轮缘识别工况法在大功率机车上的试验验证

【摘 要】 识别工况法是通过检测机车横向振动的频率和幅值特征，实时判断轮缘磨损状况，并自动选择针对性的剂用量和位置的方法。本文介绍了识别工况法的基本算法和在大功率机车上的实验验证。

【关键词】 识别工况 轮缘 机车横向振动

1 引言

1.1 轮缘控制系统现状

由于我国是一个多山地国家，铁路线路曲线占比例较高，轮缘轨侧磨损问题一直是影响车轮和钢轨寿命的重要因素。目前机务系统主要采用轮缘装置来解决这一问题，主流的流体轮缘装置一般采取固定间隔（距离或时间）的方式向机车轮缘喷射脂。轮缘磨损剧烈时需要缩短喷脂间隔，轮缘磨损轻微时又需要延长喷脂间隔。进口流体轮缘装置主要采取固定时间喷脂模式，国产流体轮缘装置采用固定距离喷脂模式，为了根据轮缘磨损状况调整剂用量，二者分别开发了识别离心力模式和识别线路模式。

识别离心力模式以倾角传感器读数为依据，读数绝对值大时认为轮缘磨损严重；识别线路模式以曲线半径为依据，曲线半径小时认为轮缘磨损严重。由于我国客货混跑的现状，机车在小曲线上的离心力读数可能反而小于在大曲线的离心力读数，因此采用离心力模式容易造成轮缘磨损工况的误判。识别线路模式单纯以曲线半径为依据，忽略了机车速度、外轨超高等影响轮缘磨损参数的影响，也有一定局限性。

1.2 识别工况控制系统的提出

针对识别离心力模式和识别线路模式的特点，提出了根据机车横向振动的幅值和频率特性识别机车轮缘磨损工况的方法，简称为识别工况法，并获发明专利。[1]识别工况法测量机车横向振动数值，推导轮轨的接触状态，由于是实时测量多个参数影响下的最终结果，因此相对更加准确。

机车横向振动受到机车特性和机车激励特性的影响，机车激励又包括轨道激励、轮对激励等；实践中轮缘控制系统一般安装在动力间墙体上，动力间的机械振动，如牵引风机振动，又会传递到墙体，带来干扰。因此，从机车横向振动数据提取反映轮缘磨损的有效分量，是识别工况法的重点。

2 识别工况控制系统

2.1 不同轮缘磨损工况下的机车横向振动特征分析

车轮在理想直线运行状态下，轮缘不接触钢轨，此时机车横向振动频率较低；由于外部激励造成轮对小幅蛇行时，轮缘反复接近钢轨，由于车轮/钢轨外形特点，钢轨和车轮接触面法线角度不断发生变化，机车横向振动频率增大；当机车过曲线或蛇摆加重时，钢轨和车轮接触面法线角度进一步增大，宏观上轮缘与钢轨轨距角接触，发生剧烈磨损，微观上轮缘反复冲击轨距角，此时机车横向振动频率进一步增大且伴随冲击碰撞的特征。因此，识别轮缘磨损工况实际上就是检测轮缘反复冲击轨距角时由于轮轨接触几何特征变化带来的机车横向振动频率和幅值特性的变化。

2.2 停车/运行工况的识别

（图1）为HXD3机车在站场从挂机到运行20分钟时间的时间-频谱图。大约0--800秒之间，图中（1）（2）（3）分别是3次短时低速运动过程，（4）位置是机车过道岔，而后运行速度逐渐达到60km/h。可以看到，在3次低速运动中，均在50HZ以下的低频带出现较高能量。对该数据进行滤波处理，结果如（图2）所示。

根据（图1）和（图2）所示，通对数据的滤波处理，能够通过低频段的能量判断机车的运行/停止状态。结合机车停车/运行状态下纵向加速度数值，可以判断出机车的运行方向。

2.3 小曲线/道岔/直线/大曲线识别

天棚―关角―察汉诺（关角沟）区间集中了西格线的所有小半径曲线，该区间长76公里，共有曲线70多条，其中半径为300米的小半径曲线有24条，机车（客车）实际运行速度55km/h左右，轮缘磨损严重。西格线进入关角沟之前，线路条件较好，曲线半径超过2000米，机车（客车）实际运行速度在110km/h左右，轮缘磨损轻微。（图3）是HXD1C机车（客车）进入关角沟前刚察―天棚81km区间的时间--频谱图，其中（1）（2）（3）为停车状态，这3处前后该机车进出站过道岔；（图4）是该机车天棚―关角30km区间运行的时间--频谱图，其中（4）（5）（6）（7）是停车状态，柱状图区域为机车运行在曲线，柱状图高度是曲线半径，曲线半径最大800米，最小300米。

总结HXD1C机车在关角沟线路上的横向振动数据，有以下特点：（1）机车进出站过道岔时在频谱图上有显著反映；（2）线路条件好时横向振动能量较低且集中在较低频带；（3）小曲线多、轮缘磨损严重时横向振动能量向较高频带方向扩散。

由此总结识别工况法针对不同轮缘磨损工况的判断依据：（1）低频段无能量时，认为轮缘磨损轻微，机车运行在直线；（2）低频段有能量时，认为轮缘开始磨损，机车运行在大曲线或有蛇形；（3）能量向较高频段扩算时，认为轮缘磨损剧烈，机车运行在小曲线；（4）加速--冲击特征出现时为机车过道岔，轮缘磨损剧烈。

2.4 前进端/单侧/对角喷脂等多种模式的实现

机车轮缘系统将脂喷射到机车轮缘上，轮缘接触钢轨时，脂通过钢轨传递到后继车轮。如果在轮缘不磨损时多次喷射脂，会造成脂在轮缘上的堆积、甩溅并向踏面扩散。因此在直线、小曲线和大曲线应采取不同的喷脂模式。例如直线段轮缘通过机车蛇行偶尔接触钢轨，因此可执行前进端喷脂并加大喷脂间隔；大曲线外轨超高与速度不匹配时机车会偏向一侧，因此可执行单侧喷脂并适当减小喷脂间距；小曲线时转向架通常楔接通过，因此可执行对角喷脂并大幅减小喷脂间距。

通过机车横向振动的频率和幅值特性，识别工况法能够区分小曲线、大曲线和道岔等工况。结合机车实时横向加速度均值，能够识别上述工况。检测到大曲线特征时，根据横向加速度均值确定单侧喷脂；检测到小曲线特征时，根据行车方向确定对角喷脂。

2.5 运用试验

识别工况的轮缘系统在HXD3和DF4机车上进行了运用试验。整套系统运行情况良好，轮缘磨损控制到0.3毫米/万公里以下。通过添乘观察，控制系统工作良好，能够正确根据不同工况自动调整喷脂模式和参数。

3 结论和展望

3.1 结论

识别工况的轮缘控制系统通过检测、分析机车横向振动特性，能够识别机车运行/停止、小曲线磨损、大曲线磨损、过道岔等多种轮缘磨损工况，并针对性的执行不同的控制策略。

识别工况方法一方面提供了轮缘控制系统的一个新思路；另一方面，随着该系统的安装，相当于加装了大量的轮缘磨损在线检测装置，有利于及时掌握轮对磨损特点、积累现场数据，为轮对全寿命管理，提供一个辅助手段。

3.2 展望

识别工况法还处在起步阶段，目前的实验验证工作是通过人工添乘并记录机车时间轴上运行速度、通过曲线时间点、曲线半径等参数，而后对比测量数据。实验验证工作效率低，精度差。需要在轮轨接触状态识别和验证方面投入更多的研究。

充分的“轮缘”能够保障机车车轮的寿命，但在部分路段，钢轨需要一定的磨损率避免疲劳裂纹的发生和扩展。协调车轮和钢轨的寿命，实现“轮轨”，是识别工况法后继的一个研究重点。

参考文献：

[1]武小鹏.识别工况的新型机车轮轨控制系统[J].中国铁路，2012.