GK1c机车轮箍弛缓的现场修复

2011-06-19中铁二十四局集团公司

上海铁道增刊 2011年2期

敬敏中铁二十四局集团公司

我国南车集团资阳机车厂制造的GK1c系列内燃机车采用柴油机液力传动，液力传动箱、二级、一级车轴齿轮箱之间依次使用万向轴将动力传递车轴齿轮箱再传给轮对（该车型四个轮对都是主动轮都用车轴齿轮箱将动力传给轮对，只是2、3车轴齿轮箱带输出轴1、4车轴齿轮箱不带输出轴)。该机车轮对使用轮箍组合式车轮（如图1），基础制动部分均为闸瓦踏面制动，制动方式采用合成闸瓦双侧制动。由于该系列机车技术成熟特别是能在六十度高温下工作，阿尔及利亚铁路更新项目部2007年11月购进两台，其中一台发生弛缓的故障。

图1 轮箍结构示意图

1 故障现象及后果

发生故障的机车在行驶过程中车轮出现均匀的"啃啃"声(有点象踏面损坏的声音，机车正常时车轮无异响)，响声有节奏并时常伴有"吱吱"的夹轨声；低速时车身有震动感车速越高响声越急。（据司机反映一月前就有这声音了，只是以前响声很小以为是过节头时被钢轨头撞伤了车轮踏面，因此未曾报修）。笔者对该车的四个轮对(从前向后数)进行检查发现左右两车轮都发生轮箍弛缓；经测量左边（从后往前看）轮箍的轴向移动量最大17 mm最小10 mm，右边移动量最大8 mm最小1 mm，而轮箍内测距（标准1 353 mm）最大1 375 mm最小1 365 mm；也就是说轮对的两轮箍是斜套在滚动圆上的，而轨距（标准1 435 mm）也变成了1 447～1 457 mm，车轮运行时轨距时大时小 (如图1b、c)。

轮箍弛缓超限后会使轮对轮缘磨损加剧、踏面失圆，严重时将挤坏叉心轨尖和使机车脱轨，所以轮箍弛缓超限后机车不允许再运行，必须进行轮箍轮芯更换或修复。

2 轮箍弛缓原因和修复分析

该系列机车车轮轮箍内径、轮芯外径为900mm。轮箍与轮芯为过盈配合，过盈量为1.30mm，安装工艺采用加热套装法。厂家在制造时对轮箍所能发生横向移动所受力的估算得知：再不受热情况下，考虑轮箍过盈量、轮箍与轮芯的摩擦系数和轮箍厚度等因素；使轮箍发生轴向移动的横向力应为800～2 000 kN以上，而机车在运行中所承受的最大横向力仅为100 kN，由此可见装配的牢固。

机车在运行中轮箍不但承受着车身的重力、牵引力、摩擦力还承受着自身的内应力、热应力和来自轨面的冲击力等复杂的交变应力。加之机车在运行中如频繁的制动、长时间非正常抱闸都可能使轮箍过度受热。由于轮箍受热膨胀时与轮芯产生温差使过盈量减小。当过盈量减小到某值时再受到一定的横向力作用，会使轮箍与轮芯产生轴向和圆周方向相对位移即发生了迟缓。轮箍圆周位移后防缓线将错位，严重时伴有轴向位移，位移量较大时轮箍外窜并斜套在轮芯上，机车运行时轮箍滚动圆（即踏面）将与轨面失去平行而失圆，车轮滚动起来时高时低就出现了啃啃声，也造成轮距增加轮辋损伤。

2.1 造成轮箍迟缓的原因

(1)闸缸间鞲鞴行程量太小或基础制动装置出现卡滞，使制动鞲鞴、制动杆和闸瓦等制动机构动作不良，导致闸瓦偏磨或制动后个别轮缓解不彻底。

(2)由于制动装置故障，使机车缓解不彻底（如阀类组装、中继阀、大小闸等）。

(3)机车运行时未松手制动或手制动没有松到位造成第四位轮箍弛缓。

(4)机车司乘人员缺乏经验和相关知识或没按规章操作（如以小闸代替大闸使机车轮箍受热过度等）。

(5)轮箍、轮芯的材质或加工不符合要求。

轮箍弛缓是轮箍在运行中过度受热后发生的。虽然轮箍装配很牢固但是由于司乘人员因操作不当、制动机构失修或运行中长时间抱闸等原因，轮箍迟缓故障时有发生。这次轮箍迟缓第1、2、5条原因可以排除，因为只有第四位轮对发生轮箍弛缓，而驻车制动就在第四位轮对上，所以其主要原因是由于司乘人员未松手制动或是没有松到位所造成的。又由于司乘人员在牵引列车时习惯用本务机制动（该机负载不重又在牵引、制动频繁的工况下运行），事故发生时又缺乏相关知识和经验导致弛缓加剧。

2.2 修复方案分析

把轮对发回厂家修复要半年以上时间，买新的轮对最快也要3个月时间到岸（轮对太重只能海运）；由于生产到了最关键最紧张的时期，如短时期该机能恢复生产那对工期影响还可以赶回来，超过1个月就必须租用当地机车，生产成本将成倍增长。经检测发生轮箍迟缓机车虽然两轮箍位移量严重超限，但轮辋未见明显拉伤并无其它异常，轮箍复位后可继续使用。因此轮箍复位有两种方案：

(1)冷压法。就是直接把轮芯压入轮箍使其复位。这种方法需要大型冲压设备（后经制作复位框架使用机车起复器油顶2×60 t就车复位未成功）；即使能复位成功也可能因过盈量、所需压力太大损伤轮箍轮芯，影响其几何尺寸和复位效果使其使用寿命缩短甚至报废。但由于该国机械加工技术落后和没有大型的冲压设备等原因（轮对拆下后送修过），我们现有的设备和条件无法实施修复。

(2)火焰加热复位法。就是将轮箍用火加热至一定温度后施加横向力使其复位。由于轮箍与轮芯同是车轧钢，他们的配合过盈量与温度之间的关系由碳钢线膨胀系数公式可知：

式中：Δt-轮箍与轮芯的温差；Δr-过盈量；r-轮芯的半径；a-线膨胀系数。取Δr＝0.675mm，r＝450mm，a＝125×10-7/K，即Δt＝120℃。当Δt＝120℃时如忽略其它因素，轮箍与轮芯的过盈量则为0；这时在轮箍外侧施加横向的撞击力完全可是轮箍复位。但由于轮箍是套在轮芯上的，轮箍被加热的同时轮芯也被加热了；要使两温差达到230～250℃，那轮箍被加热的温度将3～4倍于温差乃至更高；加热的火力越强所需的时间就短，则轮箍被加热至所需温差的温度就有所降低，反之则增加。

3 故障难点与解决方案

火焰加热复位法即使轮箍被加热时没有完全达到所需温差过盈量也会很减小，从而减小对轮辋的损伤，复位效果无疑是最好的。只要解决几处难点，就能进行现场修复；根据笔者多年工作经验认为对轮对进行现场修复的主要难点有：

(1)由于该国机械制造技术薄弱、物资匮乏，怎样能使轮箍在短时间内达到复位条件所需的温差。轮箍厚75×150 mm外加34 mm厚的轮缘，就是用4套氧气、乙炔和大号割枪同时连续加热半小时也只是使轮箍发烫无法达到目的；用喷灯加热效果要好笔者想试一下但是跑遍该国都买不到，用焊接钢轨的铝热焊汽油加热机（简称汽油加热机）完全可使轮箍短时间内达到复位条件所需温差的要求。汽油加热机的工作原理是将压缩空气和一定比例的汽油混合后，经特制喷嘴喷入铝热焊模具里燃烧对轨头进行加热（5 min可使轨头达到800℃），加热时调整汽油开关的开度可以调整火力的大小。然而离开了模具加热喷嘴喷出的混合油气很难点着火，即使着火后根本无法完全燃烧和调整火力。所以要用汽油加热机加热就必须满足在轮对上热喷嘴喷出的混合油气能完全燃烧，经分析喷嘴喷出的高速油气在铝热焊模具里能完全燃烧是因为混合气能在模具里产生涡流，使油气能更好的雾化有利于点火和燃烧完全，模具还起到保温的作用使燃烧更稳定加热更快。于是笔者用钢板试作了一个模具试验成功。正式用5 mm钢板焊制4个200×250×300 mm的模具，轮毂加热时点焊在轮箍适当位置即可。

(2)要移除第四位轮对，必须把整个机车抬离轨面1 m。机车重100 t，在没有大型的起吊设备又要保证人员、机车设备的安全的前提下，仅依靠一套机车起复器（由2只60 t的油缸、2套独立的手动油泵和油缸连接装置等组成，如图2）来完成其难度可想而知。我们在机车前端用起复器将机车起升到一定高度后，再在前转向架中间（万向轴位置）用3排新木枕橫直轨面码垛垫实后拆顶；再机车后端也用同样方法，经多次交替起升到适当高度后拆除起复器，再保险加固防止机车倾斜侧翻的方法完成机车的举升。

图2 起复器结构示意图

(3)制作用于固定轮对使其复位的框架难度（简称复位框）。因所要加在轮对上的横向力未知，复位框承受力的强度更不知道，也没有前人的经验可以借鉴。经过改进（制作就车复位时的框架积累了经验）用270 m的槽钢制作框架，在受力两端加20 mm厚的钢板作支撑面焊接而成。

(4)怎样对轮对施加横向力。由于不能做到整个轮箍同时都被加热，所以采用圆周均分4点分段同时加热；在未被加热的上下两对称点用起复器油缸施加横向力，而左右两对称点采用两台撞轨器同时施加撞击力（两静两动效果会更好些也因只有一套起复器）。为了达到同步和更好的撞击效果，在两台撞轨器头部焊接了撞击头，然后再把撞轨器连成一体。

4 故障修复

故障修复分三步进行。

4.1 轮对的拆卸

(1)用木楔在轮对前后塞牢车轮，拆除全车的基础制动装置 (便于用枕木支撑机车)，第四位轮对手制动装置。

(2)拆除机车后向排障器装配、排障器、洒沙管路等。

(3)拆除第四位轮对万向轴组成、车轴齿轮箱拉臂与车轴齿轮箱连接销、沙箱装置、轮对轴箱上下拉杆固定螺杆和液压减震器等。

(4)用难点1的方法将机车举升到能将轮对移除的高度0.8--1 m，保险牢固后拆除起复器。

(5)取出轴箱弹簧、弹簧座、调整垫片等，用两根线路用撬棍把轮对移出车外，轮对拆除完毕。

4.2 轮箍的复位

具体操作如下（所需设备的结构与布置如图1）：

(1)选择清理好场地，摆放好复位框。

(2)用机具将轮对摆放在复位框上（带车轴齿轮箱重约5 t），使轮对轴箱端盖离支撑面30 mm左右，轮对与复位框保持在同一轴线上。

(3)用铁楔将轮对塞牢并把铁楔焊接在复位框上，再将支撑轮箍边缘的上下支撑分别焊接在支撑面上。(采用两点支撑分散了支撑面的受力)。

(4)按照难点4上的布置方法将加热模具分别点焊固定在轮箍上，安放好4台汽油加热机再将加热喷嘴固定在模具上。在安放好起复器油泵和上下油缸，下油缸直接放在复位框上；上油缸后部放在支撑面所焊的角钢上，前部用焊的钢筋环吊在复位框架上。最后架好撞轨器的行走轨道，装上撞轨器调整好撞击点，让两台撞轨器头紧靠轮箍边缘焊接成一体。（注意模具靠近轮箍的两端要留有缝隙便于形成涡流，使火焰紧贴轮箍不形成死角）。

(5)加热前准备。汽油加热机连接好管路加好汽油，起复器连接好管路；准备好干粉灭火器，最备好冷却水湿毛巾（用于冷却油缸和车轴齿轮箱油封）；相关人员到位（撞轨器4人、起复器油泵4人、加热机点火调火2人、指挥兼安全1人）。

(6)加热机工作时将火力调到最佳状态。加热15 min后密切观察轮箍加热状态，起复器油缸同时预顶至一定压力后停止泵油保压；20 min后轮箍被加热表面成暗红状态轮箍开始移动并伴有响声，这时加热机继续加热，油顶边观察边顶，撞轨器开始撞击直至轮箍完全复位。（轮箍移动时要观察轮箍的复位情况两油顶用力要均匀，加热过程中用水湿毛巾冷却油顶、车轴齿轮箱油封位置防止过热损坏密封件）

(7)轮箍复位结束后关掉加热机、拆除油顶，让轮对自然冷却后拆除加热喷嘴模具等。

(8)将轮对换向重复以上操作，当两轮箍完成复位工作后拆除所有设备，清理工作场地。

(9)清除轮对上的点焊痕迹、附着物、氧化物等。观察轮对的几何形状和检测技术尺寸完全符合要求，按规定颜色对轮对进行涂装后重新标划防缓线；轮箍的复位工作结束。