城轨车辆轮对的常见故障分析及处理

城轨车辆轮对的常见故障分析及处理目录32540第1章绪论 绪论选题背景当前，我国处于城市轨道交通迅速发展的时期，城市轨道交通建设有着广阔的发展前景。城市轨道交通的优点有速度快、运量大、节约能源、效率高、无污染、节省土地等，城市轨道交通可谓是城市公共交通中的中流砥柱，不断为城市经济发展注入新的活力，促进城市的可持续发展。城市轨道交通的飞速发展前进给人们带来了很大的便利，其安全问题也在这个过程中渐渐暴露出来，使得人们不得不关注。轮对的服役状态直接关系到车辆运行的安全性与平稳性，因此，建立城市轨道交通车辆轮对的检测与诊断系统十分重要，这个系统的核心是轮对故障的分类与特征提取，并且构建完整的故障诊断流程。针对以上研究内容，构建城轨车辆轮对故障诊断系统，针对城轨车辆运行过程中由于轮轨冲击造成的轮对损伤故障，本文还提到了车辆车载检测装置：城轨车辆走行部车载故障诊断系统和轮对动态监测设备。这种设备可以及时检测到城轨车辆的早期故障，以提高城市轨道交通运行过程中的稳定性与安全性，降低故障维修的成本。研究意义轮对是轨道车辆的重要部件之一。作为车辆走行部分，轮对承受着车辆的全部载荷，并在负载的条件下沿轨道作高速运转，对车辆运行的安全和平稳性起决定作用，直接关系到旅客的安全性、舒适性。因此，随着轨道车辆覆盖率的不断提高，轮对常见故障原因分析及解决途径的探索已经成为一种趋势和发展。城轨车辆列车常年在地下运营行驶，地下环境不同于地表环境。在地下环境行驶的列车，轮对经常暴露在潮湿的环境下，长此以往，轮对的材质容易发生腐蚀、脱落等现象。加上车轮在滚动的过程中不断与闸瓦发生摩擦，其表面材质产生疲劳，以致剥离缺损。车辆的平稳运营建立在轮对的良好状态上。轮对一旦发生故障，或产生巨大的噪音，影响乘客乘车的体验，或造成脱轨等严重后果。研究现状现有的诸多监测技术，在监测频度、实施难易、检查成本、对被监测对象的限制（如收车入库时检查，或厂修和段修时使用），存在很多局限性。而随着车辆速度的加快，这些监测手段已经远远不能满足轨道交通车辆安全监测的要求。轨道交通车辆已出现了最高运行速度120～180km/h、每2～3min通过一列车的行车密度、在城市中心区运行、大流量客流的运行状态，如何保证高速运行中及时发现可能出现的故障、实时确保正在高速运行的车辆安全，已经实实在在摆在了我们面前。显然，单纯依靠收车入库检查才能进行的上述监测维护手段是不能满足要求的。车辆走行部的实时监测新技术，是轨道交通车辆安全技术的重要发展方向：需要根据轨道交通车辆的常见故障，研究实时监测的对策。实时监测，就需要实时捕捉信息。而捕捉信息，就离不开传感器。对传感器所捕捉的信息，还需要经过采集、处理、识别、分辨、分析、诊断，才能得到结论，这就需要处理巨大数据流量的信息处理技术。虽然高速微型计算机、微处理器在今天已经容易获得，但是，如果没有针对轨道交通车辆故障诊断的特殊判别理论、数学模型、和专家系统（软件），则无论多么优秀的计算机也将一筹莫展；如果没有能够在恶劣环境下抗干扰的、可靠的通信技术，则计算机通过专家系统诊断处理后的结论信息的及时传送和利用，将仍然受到限制。故障诊断，特别是实时故障诊断，这是一个系统工程，每一个环节，都需要投入大量的研究才能解决。本文结构本论文主要介绍的是城市轨道交通车辆轮对的常见故障分析及处理，进行全面的、系统的知识综合。本论文结构上分为五个章节，各章节简要内容概述如下：第一章为绪论，简要地介绍了本文的创作范围、创作意义与相关创作背景；第二章研究了轮对的总体设计，介绍了轮对的组成、结构，阐述了轮对的主要技术参数；第三章详细列举了轮对常见故障及故障产生原因；第四章分析了轮对的检修；第五章城轨车辆走行部车载故障诊断系统。最后对论文整体进行收尾，总结了全文，简要概述了自己在此次毕业论文创作过程中的所思、所悟、所得，同时对论文的指导教师、协助完成论文的相关人员致以谢意。

轮对的结构特点与分析概述轮对在转向架的重要部件中占据一席之地，它又是影响车辆运行安全性的关键部件之一，轮对必备功能如下：（1）承受车辆与线路间相互作用的全部载荷及冲击；（2）与钢轨形成黏着，产生牵引力或制动力；（3）轮对滚动使车辆前进运行。轮对组装主要包括车轮、车轴、制动盘、齿轮箱及轴承等（如图2-1）。1.车轮2.制动盘3.车轴图2-1轮对组成主要技术参数（1）轴距2300mm；（2）车轮直径840mm(新轮)/770mm(全磨耗)；（3）轮对内侧距(1353+2)mm；（4）轮重减载率≤0.6；（5）脱轨系数(Q/P)≤0.8。轮对组成主车轮和车轮采用的是现今当下广泛采用的整体辗钢车轮，它的材质为车轮钢。整体辗钢车轮，即轮心和轮箍为一体，这种车轮的强度大，重量小于带轮箍的车轮，没有带轮箍的车轮常遇的因过热导致轮箍弛缓的危险，不但制造简单而且安全度高。主车轮、车轮与车轴装配采取注油压装，轮毂内外侧面均突出车轴。轮毂内侧突悬能在减小微动磨损影响的同时将轮对压装的拉应力从轮座转移到轴肩圆弧处，以此将轮座的疲劳强度进行有效的提高。轮对结构根据我国《城市快速轨道交通工程项目建设标准》(试行本)的规定，A、B型城轨车辆转向架的车轮直径为840mm(新轮)/770mn(磨耗到限)。基于城轨交通是在城市内运营的特点，人们对城轨车辆运营产生的噪声有着较高的要求，城轨车辆运营噪声的主要来源是轮轨接触噪声。如何有效的降低轮轨接触噪声是降噪研究的主要方向之一。目前世界上多个国家已经通过优化车轮的结构设计来降低轮轨接触噪声，当今城轨转向架使用的车轮结构主要有3种类型，即整体辗钢车轮、弹性车轮、设有吸声材料的车轮。图2-2为弹性车轮的3种结构型式，图2-3为设有吸声材料的车轮结构。（a）剪切型（b）压缩型（c）剪切压缩复合型图2-2弹性车轮结构图2-3设有吸声材料的车轮结构由于弹性车轮使用的橡胶的可靠性和吸声车轮的吸声原理在我国处于仍待解决的状态，因此到目前，国内城轨车辆转向架所使用的车轮基本上为整体辗钢车轮。轮对作用①轮对滚动使车辆前行，保证机车车辆在钢轨上的运行和转向；②承受来自机车车辆的全部静、动载荷和冲击，把它们传递给钢轨，并将因线路不平顺产生的载荷传递给机车车辆各零部件；③机车车辆的驱动和制动是通过轮对起作用的，它与钢轨黏着产生牵引力和制动力；轮对的要求①轮对应有足够的强度，它承受了列车全部载荷和冲击，强度不够会有安全问题；②轮对重量尽量轻，降低转向架簧下部分的质量对改善车辆运行品质和减少对轮轨动力作用有很大影响；③对车轴与车轮的组装压力和压装过程有严格要求，轮对内侧距离必须保持在1350～1356mm的范围以内；④轮对应有一定的弹性，弹性车轮减少了簧下重量，减小轮轨之间的作用力，以缓和冲击，减小轮轨磨耗，降低噪声，改善车轮与车轴的运用条件，提高列车平稳性。⑤为保证机车车辆运行平稳，降低轮轨间的相互作用力和运行阻力，车轴轴颈和车轮踏面的加工椭圆度和偏心度，以及轴颈锥度都不能超过规定限度；车轮踏面选择车轮踏面是指车轮与钢轨顶面的接触部分，一般做成一定的斜度，正式因为车轮踏面有斜度，各处直径不相同，因此规定在离轮缘内侧70mm处测量所得的直径为名义直径，作为车轮的滚动圆直径，我国城市轨道车辆新轮直径尺寸为840mm。目前踏面型式有锥形和磨耗形两种。锥形踏面：锥形踏面有两个斜度，即1:20和1:10，前者位于轮缘内侧48～100mm范围内，是轮轨主要接触部分，后者为离内侧100mm以外部分。踏面锥形的作用是在直线运行时使轮对能自动对中；在车辆曲线运行时，由于离心力的作用使轮对偏向外轨，由于踏面锥形，使外轨上滚动的车轮以较大的滚动圆滚动，在内轮上以较小的滚动圆滚动，从而减少了车轮在钢轨上的滚动，使轮对顺利的通过曲线；踏面有斜度，运行时车轮与钢轨接触的滚动直径在不断地变化，致使轮轨的接触点也在不停地变换位置，从而使踏面磨耗更均匀。磨耗形踏面：锥形踏面与钢轨的接触宽度较窄，接触部分磨耗后踏面呈凹形，运动表明，踏面磨耗至某种凹形后，磨耗变慢，外形也相对稳定，人们把踏面外形设计成磨耗形的一种踏面，称为磨耗形踏面，简称LM型踏面。磨耗形踏面的踏面磨耗较慢，延长了旋轮里程，减少了旋轮时的切削量；轮轨接触面积较大，接触应力较小，在同等的接触应力下，允许更高的轴重；减少了机车通过曲线时的轮缘磨耗，因为锥形踏面在曲线上轮轨为两点接触，而磨耗形踏面在曲线上时轮轨为一个接触点。当然磨耗形踏面也有等效斜度大，导致蛇行稳定性差的缺点。通常在相同轮径及轴重的条件下，磨耗形踏面的轮轨接触应力约为锥形踏面的70%。美国铁路的试验表明，磨耗形踏面的滚动阻力约为锥形踏面的80%，减小了车辆的基本阻力，达到节能的目的。基于这些优点，现在，许多国家的铁路以把磨耗形踏面定为标准的踏面外形，中国地铁车辆及轻轨车辆的车辆踏面也都采用磨耗形踏面，以减少通过曲线时的轮缘磨耗。当然采用了磨耗形踏面后，轮轨之间的等效斜度就增大了，所以要注意防止在直线上高速运行而引起机车蛇形运动的可能性。

常见故障及原因分析轮对是轨道交通车辆走行部故障多发的部件。由于城轨车辆、城轨交通车辆的快启动、快制动和频繁启停的特点，常见的故障主要有：踏面磨损、失圆、碾皮、剥离、擦伤、内部空洞、裂纹，车轴、电机轴的裂纹和切断等。轮对的损伤轮对的主要损伤有碾皮、剥离、咬伤、擦伤等。轨道交通，尤其是城轨交通和城轨车辆，轨道的，尤其是弯道的波磨已经成为重大灾害。因为城市轨道交通的特点是，同一条线路几乎都是采用相同型号的车辆按照几乎同样的运行规律重复地在各路段行驶，这个特点在普通铁路是基本不存在的，因此，轨道交通的轨道一旦出现波磨，因每列同型号列车通过的车速如旧，若波磨引起的振动、冲击频率等于构架共振频率，便会很快引起恶性循环：从初发的短距离波磨发展为长距离波磨，浅波磨发展为深波磨。轨道迅速磨成波浪状，车轮通过时发生强烈的振动，导致车轮发生剥离擦伤；车轮踏面则因通过轨道波磨而被硌伤、咬伤。这些过程无不加速车辆的走行部零部件的损坏，不仅引发强烈振动影响乘客的舒适度，而且有可能因此而导致更加严重的行车事故而危及乘客的生命安全。图3-1～图3-4是典型的车轮和其踏面故障图片。图3-1所示碾皮故障的内因是材质夹杂和内部缺陷。在与轨道反复碾压的外部交变力作用下，表面层与内部材料分离、撕裂。图3-2所示剥离故障的内因也是局部材质的不均匀，在与轨道反复碾压的外部交变力作用下，表层逐步酥松、脱落。图3-1踏面的碾皮损伤图3-2城轨车辆车轮踏面的剥离图6所示踏面咬伤故障之内因仍然是车轮局部材质缺陷，在与轨道接缝或波磨尖峰接触冲击时承受了更大的力和应变发生疲劳，以致存在缺陷的局部脱落。从放大图可见：咬伤部位周边也将逐步脱落。图7的擦伤是在不正常制动时车轮被抱死，使不转动的车轮局部与钢轨发生滑动摩擦、失去材料所致。从剥离形成的机理来看，车轮踏面剥离有4种：接触疲劳剥离、局部接触疲劳剥离、制动剥离和局部擦伤剥离。图3-3城轨车辆车轮踏面的咬伤图图3-4踏面的擦伤轮对裂纹轮对裂纹一般发生在轮心、车轴等处。车轮裂纹：由于车轮处在交变载荷作用下，直接承受来自钢轨的冲击，在车轮有局部缺陷或应力集中的地方，则逐渐发展成为疲劳裂纹；运用中踏面剥离或擦伤造成附加应力等，也是导致车轮产生裂纹的原因。图3-5～图3-8的车轮周向裂纹之内因是材质夹杂缺陷，在车轮转动过程中受到的外力作用，使夹杂部位的材料发生分离，周边发生应力集中，然后逐步扩展形成裂纹。其危险性在于：一旦裂纹部分崩落，可能导致车轮脱轨，进而引发颠覆事故。图3-5城轨车辆车轮踏面的热裂纹图3-6车轮踏面深层断裂表面似无异样图3-7车轮周向深层裂纹图3-8车轮周向浅层裂纹露头车轴裂纹：车轴不仅承受由传动装置传递的巨大转动力矩，还承受车辆本身的垂直载荷；此外，随着轮对在钢轨上滚动，车轴要承受来自钢轨接头的刚性冲击，还要承受各种附加应力；在这些情况的作用下，车轴在工作一段时间后，金属材料易受疲劳而产生裂纹。车轴裂纹分为横向裂纹和纵向裂纹，横向裂纹危险极大。车轴轮毂的边缘处裂纹略多，因为此处截面突变，应力集中严重，配合的应压力也最大，车轴弯曲时此处应力也最大。轮缘磨损轮缘磨损属于正常的自然磨损，一般情况下，轮缘的磨损并不严重。但在车轮做蛇形运动时，轮缘经常与钢轨内侧面发生冲撞磨耗；以及车辆在弯道通过曲线时由于离心力的作用，外侧车轮轮缘与钢轨侧面经常发生磨耗。左右两侧中一侧的平均轮缘磨耗率明显高于另一侧的现象称之为轮缘偏磨。轮缘磨损有三种结果：轮缘厚度减小、轮缘垂直磨损和轮缘形成锋芒。轮毂松缓轮毂松缓是车轮相对车轴而言的，是由于组装时轮毂部分与车轴配合过盈量不足，或者车轴与轮毂加工不良造成的。车轮踏面磨损、剥离、擦伤和凹陷车轮踏面磨损也是一种不可避免的自然磨损。因为轮对在钢轨上滚动，同时在通过曲线和蛇形运动时还有相对滑动，所以轮对与钢轨之间是一种滚动与滑动混合的复杂摩擦；此外，在车辆制动时，闸瓦与车轮踏面之间还发生滑动摩擦。以上这些摩擦，必然引起车轮踏面磨损。车轮踏面剥离是指车轮在运用过程中由于制动热作用或轮轨滚动接触疲劳作用而在踏面圆周或部分圆周上呈现出的金属掉块剥落损伤和龟裂状热裂纹现象。还有一种情况是挤压塑性变形，由于踏面经常受到很高的挤压力，表面微粒在工作过程中极易发生塑性变形，车轮在向前滚动时，前方材料受挤压，引起局部塑性变形，这样长期反复作用，表面金属易发生脱落。车轮踏面擦伤通常是由于车辆装置作用不良或操作不正确造成的，在停车瞬间，有时会由于车辆制动力过大，轮轨制动黏着状态遭到破坏，车轮在钢轨上产生滑行而导致车轮踏面擦伤。车轮踏面凹陷也是由于车辆装置作用不良或操作不正确导致的，制动时轮对被闸瓦抱死，轮对在钢轨上滑动，引起车辆冲击振动，从而造成线路的破坏，踏面的凹陷。

轮对的检修轮对的日常维护有日检、月检、三月检等；定期检修有定修、架修、大修。本文主要介绍架大修时轮对的典型检修工艺。轮对的分解在轮对进行架大修时一般要旋轮或换轮，这时要对轮对进行分解。当轮对内侧距不符合要求或轮毂松缓时，需要退轮；车轮的退卸在轮对压装机上进行，退卸压力一般大于压装压力，以防止将车轴轴颈压弯。为降低压卸车轮的压出吨位、防止车轴或毂孔在压出时拉伤或压弯车轴，应采用高压油泵注油退轮法，即将高压油泵与车轮上的油孔接通，当油加到70～90MPa时，即可将车轮退下。轮对的清洗轮对的清洗是为后续轮对轴颈检查、轮对探伤做准备，轮对清洗包括轴身、轴颈、防尘板座、齿轮箱等区域，要使它们无灰尘、无油污、无腐蚀。清洗后还要把它们擦干。轮对的检查①裂纹检查：用电磁探伤仪或超声波探伤仪对车轮、车轴进行全面检查。电磁探伤主要用于车轮、轴颈、轴身、防尘板座处的检查；超声波探伤主要用于已组装好车轮的车轴镶入部分裂纹、接触状态的检查。对易出现裂纹的地方应反复检查。②轮毂松缓检查：用检点锤轻击车轮听其音响，如发出哑音，检查轮毂与车轴有无松缓。若有松缓现象，应将轮心从车轴上退下进行修理。还应检查齿轮毂的紧固状态，不许有松缓，否则解体修理。轮对的探伤轮对的探伤主要是电磁探伤法和超声波探伤法。这些探伤又叫无损探伤法，是用于检查隐蔽缺陷的。隐蔽缺陷是指零件内部的空洞、夹渣、微观裂纹等不易发现的损伤，这些隐蔽缺陷像定时炸弹一样埋伏在工件内部，在运用工作中随时会导致故障的产生。电磁探伤法是利用缺陷所引起的材料中磁导率的改变来发现缺陷的，它能比较灵敏的检测出铁磁性材料及其合金的表面裂纹，对表面下2～5mm的缺陷在一定程度上也能查出。检验时可对轮对需要检测的部分进行磁场磁化的同时喷洒磁粉，磁化结束后，工作人员对检测部位进行观察，确认缺陷部位及范围，可用标记笔标记，要确认缺陷的性质、位置和尺寸。检查结束后要进行退磁处理，直流电磁化的部分仍要用直流电退磁。超声波探伤是利用超声波通过不同介质的接面，产生折射和反射现象来发现零件内部缺陷的，它不仅可以检测金属及非金属材料缺陷，还可以测定材料厚度。它可运用于已组装好车轮的车轴镶入部分裂纹、接触状态的检查。轮对故障测量标准轮对的测量项目主要有：测量车轮踏面磨损、擦伤、剥离、凹陷程度；测量轮缘厚度；测量轮对内侧距离；检查轮缘垂直方向磨耗程度等。故障需旋修：轮缘厚小于22mm；轮缘高大于32mm或同轴轮缘高度差大于2mm；Qr小于6.5mm；踏面擦伤局部凹下大于1mm；剥离长度大于20mm或两处且任一处大于10mm；车轮踏面擦伤长度大于40mm或两处且任一处大于20mm；同一轮对两车轮径差大于2mm；同一转向架任意两车轮之间轮径差大于4mm；同一节车任意两车轮轮径差大于7mm；轮辋宽大于140mm。轮对修复车辆轮对的修复可分为两类：不换件修理和换件修理。在完成上一个故障测量项目后，就可根据测量情况进行判断，决定是否需要进行修理。轮对修复包括车轴的修复、旋修车轮踏面、轮心的焊修。轮对的组装轮对组装包括压装和热装两种方法。压装：轮对的压装是指将车轴在室温下用液压机压入轮心的装配方法。利用液压机进行压卸作业时，要遵守液压机操作规程。轮对压装过程，可通过压装机指出的压装指示曲线来判断压装质量，压力曲线所指示的压力应均匀上升。热装：热装法可以提高组装质量。热装时将轮心放入油浴炉中加热至180～200摄氏度，保温30分钟，然后从炉中取出，在工作台上与车轴套装，套装位置用样板检查。热装后，需进行反压试验。按规定试验压力反压3次，每次保压10s，不得发生松动。

城轨车辆走行部车载故障诊断系统它的监测的对象是全列车辆的走行部，这对诊断的快速性和实时性提出了更高的要求，为此实施了分布式诊断和集中式数据管理相结合的工作模式，每辆车配置1台车辆分机，见图5-1，安装在车辆电器柜中，负责对本车传感器网络上管理的所有监测对象传输来的信号进行处理、变换和采集，内置的在线故障诊断专家系统软件针对收集的所有数据进行实时诊断，并将实时给出的诊断结论通过数据通信总线传输到列车主机，见图5-2。安装在车下的（冲击、振动、温度）复合传感器、转速传感器和前置处理器见图5-3。维护器见图5-4。图5-1城轨车辆走行部车载故障诊断系统的车辆分机图5-2城轨车辆走行部车载故障诊断系统的列车主机图5-3城轨车辆走行部车载故障诊断系统的列车主机、车辆分机、前置处理器、传感器图5.4维护器负责管理全列车所有车辆分机的为列车主机，它的作用是将收集的所有分机的诊断结论和有价值的原始样本数据进行对比分析、归类存储，并将严重报警信息提供给司乘人员。列车主机设数据下载接口，通过该接口实现与配套的“城轨车辆走行部信息地面分析管理软件”的数据传输。轴转速信号公用，通过列车网络实现全列车共享。转速信号是广义共振和共振解调的机械设备故障诊断技术的一个关键条件，不论从工程上或是成本上，每辆车或每条轴单独设置转速传感器基本不可行。为此车载系统设置公用的轴转速传感器，转速信号通过列车网络全列车共享。通过车载在线监测及故障诊断专家诊断系统、地面辅助监测及故障诊断专家诊断系统与地面数据管理、诊断专家诊断系统的有机结合，实现铁路机车、城轨交通车辆走行部关键部件（轴承、齿轮、轮对；构架、轴系及轨道）的安全保证及使用寿命研究，为科学延寿及优化设计、维修提供决策参考。见图5.5。图5.5网络式专家诊断系统随着“云”端网络及信息技术的发展，专家诊断系统引入“云”诊断概念。通过“云平台”的搭建，实现覆盖全国范围内的“云”诊断与“云”服务等远程支持，见图5.6。图5.6远程支持“云”诊断与“云”服务城轨车辆线路一般都处于城市的中心地带，而越靠近城市中心地带，客流越密集，运行间隔越短，安全性要求越高，并且不具备侧线停车的救援条件，特别是城轨车辆运营一般采取网络化运营的管理方式，一旦有车辆发生故障阻塞线路，将造成相关运营网络或整个运营网络瘫痪，所有这些都对故障诊断报警部位的准确性和故障程度分级报警的精确性，提出了更高的要求。研究适合于城轨车辆运营的故障报警信息输出模式和对城轨车辆运用的指导意见，故障诊断系统输出的结论信息准确表达为“正常”、“预警”、“关注”、“严重”四种级别，只将“严重”报警情况提示给司机和相关调度部门，并指导司机和相关调度部门在保证安全的前提下，做好乘客疏散，使车辆离开运营线路，以避免造成交通事故。而将“严重”以下级别的预警信息通报给调度、维修部门，以便在车辆正常入库时进行针对性、预防性的检查、维修，确保车辆不带重大隐患上线运行。

结论本论文主要针对城轨车辆轮对的常见故障分析及处理进行论述。轮对在转向架中是一个重要部件，同时也是轨道交通车辆走行部故障多发的部件。文章介绍了轮对的总体设计，