動(dòng)車組車輪踏面損傷深度高效測(cè)量方法

魏洪方

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111）

1 技術(shù)背景

動(dòng)車組運(yùn)行檢修過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)車輪踏面存在擦傷、硌傷以及剝離等損傷問題[1]。踏面擦傷發(fā)生在輪對(duì)兩個(gè)車輪上同一圓周位置，是由制動(dòng)和加速時(shí)輪軌滑移而產(chǎn)生是。硌傷是車輪踏面出現(xiàn)小的凹痕，由運(yùn)營(yíng)中輪軌接觸面間存在的小物體（如石子）產(chǎn)生。滾動(dòng)接觸疲勞是在車輪踏面中心出現(xiàn)小裂紋，由輪軌間的滑移切向力產(chǎn)生。剝離是由于上述損傷及擦輪而引起的局部材料丟失。輪對(duì)作為動(dòng)車組的重要走行部位，承擔(dān)著導(dǎo)向和承載整車質(zhì)量的作用，其踏面缺陷需要控制在一定范圍內(nèi)，否則會(huì)直接影響車輛的運(yùn)行安全[2]。因此，快速有效地對(duì)缺陷深度進(jìn)行測(cè)量顯得尤為重要。

2 常用測(cè)量方法

動(dòng)車運(yùn)行所在車輪踏面損傷深度測(cè)量時(shí)無便捷和高效的測(cè)量方法，目前多采用經(jīng)驗(yàn)判斷、刀口尺配合塞尺以及第四種檢查器等方式判斷和測(cè)量損傷深度。但是，這些方法難以保證測(cè)量精度，會(huì)給行車安全帶來一定的隱患[3]。

2.1 經(jīng)驗(yàn)判斷

在發(fā)現(xiàn)踏面損傷時(shí)，采用目測(cè)和手摸等方法進(jìn)行判斷。對(duì)于深度很小的損傷，這樣可以滿足要求，同時(shí)能夠提高檢查效率。但是，對(duì)于深度接近限度要求的損傷容易產(chǎn)生誤判，從而帶來一定的行車安全隱患。

2.2 塞尺測(cè)量

塞尺測(cè)量是將刀口尺或鋼板尺放置在踏面損傷處，然后用塞尺進(jìn)行測(cè)量。使用這種方法測(cè)量時(shí)會(huì)因塞尺面積大而導(dǎo)致無法有效測(cè)量到損傷最低點(diǎn)。此外，刀口尺為直尺，會(huì)與損傷處滾動(dòng)圓兩側(cè)接觸，導(dǎo)致此部分弧高無法計(jì)入測(cè)量而造成測(cè)量的結(jié)果相比實(shí)際偏小[4]。

2.3 第四種檢查器

第四種檢查器如圖1所示，其豎尺帶有踏面磨耗測(cè)尺，測(cè)量過程如下。

圖1 第四種檢查器

（1）定位。將定位角鐵與車輪輪輞內(nèi)側(cè)貼合，并盡可能保持尺身處于輪徑方向。

（2）找點(diǎn)。移動(dòng)輪輞寬度測(cè)尺尺框，使A點(diǎn)接觸踏面損傷最深處，并擰緊輪輞寬度測(cè)尺鎖緊螺釘。

（3）第1次測(cè)量。移動(dòng)輪緣高度及踏面磨耗測(cè)尺與輪緣接觸，此時(shí)讀取測(cè)尺數(shù)值a。

（4）第2次測(cè)量。沿圓周方向旋轉(zhuǎn)檢查，使A點(diǎn)與正常踏面接觸，此刻移動(dòng)輪緣高度和踏面磨耗測(cè)尺與輪緣接觸，并讀取測(cè)尺數(shù)值b。

（5）結(jié)果。損傷深度為a～b。

使用第四種檢查器檢測(cè)損傷深度時(shí)存在以下問題。

（1）無法保證尺身與輪徑方向重合，從而降低了測(cè)量精度。

（2）側(cè)頭A直線部分與損傷線接觸，從而無法觸及損傷最深處。

（3）輪緣高度及踏面磨耗測(cè)尺精度過低（0.1 mm），無法滿足精度要求。

（4）一次無法測(cè)定，需旋轉(zhuǎn)一定角度，而二次定位導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。

綜上所述，以CRH2型車為例，車輪踏面損傷深度要求不超過0.25 ㎜，現(xiàn)行的判斷和測(cè)量工具無法滿足要求，給動(dòng)車組的安全運(yùn)行帶來了一定的隱患。

3 新型測(cè)量方法

為提高踏面損傷深度的測(cè)量效率，基于精確定位、精準(zhǔn)測(cè)量以及一次測(cè)定的目標(biāo)，經(jīng)研究，提出了一種新型簡(jiǎn)易的測(cè)量尺結(jié)構(gòu)[5]。

3.1 測(cè)量尺結(jié)構(gòu)

測(cè)量尺由本體、橫尺和百分表（可根據(jù)精度要求進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，如千分表）3大部分組成。本體上固定有定位1和定位2，橫尺可軸向移動(dòng)，并可通過鎖緊螺母1鎖緊。百分表可徑向移動(dòng)，并配有側(cè)頭和輔助側(cè)頭（小球狀結(jié)構(gòu)，且側(cè)頭與2個(gè)輔助側(cè)頭所處平面與定位1所在平面平行），具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)量尺結(jié)構(gòu)

3.2 測(cè)量方法

測(cè)量過程包括定位、找點(diǎn)和讀數(shù)3個(gè)步驟，測(cè)量示意圖如圖3所示。

圖3 測(cè)量示意圖

（1）定位。軸向定位，定位1與輪輞內(nèi)側(cè)面貼合；徑向定位，定位2與輪緣頂部貼合。

（2）找點(diǎn)。移動(dòng)橫尺，使側(cè)頭接觸踏面損傷最深處，并使兩輔助側(cè)頭與踏面接觸。

（3）讀數(shù)。讀取百分表數(shù)值，即為損傷深度。

3.3 測(cè)量精度

為實(shí)現(xiàn)一次測(cè)量即為損傷深度的目標(biāo)，測(cè)量尺配有輔助測(cè)頭。此時(shí)，需對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正補(bǔ)償，損傷深度測(cè)量原理如圖4所示。圖4中，A、B點(diǎn)為輔助測(cè)頭，C點(diǎn)為百分表測(cè)頭，P點(diǎn)為損傷最深點(diǎn)，CP為損傷深度。因C點(diǎn)實(shí)際已不存在（損傷處），而D點(diǎn)可以人為設(shè)定，即當(dāng)A、D、B處于同一直線（高度）時(shí)，人為設(shè)定百分表的讀數(shù)為Δ，然后測(cè)得DP的數(shù)值，即可在百分表直接顯示出損傷深度（Δ+DP）。

圖4 測(cè)量修正

結(jié)合車輛運(yùn)用情況，車輪踏面損傷長(zhǎng)度大多數(shù)小于20 mm。 在此設(shè)定測(cè)量尺兩輔助側(cè)頭間距為20 mm，則L=10 mm，各參數(shù)關(guān)系如下：

式中：r為損傷處滾動(dòng)圓半徑OB；h為直角三角形直角邊高OD；L=DB=AB/2。

以CRH2型動(dòng)車組為例，當(dāng)輪徑r變化范圍為860～790 mm 時(shí)，將r=860 mm代 入 式（1）和 式（2）計(jì) 算 可 得Δ1= 0.058 1 mm；將r=790 mm代入式（1）和式（2）計(jì)算可得Δ2=0.063 3 mm。于是，最終可得平均值Δ=0.060 7 mm， 在此取Δ=0.06 mm，因此測(cè)量最大誤差為max(|Δ1-0.06|, |Δ2-0.06|)，即為0.003 3 mm。考慮到檢修要求損傷深度≤ 0.25 mm，可知此測(cè)量精度滿足要求。

當(dāng)輪徑r變化范圍為920～850 mm時(shí)，將r=920 mm 代入式（1）和式（2）計(jì)算可得Δ1=0.054 3 mm；將r=850 mm代入式（1）和式（2）計(jì)算可得Δ2=0.058 8 mm。同樣，最終取Δ=0.06 mm，則測(cè)量最大誤差為max(|Δ1-0.06|,|Δ2-0.06|)， 即為0.005 7 mm，則此測(cè)量精度同樣滿足要求。

3.4 精度提升

測(cè)量尺配有輔助測(cè)頭，可實(shí)現(xiàn)一次測(cè)量即為損傷深度，提升測(cè)量效率。為進(jìn)一步提升測(cè)量精度，現(xiàn)將輔助測(cè)頭設(shè)計(jì)為浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)，可隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，如圖5所示。

圖5 浮動(dòng)式輔助測(cè)頭

車輪運(yùn)行一段時(shí)間后，車輪輪緣和踏面表面狀態(tài)較差，會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損、不圓度較大等現(xiàn)象。此時(shí)，輪緣頂部滾動(dòng)圓和損傷處滾動(dòng)圓難以保證同心，如圖6所示。

圖6 滾動(dòng)圓不同心

圖6中：E、F點(diǎn)為測(cè)量尺V型定位2與輪緣頂部接觸點(diǎn)；A、B點(diǎn)為輔助測(cè)頭；外圓為定位2處滾動(dòng)圓；內(nèi)圓為損傷處滾動(dòng)圓。當(dāng)外圓和內(nèi)圓不同心時(shí)，若輔助測(cè)頭無法旋轉(zhuǎn)，即AB∥EF，將會(huì)造成其中1個(gè)輔助測(cè)頭A或B與損傷處滾動(dòng)圓不接觸，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏大。增加浮動(dòng)式設(shè)計(jì)，使輔助測(cè)頭可旋轉(zhuǎn)，從而使輔助測(cè)頭在a、b點(diǎn)與損傷處滾動(dòng)圓接觸，以減少因不同心帶來的測(cè)量誤差（大小約為Aa/2）。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合動(dòng)車組輪對(duì)日常檢修工作實(shí)際情況，為滿足運(yùn)行檢修準(zhǔn)確性和快速性的特點(diǎn)，從輪對(duì)踏面檢修質(zhì)量和效率出發(fā)，重點(diǎn)探討了在滿足準(zhǔn)確和快速對(duì)缺陷進(jìn)行定位的同時(shí)，如何一次性測(cè)量即為缺陷深度的測(cè)量方法。經(jīng)分析現(xiàn)行測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)現(xiàn)有方法加以改進(jìn)升級(jí)，最終形成了高效便捷測(cè)量方法。相比原有測(cè)量方法，新型測(cè)量尺可實(shí)現(xiàn)精確定位、精準(zhǔn)測(cè)量以及一次測(cè)定的目標(biāo)，操作便捷且易于實(shí)現(xiàn)，最大限度實(shí)現(xiàn)了快速測(cè)量，提升了運(yùn)行檢修效率，保證了測(cè)量精度，對(duì)車輛行車安全具有重要作用。