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与流程

本发明属于轨道交通车辆车轮安全监测、保护与可靠性设计技术领域，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。

背景技术：

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”。上述名词是由本发明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。

在本发明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。仅在本发明人的论文《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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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；gint[i]不同于cint[i](四舍五入函数)和int[i](取整函数)，例如，当i＝20时，gint[i]＝19，而cint[i]＝int[i]＝20；当i＝20.4时，gint[i]＝cint[i]＝int[i]＝20；但当i＝20.5时，gint[i]＝int[i]＝20，而cint[i]＝21。

tg为簧下共振周期，计算方法为：轮轴承与转向架之间的一系弹簧刚度为k，车轮组件的质量m，减震阻尼器的阻尼为η，则构成簧下共振的簧下共振频率为fg＝(k/m)^0.5×(1-η²)/(2π)[hz]，簧下共振周期tg＝1/fg。

tf为热分格周期，计算方法为：当轨道交通车轮圆周某截面因铸造结晶使其具有的热分格(晶格)数为f，车轮的转速为n[r/min]，则车轮的转速频率fn＝n/60[hz]，车轮转动周期为tn＝1/fn[s]，热分格频率ff＝f*fn[hz]，热分格周期为tf＝1/ff[s]。

车轮铸造热加工时存在于晶粒之间的晶格为热分格。

车轮微微跳起，经过tg/2＝1/(2*fg)的时间后，再次跌落到轨道上；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，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破坏，于是在车轮的圆周某截面的f个热分格中，出现每隔x个热分格就有一个被破坏，被破坏的热分格称为“视在热分格”。

步骤2、计算车轮某截面出现的视在热分格数rj：

rj＝f/x(2)。

判定视在热分格固化为车轮损伤或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扩展为多边形失圆。

这是因为，在长期以某个车速n运行的过程中，由于视在热分格数rj为整数，并且其冲击频率frj＝rj*fn正好等于2fg，而形成簧下非线性视在热分格冲击共振，使车轮踏面的该视在热分格冲击，不仅出现前一个视在热分格冲击弹跳回落正好落在下一个视在热分格而加速下一个的破坏，而且被冲击弹跳所破坏的始终是所存在的rj个视在热分格，使它们加速破坏、裂损而形成固化的远远大于其它未被冲击的热分格的损伤，以致在其他不符合“簧下非线性视在热分格冲击共振”条件的转速下，这些固化的视在热分格损伤，也引起车轮每转一周产生rj次强冲击。

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”；66db＝<c，输出“多边二级”。

进一步，所述簧下共振频率fg的近似公式为：由于步骤1中簧下共振周期tg的计算需要相关的机械系统结构参数，有时机车数据库较难提供完整的所需参数，则可根据测得的车轮转速频率fn和视在热分格数rj，计算一系簧下共振频率fg的公式为：

fg＝rj*fn/2(4)；

视在热分格数rj的测量方法为识别相应的冲击信号频谱中突出的满足踏面整数阶的高阶阶数(例如rj＝18)。

进一步，所述分布系数x和热分格数f可按下述方法进行推测：

通过以上步骤即可完成车轮故障诊断，发出相应报警。

车轮故障防范方法，包含：

1、当如前所述的轮轨冲击级差c达到多边预警的标准时，防止车轮视在热分格固化或扩展为多边形失圆的方法是，调整行车车速。

在监测到出现视在热分格冲击频率frj为簧下共振频率fg之2倍时，则改变转速频率fn；或当frj为车轮转速频率fn的整倍数时，则改变转速频率fn；方法是，增加5％～10％车速，运行一段时间t＝5～10分钟；再降低车速5％～10％，运行一段时间t＝5～10分钟；增加5％～10％车速运行5～10分钟和降低车速5％～10％运行5～10分钟交替运行。

2、当如前所述的轮轨冲击级差c达到多边一级或多边二级的报警标准时，及时镟轮维修，镟轮维修是指：去掉已经出现视在热分格固化、裂纹或扩展为多边形失圆的表层，防止该损伤加速向车轮深层扩展引发事故，还防止该损伤所引起的频率为frj＝rj*fn的高频冲击。

3、车轮制造时，为防止车轮踏面发生视在热分格和多边形失圆，应消除引起热分格冲击的内因。

防止车轮热分格内因引发车轮故障的根本措施，是消除内因根据。为消除内因，车轮使用细化铸造结晶晶体的微晶超级钢铸造技术或单晶铸造技术进行制造。

因为单晶铸造技术制造的车轮是一个结构及其均匀的整体，所有外来作用力均以引起连续应变而没有突变的方式向周围传递，不产生热分格引起的突变冲击，也不存在因局部结构特性突变引起的应力集中而导致的裂纹；而超级钢的特征是使结构的晶粒充分细化，充分减小晶粒之间的晶格的宽度，消除或降低晶格单独承受的应力而减小裂损的几率，达到形同整体的单晶结构的效果。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

使用本发明，实施对车轮运行冲击监测、报警和行车控制，不仅对踏面偶发损伤的频率等于转速频率fn及其低阶的冲击幅度进行限制报警，而且对远高于fn的、frj＝rj*fn的视在热分格冲击按照本发明的方法实施诊断报警、适时维修，及时防止了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了车轮的使用寿命，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；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。

附图说明

附图1-1为某车经常运行于转速n≈300r/min状态的数据图；

附图1-2为簧下谐振频率分析数据图；

附图2-1为在转速197r/min时监测发现踏面54db及rj＝18阶谱而发出多边预警；

附图2-2为在转速156r/min时监测发现踏面59db及rj＝18阶谱而发出多边形预警图；

附图3为未彻底镟轮后在转速321r/min时仍发现踏面61db及rj＝18阶谱而发出内部多边报警图；

附图4-1为镟轮前后静态检测的报告；

附图4-2为镟轮过程中看到的踏面多边形失圆的形貌示意图；

附图5为根据rj＝18阶谱的幅度实施报警决策的分析图；

附图6-1为运行早期出现热分格冲击的1659号高频谱和视在热分格的184号谱的样本图；

附图6-2为出现疑似视在热分格谱(183.97/10.24＝17.97≈18)的测量图；

附图6-3为出现疑似热分格谱(1659/10.24＝162.01≈162)的测量图。

具体实施方式

实施例之一，根据诊断理论和监测数据提出行车控制建议

已知机车车辆的一系簧上谐振频率通常为fg0＝20～24≈22hz。

则因某机车的簧上质量m＝25t，约为簧下质量m＝5.7t的m/m＝4.39倍，由于簧上和簧下质量公用弹簧(刚度为k)和阻尼器(阻尼为η)联系，所以，

当车轮不离轨道时，m和k、η所构成的簧上谐振系统的谐振频率为fg0＝(k/m)^0.5/(2π)，

当车轮跳离轨道时，m和k、η所构成的簧下谐振系统的谐振频率为fg＝(k/m)^0.5/(2π)；

因此，簧下fg>簧上fg0，推算的簧下广义共振频率为fg1＝(m/m)^0.5fg0＝4.39^0.5×22＝46hz。

某车经常运行于转速n＝300r/min状态下，如附图1-1。在转速为n＝302r/min时，转频fn＝302/60＝5.0333hz；出现了如附图1-2的rj＝18的冲击谱，实测其频率为fg2＝90.6hz。

按照公式(4)fg＝rj*fn/2，近似的簧下共振频率fg＝18*5.0333/2＝45.3hz。与上述推算的簧下广义共振频率为fg1＝46hz十分接近。可见：该运行转速n≈300r/min时，frj＝90.6hz为簧下广义共振频率fg≈fg1＝46hz之2倍，即出现了视在热分格与簧下非线性广义共振；而且，由于实测的frj＝90.6hz与转速频率fn＝5.0333hz之比，为整数rj＝frj/fn＝18。根据前述“在监测到出现视在热分格冲击频率frj为簧下共振频率fg之2倍时，则改变转速频率fn；或当frj为车轮转速频率fn的整倍数，则改变转速频率fn”，则提出行车控制建议为：改变车速；方法是增加5％～10％车速，运行一段时间t＝10～5分钟；在降低车速5％～10％，运行一段时间t＝10～5分钟，如此交替运行。例如用转速n＝320r/min运行10分钟，再改变车速为280r/min运行10分钟，如此交替运行，以避开n≈300r/min的状态。

实施例之二，对于固化视在热分格冲击或扩展为多边形失圆冲击实施报警

由于实施例之一所述的机车在监测之前长期运行于n≈300r/min的状态下，其rj＝18的视在热分格可能固化为损伤，还可能扩展为18边形失圆。根据前述“判定视在热分格固化为车轮损伤或多边形失圆的准则是：当rj为整数并不随转速频率fn变化时，则诊断判定为：视在热分格已经造成车轮该截面的损伤固化或扩展为多边形失圆”，设计自动化软件。在附图2-1所示转速为n＝197r/min时，发现了rj＝18的视在热分格冲击谱；在转速n＝156r/min，也发现了rj＝18的视在热分格冲击谱；结合前已发现的n≈300r/min时出现的rj＝18视在热分格冲击谱，自动诊断确认该视在热分格已经固化并因存在强烈的达到预警限制值(54、59db)，必然已经扩展为多边形失圆，而在自动诊断软件中发出“多边预警”(如附图2-1、附图2-2)。

根据自动诊断的报警实施镟轮维修。镟轮前在机务段停车静态检测的数据是：“2轴车轮表现为明显的18边形，左轮和右轮径跳值分别为0.178mm和0.147mm，波动幅值分别为0.178mm和0.135mm”。

但在镟轮后行车的车载监测仍出现了踏面的常规报警，如附图3所示的“内部多边”报警。

再次停车静态检测的检测报告是：“镟后检测，车轮多边形没有得到有效改善，仍为明显的18边形”。可见视在热分格所致的多边形失圆已经扩展到很深的程度，以致传统的只求踏面全部被镟到光亮的镟轮深度原则已不适用。附图4-1是在机务段静态检测的报告：图4-1(a)为采用直角坐标表示的车轮不圆周情况；图4-1(b)为采用极坐标表示的车轮不圆周情况,图中，lq表示2轴左轮镟前，lh表示2轴左轮镟后,rq表示2轴右轮镟前，rh表示2轴右轮镟后。附图4-2是镟轮过程中看到的踏面多边形失圆的形貌。

视在热分格在运行中扩展为多边形的必然性在于：视在热分格的特征是其所在踏面的半径因材料缺失而减小。它与轨道冲击方式是，材料缺失处接触轨道时，使车轮下降，当车轮滚动到越过视在热分格的瞬间，由于该处的车轮半径恢复，车轮必须上升，而与轨道发生强冲击，使该处的材料逐渐破损失落，于是视在热分格向着车轮旋转前方扩展；如此周而复始地扩展，使得初始的很窄的视在热分格逐步变宽而发展为失圆；由于rj个视在热分格均是如此，以致rj个视在热分格扩展为rj边形失圆。

实施例三：根据公式(3)c＝a+20log(rj/3)修正报警级差

实施例二所列的是在按照踏面1～3阶决策的级差达到了预警，然后进行视在热分格固化或扩展为多变形的确认，补充为“多边预警”的推演。实质是利用视在热分格冲击的调制谱发出“预警”级的报警。若视在热分格冲击发展到等幅而没有调制，则失去调制谱而漏诊；即使视在热分格冲击存在调制，但调制谱幅度低，如附图2-1、附图2-2，则报警级别偏低(预警)而不能指导及时维修。为了防止视在热分格冲击的漏诊，需要用视在热分格冲击的幅度，根据公式(3)c＝a+20log(rj/3)进行级差计算决策。

兹以附图5为例说明。图中，用踏面1～3阶谱决策的级差为59db(如附图2-2)，只能发出预警；而根据rj＝18阶谱的测量级差a＝56db，根据公式c＝a+20log(rj/3)，计算c＝56+20log(18/3)＝71.6db，达到二级报警，以致诊断软件在“诊断结论”栏标示出“72db”、“多边二级”。

实施例四：根据公式fg＝rj*fn/2、1>[rj*fn/(2*fg)]>1-1/x、f＝rj*x测定簧下广义共振频率fg、视在热分格分布系数x。

机车数据库不提供簧上共振频率，更无簧下广义共振频率的概念。

附图6-1至6-3是上述某车早期的检测信号图，那时，热分格分化为视在热分格尚不明显。但该图的测试信息表明运行早期出现热分格冲击的1659号高频谱，和视在热分格的184号谱。

附图6-1表明，踏面的rj＝18阶谱线的频率为frj＝87.13hz，根据公式fg＝rj*fn/2，计算该车的簧下广义共振频率fg＝rj*fn/2＝frj/2＝87.13/2＝43.565hz。

附图6-2表明，出现热分格冲击的1659号高频谱。这可能是车轮踏面存在的热分格冲击谱pf。因为它是踏面谱pn＝10.24的f倍：f＝ff/fn＝pf/pn＝1659/10.24＝162.01≈162。从而初步确认该车轮的踏面存在f＝162个热分格。162个热分格不均布分布，是因为如附图6-1和附图6-3所示，该谱线并非孤立存在，而是还有与之相距pn＝10.24的边频谱和相距更小的随机边频谱。

上面测得：fn＝291[r/min]/60＝4.85[hz]，fg＝43.565hz，rj＝17.97≈18，由于测量得到的上述参数存在较大的误差，根据公式1>[rj*fn/(2*fg)]>1-1/x(不等式)计算得视在热分格分布系数x很难准确，则可据公式rj＝f/x，计算x为x＝f/rj＝162/18＝9。该值x为整数，符合定义规则。