内燃机车轮缘磨损因素分析及措施探讨

摘要

从机车运用角度分析了DF4型机车轮缘偏磨的原因,并提出了相应对策,较好地减轻了机车轮缘的偏磨,取得了一定的实际效果。从线路和机车两方面分析了川黔线SS_3机车轮缘磨耗严重的原因,提出了改善措施及检修对策,有效地将机车轮缘磨耗控制在一定范围内。

关键词机车 / 轮缘 / 偏磨 / 磨耗 / 原因分析 / 对策

1.概述

机车通过曲线时，轮缘与钢轨侧面发生摩擦而产生轮缘磨耗，会导致轮缘变薄，甚至到限，严重影响铁路运输生产及行车安全。所装机车轮缘喷油装置状态不良时，起不到应有的作用，加之近年铁路全面提速，轮缘磨耗加大。因此轮缘磨耗成为机车运用中的突出问题。

关于空转、打滑及轮缘磨耗：

1. 空转和打滑：空转可以理解为轮对在转动但是不前进，打滑可以理解为轮对不转动但是在前进；

2. 按照目前的设计，在启动的时候考虑空转，在制动时要防止打滑，国铁列车上会安装防空转传感器和防滑传感器，在新生产的国铁列车上一般配备有防滑器以防止打滑，配备撒砂装置以防止启动时空转和制动时打滑；在弯道上其实是内侧的轮空转加转动及外侧轮的滚动加滑动的复合运动的形式；

3. 地铁列车一般不设置防滑器，部分不设置撒砂装置；

4. 关于轮缘磨耗，目前国铁列车都有轮缘润滑装置，主流的为湿式润滑，地铁列车部分设置轮缘润滑装置，国内主流的为干式润滑，欧美发达国家的主流为湿式润滑；

5. 相对于轮缘磨耗，钢轨也会磨耗，为了减少磨损，除了在车辆上安装轮缘润滑装置（flange lubrication），也有在轨道上安装润滑装置的，包括frank lubrication及道岔润滑，都是湿式润滑。

6. 当车辆在经过曲线时，由于离心力外侧车轮的轮缘与轨道之间的压力会大大大于内侧车轮轮缘所以外侧轮缘磨耗会较大；城市轨道交通由于曲线较多，轮缘磨耗会比国铁列车的更加恶劣，轮轨噪声也比较严重；

7. 为改善轮轨之间磨耗及降低噪声，除了轮缘润滑装置，也有采用弹性车轮及降噪器；但归根结底是如何优化轮轨之间作用力的问题。其实简单也不简单，简单的方法就是减少线路的曲线，不简单的是曲线不减少的情况下优化车辆走行部的悬挂参数加一堆润滑措施；

耗产生后的常见处理措施：

车轮：

1. 由于车辆左右侧磨耗不均，城市轨道交通的车辆常换向行驶来均匀磨耗；

2. 所有车辆现在都可以通过不落轮镟床来对车轮进行修形；

钢轨：

主要是使用轨道打磨车对轨道进行打磨；

除了润滑，就是定期调头。

国外通常是使用轮缘润滑剂进行路轨和轮缘的润滑。国内有部分也使用，但目前国内的基本使用固体润滑块，虽然也有一定的润滑作用，但是效果不好，而且会污染铁路沿线的环境，特别是对于土壤和水源的污染，这给突然水源保护区带来严重的问题。

国外一般使用轮缘润滑脂或流体脂，但大多数也是含有固体成分，固体成分虽然可以提高润滑剂的承载能力，但其一方面带来以上所说的环抱问题,而且也造成润滑系统的堵塞，而一旦系统堵塞，问题就很严重了。

近年来，欧美有特种润滑剂商给铁路系统供应不含固体成份的可降解环保型轮缘润滑剂的。

磨损的原因在于摩擦，而摩擦则存在于一切作相对运动的物体间。而在列车行使中，轮缘和路轨接触并作相对运行，故该接触面存在摩擦，从而带来磨损。

当然，在拐弯处，由于左右两个轮子转过的半径不同，所以里面的轮子走的线性路程小而外面的轮子走过的路程大，于是里面的轮子会做滑动摩擦，而外面的是滚动摩擦，于是滑动摩擦产生的磨损就比滚动的小，这就是两个轮子磨损量不同的原因。

但对于直跪行驶的列车来说，摩擦同样存在，因为摩擦仍然存在，而同时，行走的列车也同样存在左右的摇摆，这也造成轮子和路轨侧缘的摩擦和磨损啊。

滑走很多时候是因为在转弯的时候,由于内、外轮子需要走过的线性路程不同而造成，

转弯时，外轮滚动前进，而哪轮在原地转，这也是当火车转弯时发出尖厉噪音的原因。

轮缘磨耗原因分析及相应对策

1、轮轨不匹配（主要原因） 轮、轨的磨耗与其断面形状有较大关系，在运用调查中发现，在旧线和调车线路上运行的机车，由于钢轨头部已磨耗成稳定的外形，且差异较小，这样磨耗后的踏面外形与钢轨头部相对应部分的外形有较好的匹配，因此减少了磨耗，轮缘偏磨程度也较轻。而那些在新开通时间不长或刚进行换轨的线路上运行的机车，由于钢轨的头部磨耗量不大，还未形成稳定的外形，且内外轨头部磨耗成的外形差异较大，使踏面外形与钢轨头部相对应的形状没有良好的匹配，就加大了磨耗，轮缘偏磨程度也较严重。 解决措施：通过对运行线路的调查，找出对机车轮缘磨耗影响大的弯道，会同工务部门采取对其钢轨内侧面涂油的辅助减磨措施。

2、走形部技术状态不佳 由于左右轮径差、左右轴距差、转向架对角线差、轴颈两侧载荷差及机车球形侧挡间隙等因素，引起轮对的纵向中心线偏向线路的一侧，导致轮缘偏磨。 （1）左右轮径差超过1mm时轮对在运行中就必须依靠踏面斜度来调整左右轮同径，使轮径小的一侧轮缘靠近钢轨，出现轮缘偏磨，踏面异磨。同时迫使整个转向架向轮径小的一侧偏移，其它轮对也产生同向偏移，导致其它轮对也产生不同程度的轮缘磨耗。 （2）左右轴距有偏差时，轴距短的一侧的两个轮子易产生偏磨。 （3）轴颈两侧载荷不均时，载荷小的一侧轮子易产生偏磨。 （4）转向架对角线不等时，对角线较短的两个对角上的轮子易产生偏磨。 （5）车体侧挡间隙变化时，间隙小的一侧轮缘靠近钢轨，易出现偏磨。

解决措施：严格控制机车走行部的检修质量，按范围、工艺及限度进行检修，保证机车机车转向架各结构参数的最佳匹配，从而有效降低机车转向架在不平顺线路或过曲线时产生的横向冲击，以减轻轮缘的偏磨。

3、驱动机构的轮齿上载荷分布不均 由于抱轴承与车轴间存在间隙而使牵引电机壳体产生倾斜、轮齿圆周力引起电枢轴的弯曲、车轴轴颈荷重引起的车轴变形导致大齿轮偏斜等，使牵引齿轮没能正常啮合，作用在齿宽上的力不是均匀分布而是集中在轮齿上靠电动机一侧。在牵引齿轮传递较大的扭矩时，使大齿轮受到一个轴向分力作用，导致轮对发生向齿侧钢轨的横向位移，引起齿端侧轮缘的偏磨。

4、机车运用保养不良 轮缘润滑装置保养、管理不当，故障不及时发现、消除，润滑脂（棒）没有及时补充、更换，使轮缘润滑不良，导致轮缘偏磨；左右制动缸行程不一样，闸瓦间隙不同时，影响两侧的上闸时间，也会出现轮缘偏磨。 解决措施：建立健全机车轮缘润滑装置的管理体制，实施“管、用、修、养”管理考核；增强机车乘务员在运用、保养中的责任心，加强整备作业检查，发现问题及时处理。 5、机车运行速度变化 主要发生在通过曲线时，机车牵引重量少、速度高时外侧轮缘易磨耗，机车牵引重量多、速度低时内侧轮缘易磨耗，其中第1位偏磨较明显。 解决措施：机车定期换向，可以缓解部分机车轮缘的磨耗。

轮对作为机车重要承载部件所承受的负荷越来越恶劣,其暴露的疲劳可靠性方面的不足越来越多。轮轨接触表面之间反复传递十几吨的载荷,而接触斑面积仅为120mm2左右。所以,轮轨滚动接触疲劳破坏现象,如波浪形磨损、钢轨侧磨、压溃、剥离、断裂等现象十分严重。

本文现场调研沈阳铁路局SS4型机车轮缘磨耗不足,统计了苏家屯机务段电力机车轮对检修数据,得到该段机车轮缘磨耗量与运行公里数的关系。

总结得出机车轮缘磨耗大致可以分为三个阶段：初期剧烈磨耗阶段、较长期的稳定磨耗阶段、快速磨耗阶段。

利用轮轨型面测量仪实测SS4机车JM3型磨耗车轮型面和小半径曲线钢轨型面,采用样条曲线拟合策略获得车轮几何型线和钢轨几何型线,对比浅析浅析不同磨耗阶段轮轨几何型线。不

同磨耗阶段,轮轨剧烈磨耗的位置有所不同,轮轨几何型线转变量存在差异,轮缘磨耗比踏面磨耗剧烈,导致车轮提前镟修,钢轨侧面磨耗程度严重,磨耗量较大,成为小半径曲线段外股钢轨下道的主要理由。

选取Ⅰ-Ⅳ型5种不同磨耗程度的车轮型面与曲线钢轨型面,建立三维轮轨接触有限硕博在线论文网模型并进行弹塑性计算。计算结果表明：Ⅰ型磨耗车轮与磨耗钢轨接触,接触斑面积最小,高应力主要集中在轮缘根部,初期轮缘磨损剧烈；Ⅲ型磨耗车轮与磨耗钢轨接触,接触斑面积明显增大,轮轨接触应力相对减小,应力分布比较均匀,轮轨型面配合良好,轮缘磨耗减缓,车轮处于稳定磨耗阶段；Ⅳ型磨耗车轮与磨耗钢轨接触,轮缘处Mises应力相对Ⅲ时,增加了3.6倍,高应力集中位置逐渐从轮缘根部转移到轮缘处,车轮进入快速磨耗阶段。磨耗车轮与标准曲线钢轨接触。

轮缘处接触斑面积很小,轮轨接触应力较大,高应力集中在轮缘根部附近,严重影响车轮正常通过曲线的性能,加剧轮缘磨耗和钢轨侧磨。干线铁路,曲线钢轨更新的周期远大于机车轮缘更新或镟修的周期,因此不同磨耗程度的机车车轮均有可能与曲线标准或磨耗钢轨接触。本文主要通过研究磨耗状态下车轮与曲线钢轨接触力学行为,重点浅析浅析磨耗状态下轮轨型面配合对机车轮缘磨耗不足的影响,从而为优化轮轨型面,减缓轮轨磨耗提供理论依据和参考。