輪徑差對(duì)輪對(duì)偏磨的影響分析

神華集團(tuán)神朔鐵路是中國西部天然氣生產(chǎn)的重要通道。它承擔(dān)著每年近2億t煤炭的國際運(yùn)輸責(zé)任，非常重要。在現(xiàn)有機(jī)車數(shù)量不增加的情況下,要確保運(yùn)輸任務(wù)的完成,機(jī)車的運(yùn)用可靠性就顯得格外重要。神朔鐵路分公司機(jī)務(wù)段在現(xiàn)場檢修過程中常發(fā)現(xiàn)部分車輪存在嚴(yán)重的偏磨現(xiàn)象,具體表現(xiàn)為一側(cè)車輪輪緣磨耗嚴(yán)重,而另一側(cè)車輪輪緣磨耗輕微或無磨耗,如圖1所示。表1為2010年8月至9月間統(tǒng)計(jì)的在神朔線上運(yùn)行的幾臺(tái)機(jī)車車輪直徑和輪緣厚度數(shù)據(jù)。可見:在機(jī)車運(yùn)行過程中,同一輪對(duì)左右車輪的直徑差值最大達(dá)到6.6mm,同一輪對(duì)左右車輪輪緣厚度差值最大達(dá)到6.9mm,表明車輪出現(xiàn)了嚴(yán)重的偏磨。車輪的偏磨不僅給機(jī)車的安全運(yùn)行帶來隱患,也直接影響到機(jī)車運(yùn)用效率,許多機(jī)車輪對(duì)不得不提前進(jìn)行鏇修,降低了輪對(duì)的使用壽命。機(jī)車通過較小半徑的曲線時(shí),同一輪對(duì)外側(cè)車輪的磨耗較內(nèi)側(cè)車輪嚴(yán)重,但是機(jī)車在現(xiàn)場運(yùn)用過程中同一輪對(duì)上的車輪處于曲線上內(nèi)外側(cè)的機(jī)會(huì)是近乎相等的,因此曲線是造成輪緣磨耗的重要原因,但不是單側(cè)車輪嚴(yán)重偏磨的主要原因。由于輪對(duì)制造和檢修過程中存在誤差,同一輪對(duì)左右車輪的半徑不完全相同,初步認(rèn)為輪徑差是造成機(jī)車車輪偏磨的主要原因之一。以下將分析輪徑差對(duì)車輪磨耗行為的影響。1輪對(duì)機(jī)械力學(xué)性能由于同一輪對(duì)存在輪徑差,因此在蠕滑力和輪對(duì)重力作用下,輪對(duì)必然偏離原來的位置以達(dá)到新的平衡位置。當(dāng)輪對(duì)具有初始輪徑差時(shí),輪對(duì)處于不平衡位置。當(dāng)輪對(duì)達(dá)到一個(gè)新的平衡位置時(shí),必須在該位置滿足以下受力平衡方程:式中:Fsx,Fsy為一系縱向和橫向懸掛力;Fcx,Fcy為輪對(duì)縱向和橫向蠕滑力;Fg為重力復(fù)原力;Msx,Msy為一系懸掛力形成的輪對(duì)搖頭偏轉(zhuǎn)力矩;Mcx,Mcy為輪對(duì)蠕滑力形成的輪對(duì)搖頭偏轉(zhuǎn)力矩;Mg為重力角剛度產(chǎn)生的復(fù)原力矩;FIx,FIy為慣性力在x,y方向的分量;MI為慣性力矩。以JM3型車輪踏面和60kg/m級(jí)鋼軌型面為例分析輪徑差對(duì)輪對(duì)平衡位置的影響。通過輪對(duì)受力分析表明:輪對(duì)具有輪徑差時(shí),從初始的平衡位置到達(dá)新的平衡位置后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輪對(duì)橫移量y和沖角w,以達(dá)到輪對(duì)受力平衡,如圖2所示。不同輪徑差下輪對(duì)橫移量和沖角如圖3和圖4所示。結(jié)果表明:輪對(duì)處于新的平衡位置時(shí)的橫移量和沖角均隨輪徑差的增大而增大,輪徑差為0.4mm時(shí),輪對(duì)處于平衡位置時(shí)的橫移量為0.61mm,沖角為7×10-6rad;輪徑差為2.4mm時(shí),輪對(duì)橫移量為3.39mm,沖角為59×10-6rad。2非線性模型材料輪徑差使輪對(duì)的平衡位置發(fā)生改變,必然會(huì)影響機(jī)車運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)行為,其中包括輪對(duì)橫移量、輪對(duì)沖角、輪軌蠕滑率和蠕滑力。以SS4改型機(jī)車為例,在多剛體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK中建立機(jī)車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型分析輪徑差對(duì)機(jī)車動(dòng)力學(xué)行為的影響,如圖5所示。在對(duì)機(jī)車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí),不考慮機(jī)車與車輛間的相互影響,將單節(jié)機(jī)車作為研究對(duì)象,在建立動(dòng)力學(xué)模型時(shí)假設(shè)車體、構(gòu)架、輪對(duì)均為剛體,車體和轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)對(duì)稱,忽略鋼軌的彈性變形。為確保計(jì)算的精度,考慮了包括輪軌接觸幾何關(guān)系、蠕滑特性以及懸掛特性等非線性因素。采用JM3型踏面和60kg/m鋼軌相匹配,同時(shí)采用最常用的Kalker簡化非線性滾動(dòng)接觸理論求解蠕滑率和蠕滑力,可以在計(jì)算速度和精度方面得到較好的統(tǒng)一。機(jī)車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程可以用以下矩陣形式表示:輪徑差對(duì)輪對(duì)橫移量和沖角平均值的影響如圖6和圖7所示,可見:輪對(duì)橫移量和沖角的平均值均隨著輪徑差的增大而增大;輪徑差為0mm時(shí)輪對(duì)橫移量和沖角的平均值分別為-0.046mm和2.058×10-7rad,輪徑差為2mm時(shí)輪對(duì)橫移量和沖角的平均值分別為2.057mm和6.089×10-5rad。國外研究結(jié)果表明:輪軌之間的蠕滑作用是引起輪軌磨耗的主要原因,蠕滑作用的兩個(gè)重要參數(shù)是蠕滑率和蠕滑力,蠕滑率的定義為:式中:γx為縱向蠕滑率;γy為橫向蠕滑率。蠕滑力是由相互接觸的車輪和鋼軌在其接觸斑內(nèi)的應(yīng)變不同產(chǎn)生的,包括縱向蠕滑力和橫向蠕滑力。輪徑差對(duì)輪軌蠕滑率和蠕滑力平均值的影響如圖8和圖9所示,可見:同一車軸上左、右輪的輪軌蠕滑率均隨著輪徑差的增大而增大,右側(cè)車輪的輪軌蠕滑力隨輪徑差的增大而明顯增大,而左側(cè)車輪的蠕滑力變化不大;左、右輪上的蠕滑率和蠕滑力差值隨著輪徑差的增大而增大,輪徑差為0mm時(shí),左、右輪上的蠕滑率平均值分別為5.518×10-4和5.515×10-4,相差0.05%,左、右輪上的蠕滑力平均值分別為1.01×104N和1.03×104N,相差1.98%,輪徑差為2mm時(shí)左右輪上的蠕滑率平均值分別為7.05×10-4和7.28×10-4,相差3.26%,左、右輪上的蠕滑力平均值分別為1.125×104N和1.412×104N,相差25.5%。3輪磨功率差值越大,車輪磨耗功率差值越大,車輪磨耗功率差值越大,車輪磨耗功率差值越大,車輪磨耗功率差值越大,車輪磨耗功率差值越大,車輪磨耗功率差值越大,車輪輪磨耗功率越大同一車軸上左、右車輪的磨耗功率隨輪徑差大小的變化如圖10所示。結(jié)果表明:隨著輪徑差的增大,左側(cè)車輪和右側(cè)車輪的磨耗功率明顯增大;輪徑差越大,左、右輪的磨耗功率差值越大,半徑差為0mm時(shí),左輪磨耗功率為153.3Nm/s,右輪磨耗功率為154.6Nm/s,相差0.85%,半徑差為2mm時(shí),左、右輪的磨耗功率分別為210.4和236.8Nm/s,相差12.5%,因此輪徑差將會(huì)導(dǎo)致車輪出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象。輪對(duì)初始輪徑差與機(jī)車車輪偏磨的關(guān)系如圖11所示,可見:輪徑差會(huì)導(dǎo)致車輪產(chǎn)生偏磨,而車輪的偏磨會(huì)使輪徑差不斷增大,最終使車輪的偏磨行為更加嚴(yán)重,因此對(duì)車輪剛開始運(yùn)用時(shí)的輪徑差應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格控制。4輪徑差的影響通過以上分析,可得到以下結(jié)論:(1)有輪徑差的輪對(duì)到達(dá)新的平衡位置后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輪對(duì)橫移量和沖角,且隨著輪徑差的增大而增大。(2)利用機(jī)車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型分析輪徑差對(duì)機(jī)車動(dòng)力學(xué)行為的影響,結(jié)果表明輪對(duì)橫移量、沖角、輪軌蠕滑率和蠕滑力均隨著輪徑差的增大而增大。(3)同一車軸上左、右