工況。結合機車實時橫向加速度均值，能夠識別上述工況。檢測到大曲線特征時，根據橫向加速度均值確定單側噴脂；檢測到小曲線特征時，根據行車方向確定對角噴脂。

2.5 運用試驗

識別工況的輪緣潤滑系統在HXD3和DF4機車上進行了運用試驗。整套系統運行情況良好，輪緣磨損控制到0.3毫米/萬公里以下。通過添乘觀察，控制系統工作良好，能夠正確根據不同工況自動調整噴脂模式和參數。

3 結論和展望

3.1 結論

識別工況的輪緣潤滑控制系統通過檢測、分析機車橫向振動特性，能夠識別機車運行/停止、小曲線磨損、大曲線磨損、過道岔等多種輪緣磨損工況，并針對性的執行不同的控制策略。

識別工況方法一方面提供了輪緣潤滑控制系統的一個新思路；另一方面，隨著該潤滑系統的安裝，相當于加裝了大量的輪緣磨損在線檢測裝置，有利于及時掌握輪對磨損特點、積累現場數據，為輪對全壽命管理，提供一個輔助手段。

3.2 展望

識別工況法還處在起步階段，目前的實驗驗證工作是通過人工添乘并記錄機車時間軸上運行速度、通過曲線時間點、曲線半徑等參數，而后對比測量數據。實驗驗證工作效率低，精度差。需要在輪軌接觸狀態識別和驗證方面投入更多的研究。

充分的“輪緣”潤滑能夠保障機車車輪的壽命，但在部分路段，鋼軌需要一定的磨損率避免疲勞裂紋的發生和擴展。協調車輪和鋼軌的壽命，實現“輪軌”潤滑，是識別工況法后繼的一個研究重點。

[1]武小鵬.識別工況的新型機車輪軌潤滑控制系統[J].中國鐵路,2012.