城軌列車空轉滑行現象的機械影響因素探究

熊經博

摘 要：論文從調整機械機構方面入手，減少列車在正線運行中發生空轉/滑行故障。首先對相應車輛發生空轉/滑行故障現象的時間、區段進行統計、對比、分析；然后再對發生空轉/滑行故障現象的相應車輛進行機械結構檢查、優化、更換、對比、分析；

關鍵詞：空轉/滑行 調整機械機構

1、地鐵列車空轉/滑行的形成與危害

本章簡要說明地鐵列車在牽引與制動工況下的輪軌狀態，重點介紹空轉/滑行的形成與危害。

1.1 地鐵列車輪軌間狀態概述

地鐵列車在牽引或制動時輪軌間的狀態可以細分為三種：第一種為理想狀態下的滾動；第二種為我們應避免但是存在的“空轉/滑行”；第三種為實際一直存在的粘著狀態。

1）理想滾動狀態是一種難以實現的理想狀態。倘若能達到這種狀態，則可能實現的牽引力最大值約為輪軌間的最大靜摩擦力。

2）輪對產生的輪周牽引力或制動力大于輪軌間的粘著力時車輪就會發生空轉或者是滑行。

3）在運行過程中，由于牽引力和慣性力不是作用在同一水平面內，造成機車前后車輪作用于鋼軌的垂直載荷不均勻分配。所以，輪軌間的縱向水平作用力的最大值實際上與運動狀態有關，而且比物理上的“最大靜摩擦力”要小的多。因此，在鐵路牽引和制動理論中，在分析輪軌間縱向力問題時，不用“靜摩擦”這個詞，而以“粘著”來代替它。相應的，在粘著狀態下輪軌間縱向水平力作用力的最大值就稱為粘著力，而把粘著力與輪軌間垂直載荷之比稱為粘著系數。

對于以上列車在牽引與制動工況下的輪軌狀態，我們主要研究分析運行過程中可避免或減少的狀態——空轉/滑行

1.2 地鐵列車空轉/滑行的概念和形成

輪對產生的輪周牽引力或制動力大于輪軌間的粘著力時車輪就會發生空轉或者是滑行。這是一個復雜的問題，在地鐵列車中的控制判斷邏輯為：在牽引過程中，單個軸速超過列車的參考速度一定值，列車判斷為空轉；在制動過程中，單個軸速低于列車的參考速度一定值，列車判斷為滑行。

1.2.1空轉的概述

關于空轉，只是在列車牽引工況下才發生。當列車加速或拐彎或其他情況下某個輪對或軸端速度大于列車速度時，輪對或軸與軌道的粘著力將產生變化，造成輪對旋轉圓周長大于前進距離，稱之為空轉。

1.2.2滑行的概述

關于滑行，只是在列車制動工況下才發生。當列車制動時，由于軌道狀況或輪徑值不等、失圓或其他情況下某個輪對或軸端速度小于列車速度時，輪對跟軌道粘著力將產生變化，造成輪對相對軌道不止滾動，還沿著軌道滑動，稱之為滑行。

其中，軸端速度由安裝在軸端上的速度傳感器獲得，而列車速度由另外專門測定車輛行進速度的速度傳感器測得信息經過VTCU計算得出。若兩者速度差超過設置的數值時，VTCU就會報告空轉或滑行故障，并且啟動空轉或防滑保護。

1.3 空轉/滑行的危害

空轉滑行發生時可能會導致輪軌擦傷，嚴重的擦傷往往是鋼軌疲勞失效的重要根源之一。車輪擦傷后不僅使列車運行時車輛或軌道產生強烈的振動，而且會導致輪對軸承、車軸和軌道的損傷，增加輪軌的維修工作。同時，嚴重的空轉或滑行情況將影響機車正常運行。而在啟動防滑保護時，則同時會影響列車的正常牽引及制動的能力。

2、機械結構因素對空轉/滑行的影響研究

2.1 導致列車空轉滑行的機械結構因素

2.1.1 車輪半徑大小差異因素

車輪半徑大小有差異，造成車輪和軌道間粘著力有差別，處于牽引或制動工況下（列車VTCU根據各軸的速度值，而給出相應牽引力和制動力），因此容易發生空轉/滑行.

2.1.2 車輪失圓因素

車輪失圓會導致該輪在運行中處于不正常的抖動狀態，特別在高速運轉到失圓區域時，由于強烈振動將破壞正常輪軌粘著條件，一旦在高速過彎道時，車輪工作條件更為惡劣，而此時列車一旦給出牽引力，則非常容易觸發車輪空轉。

2.1.3 列車本身狀況不良因素

列車狀況不良的現象較多，如軸重不均，牽引電動機電流分布不均。車輛軸端速度傳感器用的時間長，工作不穩定。列車軸重偏差過大，在運行過程中施加相同的制動力時，軸重輕的輪對因粘著力較小，易導致該位置輪對滑行。

2.2 輪對半徑大小差異及失圓問題對空轉/滑行的影響研究

針對輪對半徑大小有差異及失圓的問題進行了鏇輪處理，結果如下表：

也就是說鏇輪后的列車在一定的程度上減少了空轉滑行故障，但是在部分列車上效果并不太明顯。但是我們在日常檢修時對存在輪徑值超差的現象則要積極安排鏇輪，在最大的程度上減少由于輪徑值超差而引起的空轉滑行。

2.3 針對軸重偏移、重力分配不均問題對空轉/滑行的影響研究

深圳地鐵車輛部曾經對101、102、104、106、117車的軸重進行了調整。并且近期對列車軸重進行檢查時發現列車普遍存在有一系簧蠕變的現象發生，導致列車軸重偏差。

例：針對一系簧蠕變的現象在完整架修中對相應轉向架的一系簧進行了更換，截至2011年12月31日，已完成完整架修的車輛依次是116、115、108、107、111、113、109、117、110等9列車，后續架修列車均進行完成架修，前期6列車簡易架修列車也逐步進行了更換轉向架一系簧的補修工作，并對轉向架完整架修整治效果評估：

在延長線開通前（2011年6月15日）進行過完整架修（更換轉向架一系簧）的車輛有115、116、108三列車。現根據車輛VTCU記錄數據將115、116、108車完整架修前后的數據進行對比（取完整架修前后3個月的統計數據，因延長線開通后進行過完整架修的列車受運行圖調整和延長線開通的影響，不能獨立說明完整架修對一系簧的影響，不納入統計）。具體數據統計如下：

從上表可以看出，完整架修后列車空轉/滑行的發生頻率均有不同程度的降低。可見，完整架修后，車輛懸掛系統得以改善，提高了輪軌間的粘著利用，對降低列車空轉/滑行效果較為明顯。

經數據統計分析，軸重偏差的列車和空轉滑行嚴重的列車暫未發現很明顯的對應關系，軸重調整后的列車空轉/滑行發生次數前后有一定的效果但并不明顯。針對軸重問題還有待進一步進行收集數據進行分析。

2.4 總結

空轉滑行的產生原因很多，成因復雜，在對其進行分析之前應該加強對列車故障診斷數據的統計和分析，分系統對可能引起空轉滑行的因素以一個長周期對多次發生的故障加強分析和處理。通過對列車進行實時監控，結合故障發生時列車的狀態，一步步縮小故障原因范圍。

針對近年來空轉滑行的發生頻率較高，對機械結構可能引起該問題的隱患加強制定應對措施，對輪對失圓及輪徑超差的情況及時對踏面進行鏇修，對軸重偏差嚴重的列車安排稱重，盡量減少機械方面引起的空轉滑行。

同時在控制住機械機構方面隱患后如還出現此故障則繼續向跟車輛機械機構相接口的系統進行分析，如鋼軌的狀況、速度傳感器的精度以及空轉滑行的邏輯判斷層面。

參考文獻

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[2]王成國.大軸重貨車空氣制動系統基本問題的探討[J].中國鐵路.2011年08期.