劉大鵬

【摘 要】目前，HXD3、HXD3C、HXD3B型電力機(jī)車(chē)的“C5檢修”工作已經(jīng)在連車(chē)全面展開(kāi)，其車(chē)輪的踏面鏇修都是按照J(rèn)M3型來(lái)進(jìn)行判定。本文針對(duì)上述電力機(jī)車(chē)的車(chē)輪輪緣和踏面的磨損情況，結(jié)合連廠HXD3型等電力機(jī)車(chē)“C5檢修”車(chē)輪的檢修數(shù)據(jù)，借助計(jì)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(cè)與判定方法，并進(jìn)行了誤差分析和實(shí)踐驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】車(chē)輪鏇修；踏面；數(shù)據(jù)分析

1 HXD3、HXD3B、HXD3C型電力機(jī)車(chē)概況及課題背景和意義

HXD3型電力機(jī)車(chē)是由北車(chē)集團(tuán)大連機(jī)車(chē)車(chē)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(dòng)貨運(yùn)電力機(jī)車(chē)，自2006年12月第一臺(tái)正式交付使用以來(lái)，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(tái)，主要運(yùn)行在京廣、京滬等重要貨運(yùn)干線(xiàn)，一舉填補(bǔ)了我國(guó)大功率貨運(yùn)機(jī)車(chē)的空白。2009年以來(lái)，為了緩解我國(guó)鐵路電力客車(chē)運(yùn)力不足的情況，部分HXD3型機(jī)車(chē)開(kāi)始配屬到客運(yùn)機(jī)務(wù)段。

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

HXD3C 型是在HXD3 型和HXD3B 型電力機(jī)車(chē)基礎(chǔ)上研制的交流傳動(dòng)六軸7200kW 干線(xiàn)客貨電力機(jī)車(chē)，自2010年7月第一臺(tái)正式交付使用以來(lái)，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(tái)，是首款適用于客貨運(yùn)兩用車(chē)型。

按照鐵總關(guān)于“兩年檢”、“四年檢”、“C5修”等修程，自連車(chē)公司開(kāi)始檢修上述電力機(jī)車(chē)以來(lái)， 2011年到2015年，我們檢修HXD3型電力機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)1410臺(tái)，檢修HXD3B型電力機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)708臺(tái)，檢修HXD3B型電力機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)210臺(tái)。因此，如何保質(zhì)保量的完成HXD3型等電力機(jī)車(chē)的“C5檢修”，并以此為契機(jī)展開(kāi)對(duì)“和諧”系列機(jī)車(chē)檢修相關(guān)問(wèn)題的探討與研究是極富社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的。

在檢修過(guò)程中，輪對(duì)作為機(jī)車(chē)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(chē)輪磨損情況的情況的重要指標(biāo)，決定了檢修車(chē)輪的最終狀態(tài)，而如何快速而準(zhǔn)確的確定車(chē)輪的鏇修尺寸也直接決定了修程的長(zhǎng)短和鏇修量的大小。在保證驗(yàn)質(zhì)量的同時(shí)，最大程度的壓縮修程、減小鏇修量，即可以提高承修單位、驗(yàn)收部門(mén)的工作效率，又為使用單位日后延長(zhǎng)輪對(duì)走行時(shí)間奠定了基礎(chǔ)，所以本文在結(jié)合連車(chē)驅(qū)檢中心承修的HXD3等“C5檢修”車(chē)輪實(shí)際數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)分析后，借助計(jì)算機(jī)軟件，提出了一種車(chē)輪踏面鏇修的快速檢測(cè)與判定方法。

2 車(chē)輪踏面、磨損和鏇修

機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面是指車(chē)輪與鋼軌的接觸部分，簡(jiǎn)稱(chēng)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(chē)可靠的通過(guò)曲線(xiàn)和道岔，不致脫軌。

在機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程之中，車(chē)輪踏面部分與鋼軌進(jìn)行的滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦?xí)斐绍?chē)輪滾動(dòng)圓直徑的減?。挥捎跈C(jī)車(chē)正常行駛時(shí)輪對(duì)側(cè)向串動(dòng)和在通過(guò)曲線(xiàn)時(shí)鋼軌會(huì)對(duì)車(chē)輪輪緣產(chǎn)生摩擦和擠壓，這種摩擦和擠壓以及車(chē)輪自身的熱疲勞作用導(dǎo)致輪緣厚度會(huì)逐步減小，且形狀會(huì)發(fā)生很大變化，由于輪緣和鋼軌的接觸力是機(jī)車(chē)在通過(guò)曲線(xiàn)和道岔時(shí)的主要轉(zhuǎn)向力，如果輪緣厚度過(guò)小，在鐵軌的擠壓作用下會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪破壞，以至于機(jī)車(chē)脫軌，所以輪緣厚度尺寸是決定機(jī)車(chē)行駛安全的重要因素。

因此，各類(lèi)檢修規(guī)程中都把車(chē)輪踏面的檢測(cè)和鏇修作為終點(diǎn)項(xiàng)目之一。

車(chē)輪的鏇修，是指通過(guò)機(jī)械加工的手段減小車(chē)輪滾動(dòng)圓尺，將磨損后的踏面修理至可使用標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程。

根據(jù)各類(lèi)修理規(guī)程，在對(duì)車(chē)輪的檢修過(guò)程中需要對(duì)達(dá)不到使用標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)輪進(jìn)行鏇修修理。在以往的鏇修過(guò)程中，由承修單位檢查人員對(duì)車(chē)輪輸入狀態(tài)（輪緣厚度、輪緣高度和滾動(dòng)圓直徑尺寸）進(jìn)行檢查和測(cè)量，而后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)決定鏇修尺寸?？梢钥吹?，由于是認(rèn)為確定鏇修尺寸，所以在實(shí)際操作過(guò)程中具體取決于檢查人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)及能力，而由于經(jīng)驗(yàn)和能力的差異，往往會(huì)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(cè)量，以最大程度的保證滾動(dòng)圓尺寸；

c）車(chē)輪經(jīng)過(guò)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(xiàng)的鏇修是不經(jīng)濟(jì)的，增大鏇修量不僅加長(zhǎng)了鏇修時(shí)間，且在鏇修后車(chē)輪的滾動(dòng)圓直徑偏小，減少了車(chē)輪后續(xù)使用的壽命；b項(xiàng)雖然保證了車(chē)輪滾動(dòng)圓直徑和車(chē)輪后續(xù)使用壽命，但是在鏇修過(guò)程中采用小切削量、多次切削，增加了工作量和鏇修時(shí)間；c項(xiàng)車(chē)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(guò)程都做了無(wú)用功，浪費(fèi)了檢修時(shí)間和成本。

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

我們可以看到，鏇修的過(guò)程也可以抽象成由磨損之后的踏面曲線(xiàn)去包絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)踏面形狀的過(guò)程，所以關(guān)鍵就在于找出一種接近車(chē)輪踏面實(shí)際磨損情況的曲線(xiàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)磨損曲線(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的對(duì)比實(shí)現(xiàn)踏面鏇修的快速判定。

3 踏面鏇修的快速判定

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

3.1 車(chē)輪踏面的檢修數(shù)據(jù)

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

在對(duì)所有的檢修數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析后會(huì)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于輪緣高度和滾動(dòng)圓直徑而言，輪緣的厚度對(duì)鏇修尺寸的影響要更大一些。因?yàn)檩喚壐叨群蜐L動(dòng)圓直徑對(duì)于鏇修尺寸來(lái)說(shuō)是線(xiàn)性影響，即輪緣高度和滾動(dòng)圓直徑每減小1mm，則鏇修后的車(chē)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(dòng)圓半徑至少減少3mm的粗略估計(jì)，而事實(shí)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(xiàn)性變化的，而是逐步增大的，所以，在分析鏇修尺寸時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮輪緣厚度的影響。

3.2 車(chē)輪踏面模擬軟件

圖4所示為車(chē)輪踏面磨損模擬系統(tǒng)，可以看到軟件可以分別顯示車(chē)輪標(biāo)準(zhǔn)踏面形狀、車(chē)輪踏面磨損形狀以及車(chē)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(xiàn)分段，對(duì)每段結(jié)合部分進(jìn)行相切的約束，而后對(duì)輸入的踏面檢修尺寸進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)在統(tǒng)計(jì)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(shí)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(guò)程中，將鏇修后的實(shí)際尺寸輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)在曲線(xiàn)約束的基礎(chǔ)上對(duì)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(xiàn)也會(huì)越來(lái)越接近實(shí)際磨損的平均值。

3.3 快速鏇修尺寸判定辦法

在模擬出車(chē)輪磨損曲線(xiàn)后，將標(biāo)準(zhǔn)踏面形狀與磨損曲線(xiàn)相比較，在磨損曲線(xiàn)完全包絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)后，兩曲線(xiàn)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(duì)輸入狀態(tài)為：輪緣高度28、輪緣厚度30、滾動(dòng)圓直徑為φ1240的車(chē)輪進(jìn)行模擬鏇修。其中黃色曲線(xiàn)為未磨損的標(biāo)準(zhǔn)踏面形狀，紅色曲線(xiàn)為根據(jù)輸入狀態(tài)模擬的踏面磨損曲線(xiàn)，綠色曲線(xiàn)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(jì)過(guò)程中，由于認(rèn)為數(shù)據(jù)為正態(tài)分布，所以在統(tǒng)計(jì)時(shí)采用了剔除粗大誤差后取均值的計(jì)算方法，如此會(huì)使模擬曲線(xiàn)與真實(shí)磨損情況有所差別。

如在相同滾動(dòng)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(jiàn)磨損情況并不總是發(fā)生的均值上，所以在針對(duì)均值制定鏇修標(biāo)準(zhǔn)時(shí)顯然會(huì)對(duì)那些偏離均值磨損情況的鏇修產(chǎn)生影響，對(duì)于輪緣厚度高于均值的情況會(huì)造成過(guò)量鏇修，而對(duì)于輪緣厚度低于平均值的情況會(huì)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(duì)鏇修效率的影響更大，所以在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)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(shí)，由于在車(chē)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(cè)的過(guò)程中只對(duì)輪緣高度和厚度進(jìn)行檢測(cè)，所以輪緣曲線(xiàn)的曲率變化我們無(wú)從掌握，如何對(duì)車(chē)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(cè)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(shí)踐論證

表1為連廠驅(qū)檢中心HXD3等車(chē)型“C5檢修”車(chē)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(shí)際檢修過(guò)程中，除去過(guò)量鏇修和同一臺(tái)份車(chē)輪滾動(dòng)圓直徑許差問(wèn)題，采用快速判定辦法缺的頂著鏇修尺寸與實(shí)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(xiàn)會(huì)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(shí)踐應(yīng)用及前景

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

在經(jīng)過(guò)快速判定方法計(jì)算后，判定該5個(gè)輪鏇修后無(wú)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(shí)間3小時(shí)，節(jié)約加工成本2700余元。在對(duì)同批次其他輪對(duì)進(jìn)行快速判定后，按照判定結(jié)果對(duì)車(chē)輪踏面進(jìn)行了鏇修成功，最大程度的保證了車(chē)輪滾動(dòng)圓尺寸，為延長(zhǎng)以后的車(chē)輪使用壽命提供了條件。

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

4 總結(jié)

如何縮短機(jī)車(chē)各類(lèi)檢修過(guò)程的時(shí)間，如何最大程度的減少機(jī)車(chē)的檢修頻次，一直以來(lái)都是我們?cè)诠ぷ髦兴伎己吞剿鞯膯?wèn)題，本文通過(guò)對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面的磨損進(jìn)行研究后，提出了一種基于計(jì)算機(jī)軟件的車(chē)輪踏面鏇修快速判定方法，并結(jié)合連車(chē)HXD3型等電力機(jī)車(chē)“C5檢修”實(shí)際檢修數(shù)據(jù)對(duì)判定方法的可靠性與誤差進(jìn)行了分析，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)用驗(yàn)證了該判定方法的實(shí)用性，同時(shí)，在尋找方法的過(guò)程中積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后機(jī)車(chē)檢修過(guò)程中問(wèn)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(kāi)，相信無(wú)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(huì)使車(chē)輪的鏇修工作更加快速、準(zhǔn)確，令我們的機(jī)車(chē)生產(chǎn)、檢修、交驗(yàn)工作更上一個(gè)臺(tái)階。

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[責(zé)任編輯：湯靜]