基于計算機(jī)的車輪踏面鏇修快速判定方法

劉大鵬

【摘 要】目前，HXD3、HXD3C、HXD3B型電力機(jī)車的“C5檢修”工作已經(jīng)在連車全面展開，其車輪的踏面鏇修都是按照J(rèn)M3型來進(jìn)行判定。本文針對上述電力機(jī)車的車輪輪緣和踏面的磨損情況，結(jié)合連廠HXD3型等電力機(jī)車“C5檢修”車輪的檢修數(shù)據(jù)，借助計算機(jī)軟件進(jìn)行了細(xì)致研究和分析后，提出了一種JM3型踏面鏇修的快速檢測與判定方法，并進(jìn)行了誤差分析和實踐驗證。

【關(guān)鍵詞】車輪鏇修；踏面；數(shù)據(jù)分析

1 HXD3、HXD3B、HXD3C型電力機(jī)車概況及課題背景和意義

HXD3型電力機(jī)車是由北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司與日本東芝公司合作研發(fā)的大功率交流傳動貨運(yùn)電力機(jī)車，自2006年12月第一臺正式交付使用以來，已經(jīng)先后配屬了上海鐵路局、武漢鐵路局、北京鐵路局、濟(jì)南鐵路局、西安鐵路局等共733余臺，主要運(yùn)行在京廣、京滬等重要貨運(yùn)干線，一舉填補(bǔ)了我國大功率貨運(yùn)機(jī)車的空白。2009年以來，為了緩解我國鐵路電力客車運(yùn)力不足的情況，部分HXD3型機(jī)車開始配屬到客運(yùn)機(jī)務(wù)段。

HXD3B型電力機(jī)車是由北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司與德國龐巴迪公司聯(lián)合研發(fā)的大功率交流傳動貨運(yùn)電力機(jī)車，自2008年12月第一臺正式交付使用以來，已經(jīng)先后配屬了北京鐵路局、沈陽鐵路局等共1077臺，是我國使用最大功率1，600千瓦交流電牽引電動機(jī)的六軸電力機(jī)車車型之一，由于其可單機(jī)牽引5000噸至6000噸貨物列車，在我國大功率貨運(yùn)機(jī)車發(fā)展中起到重要作用。

HXD3C 型是在HXD3 型和HXD3B 型電力機(jī)車基礎(chǔ)上研制的交流傳動六軸7200kW 干線客貨電力機(jī)車，自2010年7月第一臺正式交付使用以來，已經(jīng)先后配屬了上海鐵路局、武漢鐵路局、北京鐵路局、濟(jì)南鐵路局等共500臺，是首款適用于客貨運(yùn)兩用車型。

按照鐵總關(guān)于“兩年檢”、“四年檢”、“C5修”等修程，自連車公司開始檢修上述電力機(jī)車以來， 2011年到2015年，我們檢修HXD3型電力機(jī)車驅(qū)動1410臺，檢修HXD3B型電力機(jī)車驅(qū)動708臺，檢修HXD3B型電力機(jī)車驅(qū)動210臺。因此，如何保質(zhì)保量的完成HXD3型等電力機(jī)車的“C5檢修”，并以此為契機(jī)展開對“和諧”系列機(jī)車檢修相關(guān)問題的探討與研究是極富社會和經(jīng)濟(jì)價值的。

在檢修過程中，輪對作為機(jī)車走行部分的重要組成部分，其檢修工作顯然是重中之重。而輪緣和踏面狀態(tài)作為車輪磨損情況的情況的重要指標(biāo)，決定了檢修車輪的最終狀態(tài)，而如何快速而準(zhǔn)確的確定車輪的鏇修尺寸也直接決定了修程的長短和鏇修量的大小。在保證驗質(zhì)量的同時，最大程度的壓縮修程、減小鏇修量，即可以提高承修單位、驗收部門的工作效率，又為使用單位日后延長輪對走行時間奠定了基礎(chǔ)，所以本文在結(jié)合連車驅(qū)檢中心承修的HXD3等“C5檢修”車輪實際數(shù)據(jù)和經(jīng)驗分析后，借助計算機(jī)軟件，提出了一種車輪踏面鏇修的快速檢測與判定方法。

2 車輪踏面、磨損和鏇修

機(jī)車車輪踏面是指車輪與鋼軌的接觸部分，簡稱踏面。踏面與鋼軌內(nèi)側(cè)接觸的凸出部分為輪緣，輪緣的作用是在保證機(jī)車可靠的通過曲線和道岔，不致脫軌。

在機(jī)車運(yùn)行過程之中，車輪踏面部分與鋼軌進(jìn)行的滾動和滑動摩擦?xí)斐绍囕啙L動圓直徑的減小；由于機(jī)車正常行駛時輪對側(cè)向串動和在通過曲線時鋼軌會對車輪輪緣產(chǎn)生摩擦和擠壓，這種摩擦和擠壓以及車輪自身的熱疲勞作用導(dǎo)致輪緣厚度會逐步減小，且形狀會發(fā)生很大變化，由于輪緣和鋼軌的接觸力是機(jī)車在通過曲線和道岔時的主要轉(zhuǎn)向力，如果輪緣厚度過小，在鐵軌的擠壓作用下會導(dǎo)致車輪破壞，以至于機(jī)車脫軌，所以輪緣厚度尺寸是決定機(jī)車行駛安全的重要因素。

因此，各類檢修規(guī)程中都把車輪踏面的檢測和鏇修作為終點項目之一。

車輪的鏇修，是指通過機(jī)械加工的手段減小車輪滾動圓尺，將磨損后的踏面修理至可使用標(biāo)準(zhǔn)的過程。

根據(jù)各類修理規(guī)程，在對車輪的檢修過程中需要對達(dá)不到使用標(biāo)準(zhǔn)的車輪進(jìn)行鏇修修理。在以往的鏇修過程中，由承修單位檢查人員對車輪輸入狀態(tài)（輪緣厚度、輪緣高度和滾動圓直徑尺寸）進(jìn)行檢查和測量，而后根據(jù)測量數(shù)據(jù)決定鏇修尺寸。可以看到，由于是認(rèn)為確定鏇修尺寸，所以在實際操作過程中具體取決于檢查人員的個人經(jīng)驗及能力，而由于經(jīng)驗和能力的差異，往往會出現(xiàn)以下幾種情況：

a）增大鏇修量，以保證鏇修后踏面形狀和尺寸能夠達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)；

b）多次鏇修、反復(fù)測量，以最大程度的保證滾動圓尺寸；

c）車輪經(jīng)過鏇修到限后仍不能達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。

以上幾種情況都不同程度的增加了工作量，其中，a項的鏇修是不經(jīng)濟(jì)的，增大鏇修量不僅加長了鏇修時間，且在鏇修后車輪的滾動圓直徑偏小，減少了車輪后續(xù)使用的壽命；b項雖然保證了車輪滾動圓直徑和車輪后續(xù)使用壽命，但是在鏇修過程中采用小切削量、多次切削，增加了工作量和鏇修時間；c項車輪在鏇修后仍不能達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致鏇修過程都做了無用功，浪費了檢修時間和成本。

針對以上檢修過程中出現(xiàn)的種種情況，本文提出一種基于計算機(jī)的踏面鏇修快速判定方法。

我們可以看到，鏇修的過程也可以抽象成由磨損之后的踏面曲線去包絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)踏面形狀的過程，所以關(guān)鍵就在于找出一種接近車輪踏面實際磨損情況的曲線，經(jīng)過對磨損曲線和標(biāo)準(zhǔn)曲線的對比實現(xiàn)踏面鏇修的快速判定。

3 踏面鏇修的快速判定

車輪在機(jī)車運(yùn)行過程中的磨損是分階段且沒有精確規(guī)律的，所以根據(jù)精確的數(shù)學(xué)計算來計算出磨損曲線是很困難的，但是在HXD3等機(jī)車“C5檢修”的工作當(dāng)中，我們積累了大量的實際鏇修數(shù)據(jù)，找出這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)規(guī)律，結(jié)合踏面的設(shè)計形狀以及鋼軌形狀我們可以對磨損曲線予以擬合，并且在后續(xù)的檢修過程中不斷的對這條曲線予以修正和完善，可以看出，由實際數(shù)據(jù)擬合出來的經(jīng)驗曲線顯然是可信而實用的。

3.1 車輪踏面的檢修數(shù)據(jù)

在車輪進(jìn)行鏇修之前，由承修單位的檢查人員對車輪進(jìn)行輸入狀態(tài)檢測，其中項目主要包括了車輪輪緣厚度、輪緣高度和滾動圓直徑的尺寸數(shù)據(jù)。圖3即為連車驅(qū)檢中心輪對檢修輸入狀態(tài)記錄。

在對所有的檢修數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析后會發(fā)現(xiàn)，相對于輪緣高度和滾動圓直徑而言，輪緣的厚度對鏇修尺寸的影響要更大一些。因為輪緣高度和滾動圓直徑對于鏇修尺寸來說是線性影響，即輪緣高度和滾動圓直徑每減小1mm，則鏇修后的車輪半徑至少減小1mm；在以往的推算中，經(jīng)常有輪緣厚度每減少1mm，滾動圓半徑至少減少3mm的粗略估計，而事實上由于輪緣部位是由圓弧連接而成的形狀，隨著輪緣厚度的減少，需要進(jìn)行鏇修的尺寸不是線性變化的，而是逐步增大的，所以，在分析鏇修尺寸時，應(yīng)重點考慮輪緣厚度的影響。

3.2 車輪踏面模擬軟件

圖4所示為車輪踏面磨損模擬系統(tǒng)，可以看到軟件可以分別顯示車輪標(biāo)準(zhǔn)踏面形狀、車輪踏面磨損形狀以及車輪踏面鏇修形狀。

該系統(tǒng)首先將構(gòu)成踏面磨損形狀的曲線分段，對每段結(jié)合部分進(jìn)行相切的約束，而后對輸入的踏面檢修尺寸進(jìn)行存儲和分析，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時在統(tǒng)計學(xué)上可以把尺寸數(shù)據(jù)看做正態(tài)分布，所以在模擬踏面時可采用剔除粗大誤差后取均值的方法。在進(jìn)行初次模擬后的形狀接近于標(biāo)準(zhǔn)踏面形狀，而在隨后的檢修過程中，將鏇修后的實際尺寸輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)在曲線約束的基礎(chǔ)上對磨損形狀進(jìn)行調(diào)整，隨著輸入數(shù)據(jù)的不斷增加，系統(tǒng)所模擬的磨損曲線也會越來越接近實際磨損的平均值。

3.3 快速鏇修尺寸判定辦法

在模擬出車輪磨損曲線后，將標(biāo)準(zhǔn)踏面形狀與磨損曲線相比較，在磨損曲線完全包絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)曲線后，兩曲線的縱坐標(biāo)差值即為所需鏇修尺寸，由此快速判斷鏇修尺寸。

如圖5中所示，在對輸入狀態(tài)為：輪緣高度28、輪緣厚度30、滾動圓直徑為φ1240的車輪進(jìn)行模擬鏇修。其中黃色曲線為未磨損的標(biāo)準(zhǔn)踏面形狀，紅色曲線為根據(jù)輸入狀態(tài)模擬的踏面磨損曲線，綠色曲線為模擬后的踏面鏇修形狀。

3.4 快速判定方法的誤差和改進(jìn)

在數(shù)據(jù)統(tǒng)計過程中，由于認(rèn)為數(shù)據(jù)為正態(tài)分布，所以在統(tǒng)計時采用了剔除粗大誤差后取均值的計算方法，如此會使模擬曲線與真實磨損情況有所差別。

如在相同滾動圓直徑的情況下，在正態(tài)分布的條件下，輪緣厚度的尺寸應(yīng)在均值附近分布，越靠近均值分布越密集，反之越偏離均值分布越稀松，可見磨損情況并不總是發(fā)生的均值上，所以在針對均值制定鏇修標(biāo)準(zhǔn)時顯然會對那些偏離均值磨損情況的鏇修產(chǎn)生影響，對于輪緣厚度高于均值的情況會造成過量鏇修，而對于輪緣厚度低于平均值的情況會造成鏇修量不足。相比之下，由于鏇修量不足而需要再次加工的情況對鏇修效率的影響更大，所以在對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計時應(yīng)該將標(biāo)準(zhǔn)制定在均值偏下，而偏移的具體數(shù)值應(yīng)該在今后更多的數(shù)據(jù)支持下進(jìn)行修正。同時，由于在車輪輪緣位置磨損變化情況是比較復(fù)雜的，但是在輸入狀態(tài)檢測的過程中只對輪緣高度和厚度進(jìn)行檢測，所以輪緣曲線的曲率變化我們無從掌握，如何對車輪輪緣，尤其是輪緣根部與鋼軌接觸部分的磨損情況進(jìn)行更精確的測量，也是影響今后判定方法誤差的因素之一。

3.5 快速判定方法的實踐論證

表1為連廠驅(qū)檢中心HXD3等車型“C5檢修”車輪檢修的部分?jǐn)?shù)據(jù)與判定結(jié)果的比較，可以看到，在實際檢修過程中，除去過量鏇修和同一臺份車輪滾動圓直徑許差問題，采用快速判定辦法缺的頂著鏇修尺寸與實際鏇修尺寸是基本是相符的，并且隨著今后數(shù)據(jù)的不斷豐富，擬合曲線會逐步精確，從而使判定辦法更加準(zhǔn)確。

3.6 快速判定方法的實踐應(yīng)用及前景

目前，該判定方法已經(jīng)在連車“C5檢修”的實際工作中開始使用，并且取得了一定的效果，表2為HXD3022號檢修機(jī)車的車輪輸入狀態(tài)。

在經(jīng)過快速判定方法計算后，判定該5個輪鏇修后無法達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，從而放棄鏇修直接更換，一次性節(jié)約鏇修時間3小時，節(jié)約加工成本2700余元。在對同批次其他輪對進(jìn)行快速判定后，按照判定結(jié)果對車輪踏面進(jìn)行了鏇修成功，最大程度的保證了車輪滾動圓尺寸，為延長以后的車輪使用壽命提供了條件。

隨著我國的貨運(yùn)機(jī)車進(jìn)入高速重載時代，機(jī)車車輪在運(yùn)行過程中的磨損情況相對以往已經(jīng)產(chǎn)生了一定的變化，以往的判斷經(jīng)驗也已經(jīng)不能快速、準(zhǔn)確的完成車輪踏面的鏇修工作，而HXD3型等機(jī)車在各條線路上走行里程的不斷增加，大批量大修工作會逐步展開，相信屆時快速判定方法會以其快速而準(zhǔn)確的特點得在檢修過程中發(fā)揮重要作用。

4 總結(jié)

如何縮短機(jī)車各類檢修過程的時間，如何最大程度的減少機(jī)車的檢修頻次，一直以來都是我們在工作中思考和探索的問題，本文通過對機(jī)車車輪踏面的磨損進(jìn)行研究后，提出了一種基于計算機(jī)軟件的車輪踏面鏇修快速判定方法，并結(jié)合連車HXD3型等電力機(jī)車“C5檢修”實際檢修數(shù)據(jù)對判定方法的可靠性與誤差進(jìn)行了分析，經(jīng)過實際運(yùn)用驗證了該判定方法的實用性，同時，在尋找方法的過程中積累了一定的經(jīng)驗，對今后機(jī)車檢修過程中問題的研究方法和方向探索出了一條新路，隨著后續(xù)檢修工作的全面展開，相信無論是快速判定方法的推廣還是其他解決方法的出現(xiàn)，都會使車輪的鏇修工作更加快速、準(zhǔn)確，令我們的機(jī)車生產(chǎn)、檢修、交驗工作更上一個臺階。

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[責(zé)任編輯：湯靜]