一种识别视在热分格冲击的车轮故障诊断与故障防范方法技术

一种识别视在热分格冲击的车轮故障诊断与故障防范方法，在车轮运行中实施对热分格及视在热分格冲击监测、报警、提请适时维修，及时防止热分格分化为视在热分格裂纹向轮芯深入或继续扩展为多边形失圆，不仅防止了车轮因此导致的事故，也通过及时消除损伤、防止快速扩展而延长车轮的使用寿命，防止了车轮视在热分格及其扩展的多边形失圆冲击对相邻部件的危害；在当前还未能实现车轮制造工艺优化以消除或减少热分格冲击内因的现实下，还通过实施监测诊断，发现簧下非线性广义共振，提出改变行车车速的行车控制建议，回避热分格冲击引起的簧下非线性广义共振，回避热分格分化为固化视在热分格的条件，而延迟了出现固化视在热分格及多边形失圆的时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于轨道交通车辆车轮安全监测、保护与可靠性设计
，具体涉及一种识别视在热分格冲击的车轮故障诊断与故障防范方法。
技术介绍
轨道交通的钢制车轮，分为铸钢车轮和碾钢车轮。铸钢车轮是用冶炼得到的钢水直接在铸模内铸造成型而得到的，碾钢车轮则是将铸造得到的轮胚在模具中经过碾压成型而得到的。这两类车轮的基本材料都是钢水冷却形成的铸件。由于从钢水冷凝为铸件的过程中，将发生结晶—同类物质凝结为晶体，而将杂质挤向晶体之间的晶格，以致铸件是由大量的晶体集合组成的；而简单的碾压成型工艺并没有明显改变碾钢车轮中的晶体和晶格分布及形貌。随着轨道交通的快速发展，车轮出现了供不应求的状态。于是，提高生产出品率成为车轮制造厂的首要努力方向。例如，文献《火车车轮成形新工艺的开发研究》(塑性工程学报)说：现俄国近年新建车轮成形生产线的工艺流程为，钢坯先在三台水压机上，经镦粗、环内镦粗、压痕和模锻四个工步锻压成锻件，再在轧机上扩径，最后在一台水压机上冲孔、压弯和校正。生产率最高时达每小时120个。日、德、英、美等国家所采用的车轮成形工艺流程为，钢锭制成的坯料先在同一台水压机上经预锻和模锻两个工步锻压成锻件，经轧制扩径，后在另一台水压机上冲孔和压弯。生产率每小时80个。我国现行火车车轮的生产线是60年代引进前苏联技术建造的。钢锭折断下料的钢坯，经加热后先在一台30MN的水压机上用自由镦粗、环内镦粗和压痕三个工步制坯，再在80MN水压机上模锻成形，然后在轧机上轧制扩径，并在另一台30MN水压机上冲孔和压弯，生产率每小时80个。由此带来的问题是，车轮铸胚的组织出现晶粒粗大、酥松、偏析、裂纹。以致不得不提出新的技术来解决此类问题。例如文献《马钢第一钢轧总厂车轮钢冶炼工艺过程简介》中指出：M-EMS对铸胚组织的控制技术，合理科学的二次冷却方式和冷却制度优化，有效地改善了铸胚的酥松、偏析、裂纹、精粒度细化等问题，有效地提高了等轴晶比率，最高可达72％。而文献《优化工艺参数提高冷吨钢08A等轴晶率》的研究结论指出的提高一次冷却等轴晶率的措施之一则是减少水量，这意味着减小冷却速度。该文的摘要介绍说：“以马钢2#连铸机生产的冷镦钢为研究对象，通过工业实验，分析低倍组织，得到提高等轴晶比率的工艺优化参数。实验结果表明，一次冷却水流量减小了25％，等轴晶率提高了14％；二冷强度减小了18％，等轴晶率提高了22％；增加电磁搅拌强度，减小搅拌频率，提高了等轴晶率，电流为500A，频率为3Hz时等轴晶率达到21％；钢中Als从0.03％增加到0.06％，等轴晶率从0增加为18％”。无疑，上述的质量保障措施，与提高生产效率是相互矛盾的。当代最新技术的解决措施是，生产晶粒结构高度细化的超级钢，或者单晶钢。微晶钢(超级钢)的开发应用已经成为国际上钢铁领域令人瞩目的研究热点。微晶钢具有其它任何钢材都不具有的优异性能—超强的坚韧性，故被视为钢铁领域的一次重大革命。中国是目前世界上唯一实现超级钢的工业化生产的国家，其它国家的超级钢尚未走出实验室。超级钢是通过各种工艺方法将普通的碳素结构钢的铁素体晶粒细化，进而使其强度有大幅度提高的钢材。超级钢是20世纪90年代末为更好地利用钢铁材料在使用性能上的优势，并进一步改进传统钢铁材料的一些不足，减少材料消耗，降低能耗而研制的新材料，其主要目的在于解决传统钢铁材料在强度、寿命上的不足。同传统钢铁材料相比，超级钢具有高性能、低成本的特点。上述信息间接透露了当前车轮不免存在着晶粒粗大、酥松、偏析、裂纹等内因。目前的最理想状态，也还存在着非等轴晶的粗大晶粒与相对细小的等轴晶混合结构。这就不可避免地导致车轮的力学结构在晶粒与晶格之间的差异；而车轮的特殊工作方式是以轮轨接触点承受载荷，轮和轨几乎是点接触和线接触，这将导致车轮承受接触应力的那些晶体或晶格应力集中，加速因强度和韧性与晶粒不同的晶格破损而出现“热分格裂纹”，而内因则是铸造(热加工)时便存在的晶粒之间的晶格，即“热分格”。上述名词是由本专利技术人沿用地质学名词定义的。上述这种在铸件中存在的“热分格”现象，在地球火山爆发流出的玄武岩浆冷却(形同“铸造”)后形成的玄武岩中普遍存在。但玄武岩的热分格裂纹内因虽然在火山爆发后的冷凝过程中已经形成，却不曾立即显现。因为它们不曾受到“应力集中”作用，而是在经过千百年乃至上万年的外因(冷热交变作用的膨胀应力、地壳运动的交变或冲击应力、外部化学腐蚀等)作用下才逐步显现的。以致全球可见的、被谓之“巨人之路”的地理现象所体现的是整个山峰、整个海岛均分化为垂直于地面的柱状晶体。地球物理学家将此现象的内因归纳为“热分格效应”，将其晶体之间的裂纹称为“热分格裂纹”。在车轮的不同直径、沿轴向的不同截面都存在着热分格。首先破坏的是直接受到轮轨交变作用力的车轮踏面(即车轮外圆面)。踏面的某一个(不同轴向位置截面的)圆周，存在着的、几乎均布的热分格数为F，每个热分格在滚过轨道时，因为晶粒与晶格的硬度、强度、柔韧性不同，于是在晶粒与晶格交替通过轨道时，便引起冲击。安装在车轮轴承座上的传感器，能检测到经过车轮、轴承传递来的上述冲击或振动。轨道交通车轮的轴承座与车厢的转向架之间，为了减振，设计有介于二者之间的弹簧和与之并列的阻尼器。设车轮、车轴、轴承及轴承座组成“车轮组件”质量为m，弹簧的刚度为K，与之并列的阻尼器的阻尼为η。则车轮受到其与轨道的冲击(反作用)而弹跳到微微离开轨道时，上述m、L、η便组成一个“簧下广义共振(谐振)系统”，其共振频率FG为：FG＝(K/m)0.5×(1-η2)/(2π)[Hz]该广义共振的表现是：车轮微微跳起，经过TG/2＝1/(2*FG)的时间后(TG为簧下共振周期)，再次跌落到轨道上，所发生的冲击力，是该车轮的自重力加所承受的车重力再加上(车轮上跳时被压缩的)弹簧的弹射力，该合力大于车轮的自重力加所承受的车重力。在TG/2的上跳期间，车轮(因为上跳)与轨道没有相互作用力，而这段时间，车轮已经转过X个热分格，它们均未受到破坏作用力；但在TG/2时间之后的第X+1个晶粒或晶格则受到加力冲击的破坏，于是在车轮的圆周的F个热分格中，出现每隔X个热分格就有一个被加力破坏而扩展为“视在热分格”，直接效果是导致“热分格裂纹”，形同车轮表面(踏面)经常可见到的“热裂纹”；X定义为“视在热分格”相对于车轮的热分格数F的“分布系数”，而车轮圆周出现的“视在热分格”数RJ，则为RJ＝F/X。在本专利技术人提出车轮热分格裂纹理论之前，没有发现文献报道过类似的理论，也没有关于检测热分格裂纹和其冲击、检测视在热分格裂纹和冲击、检测热分格故障扩展的故障形式等报道。仅在本专利技术人的论文《轨道交通车辆走行部故障机理诊断技术》(“电力机车与城轨车辆”，2015年)及相似文献中提到了热分格裂纹的机理，以及此前提出的“视在热分格谱”：X＝CINT(F*FN/2/FG)+1。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种对车轮运行冲击进行监测、报警和行车控制的识别视在热分格冲击的车轮故障诊断与故障防范方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种识别视在热分格冲击的车轮故障诊断与故障防范方法，按如下步骤进行：步骤1、计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种识别视在热分格冲击的车轮故障诊断方法，其特征在于，按如下步骤进行：步骤1、计算视在热分格的分布系数X：X＝GINT[(TG/2)/TF]+1   (1)，式中，GINT定义为向零方向取整函数：若变量I大于某最大整数，则GINT(I)为所述最大整数，否则GINT(I)为所述最大整数减1；TG为簧下共振周期，TG＝1/FG，FG为簧下共振频率；TF为热分格周期；步骤2、计算车轮某截面出现的视在热分格数RJ：RJ＝F/X   (2)，式中，F表示车轮圆周某截面因铸造结晶使其具有的基本均布的热分格数；判定视在热分格固化为车轮损伤或还扩展为多边形失圆的准则是：当所述视在热分格数RJ为整数并不随转速频率即车轮转频FN变化时，则诊断判定为：视在热分格已经造成车轮所述截面的损伤固化或还扩展为多边形失圆；步骤3、计算由RJ个视在热分格所引发的轮轨冲击级差，即RJ个视在热分格固化损伤或扩展为多边形失圆所引发的轮轨冲击级差，其计算公式为：C＝A+20log(RJ/3)   (3)，式中，A为RJ个视在热分格冲击的测量级差，步骤4、判断轮轨冲击级差C是否达到报警：当由RJ个视在热分格所引发的轮轨冲击级差C达到车轮踏面的、根据车轮转频FN的幅度建立的限制标准时，则发出相应的报警；所述限制标准的规定为：预警限制值54dB，一级报警限制值60dB，二级报警限制值66dB，即：C<54dB，输出“安全”；60dB>C>＝54dB，输出“多边预警”；66dB>C>＝60dB，输出“多边一级”；60dB<C<＝66dB，输出“多边二级”。...

【技术特征摘要】
1.一种识别视在热分格冲击的车轮故障诊断方法，其特征在于，按如下步骤进行：步骤1、计算视在热分格的分布系数X：X＝GINT[(TG/2)/TF]+1(1)，式中，GINT定义为向零方向取整函数：若变量I大于某最大整数，则GINT(I)为所述最大整数，否则GINT(I)为所述最大整数减1；TG为簧下共振周期，TG＝1/FG，FG为簧下共振频率；TF为热分格周期；步骤2、计算车轮某截面出现的视在热分格数RJ：RJ＝F/X(2)，式中，F表示车轮圆周某截面因铸造结晶使其具有的基本均布的热分格数；判定视在热分格固化为车轮损伤或还扩展为多边形失圆的准则是：当所述视在热分格数RJ为整数并不随转速频率即车轮转频FN变化时，则诊断判定为：视在热分格已经造成车轮所述截面的损伤固化或还扩展为多边形失圆；步骤3、计算由RJ个视在热分格所引发的轮轨冲击级差，即RJ个视在热分格固化损伤或扩展为多边形失圆所引发的轮轨冲击级差，其计算公式为：C＝A+20log(RJ/3)(3)，式中，A为RJ个视在热分格冲击的测量级差，步骤4、判断轮轨冲击级差C是否达到报警：当由RJ个视在热分格所引发的轮轨冲击级差C达到车轮踏面的、根据车轮转频FN的幅度建立的限制标准时，则发出相应的报警；所述限制标准的规定为：预警限制值54dB，一级报警限制值60dB，二级报警限制值66dB，即：C<54dB，输出“安全”；60dB>C>＝54dB，输出“多边预警”；66dB>C>＝60dB，输出“多边一级”；60dB<C<＝66dB，输出“多边二级”。2.根据权利要求1所述的识别视在热分格冲击的车轮故障诊断方法，其特征在于，所述簧下共振频率FG的近似公式为：FG＝RJ*FN/2(4)。3.根据权利要求1或2所述的识别视在热分格冲击的车轮故障诊断方法，其特征在于，根据视在热分格的分布系数X的...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐德尧，李修文，
申请(专利权)人：北京唐智科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11