南寧地鐵1號線輪軌磨耗分析與改善措施

向偉彬，譚文舉，張 煥

（1. 南寧軌道交通集團有限責任公司運營分公司，廣西南寧 530029；2. 廣西大學機械工程學院，廣西南寧 530004）

0 引言

輪軌關系是輪對與鋼軌相互作用關系的簡稱，是城市軌道交通領域比較關注的熱點問題。良好的輪軌關系不僅能保障電客車的安全運行，消除異響的發生，延長輪對、鋼軌的服務周期，還能減緩車輛運行中的振動，提高乘客的乘坐舒適性。

輪對是轉向架的重要組成部分，承載著電客車的自身重量，并與鋼軌作用后提供電客車的牽引力與制動力，同時具有導向與自動對中功能，是電客車重要的機械部件[1]。軌道是地鐵線路重要的組成部分，直接承擔著電客車的重量并引導電客車運行，由鋼軌、軌枕、道床等部件組成，是影響電客車安全運行的關鍵因素之一。輪對、鋼軌其一和其相互作用關系，都對電客車的安全運行與舒適便捷產生重要影響。因此如何減少車輪、鋼軌的非正常磨耗，增加車輛與軌道的 RAMS 性能，消除電客車正線運營時的車底異響，改善輪軌關系等，成為眾多科研院所、電客車制造廠商和城市軌道運營單位的研究重點[2]。

南寧地鐵 1 號線是南寧城軌規劃中“十”字骨架結構的“橫”，它東起南寧東站，西至石埠站，全長32.1 km，正線最小半徑是 300m，最大坡度為 30‰，正線、輔助線及試車線采用 60 kg/m 的鋼軌，車輛段和停車場內均采用 50 kg/m 的鋼軌。電客車采用的是6 節編組的“4 動 2 拖”結構的 B2 型電客車，為中車株洲電力機車有限公司制造。車輪采用的是馬鋼車輪公司生產的材料為 ER9 的雙 S 型幅板整體輾鋼車輪，其踏面形狀為 LM 型磨耗形踏面。此外，電客車的牽引系統與空氣制動系統分別為時代電氣、克諾爾公司的產品。

本文主要在國內外輪軌關系研究的基礎上，分析了南寧地鐵 1 號線輪軌磨耗關系現狀，并提出了一些改善措施。

1 國內外研究現狀

基于輪軌關系的重要程度，國內外都對輪軌磨耗進行了深入、細致的研究。Tomas Jendel[3]提出了用Hertzian 與 Kalker 理論優化 Archard 的磨損模型，再用GENSYS MBS 軟件實現了能較準確預測車輛車輪磨耗行為的模型。劉燦龍[4]對影響地鐵輪軌磨耗的因素進行了初步研究，認為建立良好的輪軌潤滑系統、優化軌道參數以及在曲線地段的非正常打磨，可以減緩輪軌磨耗。Dabin Cui 等[5]研究了轉向架關鍵參數對輪軌磨耗的影響，并驗證了優化車輪廓形能減少輪軌磨耗。Ha-Young Choi 等[6]通過優化車輪外形改善輪軌間的相互作用，并有效減小了輪緣磨耗。曹文戰等[7]研究了軌道參數對車輪磨耗的影響，認為車輪磨耗與曲線半徑有著嚴格的關系，磨耗深度隨曲線半徑的減小而增大，并且適當地減小摩擦系數可緩解輪軌磨耗。Ling Wang 等[8]提出了簡單而有效的基于 ARIMA（p，d，q）模型的地鐵車輪累積磨損預測方法，為輪軌累積磨損的長期預測提供思路。

2 南寧地鐵輪軌磨耗分析

自2016年3月28日南寧地鐵 1 號線東段開通試運行，至 2017年3月30日為止，共發生正線異響 25 起。其中，回庫后檢查輪對存在擦傷或是外形數據異常的有2 起。

針對異常的輪軌關系，南寧地鐵運營分公司與相關廠家從 2016年12月23日至 2017年3月15日，分別利用新造車輛與運營公里數高于 1 萬 km 的電客車各兩列，進行了 6車次的輪對在線檢測系統校準與輪軌磨損現狀分析，并輔助以人工測量及不落輪鏇床的測量數據對比分析，具體數據如表1所示。分析發現，南寧地鐵 1 號線車輪與鋼軌在磨合期內磨損較重，部分車輪的輪緣與踏面的磨耗深度超過 1mm，并且伴隨著輪對圓跳動較大，輪軌關系較不穩定的情況。

2017年2月14日、15日，南寧地鐵 1 號線 0130車通過不落輪鏇床檢測整車輪對參數數據可知，作為運行公里數較少的 0130 車，整車輪對的各項外形參數都較好，符合南寧地鐵 1 號線車輛運輸服務的要求。南寧地鐵 1 號線車輛輪對和轉向架技術參數為：同軸輪對上左右車輪直徑差不能超過 0.5mm；同一轉向架的2 個輪對上車輪直徑差不能超過 2mm；同一節車 4 個輪對上車輪直徑差不能超過 4mm。

2016年12月23日、25日，利用不落輪鏇床分別對 01094 車與 01102 車的輪對進行數據檢測。由表2的數據可知， 01094車與 01102 車運行公里數較多，整車輪對的各項外形參數都較好，符合南寧地鐵 1 號線車輛運輸服務的要求。

表1 不落輪鏇床檢測 0130 車的輪對參數數據mm

對比表1與表2中的數據可知，運行公里數較多的01094 車與 01102 車，車輪在與鋼軌的磨合期內踏面磨耗較大約為 1mm，對比運行公里數較少的 0130 車，同軸最大輪徑差與同架最大輪徑差較為穩定，呈緩慢上漲的態勢。同軸最大輪徑差與同架最大輪徑差的最大值分別達到了 0.63mm與 0.69mm，未超出南寧地鐵 1 號線車輛輪對和轉向架技術參數要求。

表2 不落輪鏇床檢測 01094 車與 01102 車的輪對參數數據mm

為進一步研究車輪磨損情況對輪軌關系穩定性的影響，在南寧地鐵屯里車輛段做了相關的實驗。選擇打磨后的標準鋼軌進行實驗，鋼軌截面幾何尺寸滿足實驗要求。在鋼軌上用粉筆畫線標記，當列車車輪通過標記后，會在標記上留下痕跡。通過比較標記斷開的部位可以對列車車輪與軌道接觸的位置及接觸線的長度做出初步判斷，進一步判定輪軌關系的穩定性。

使實驗列車以低速通過實驗軌道，可以認為列車在整個實驗過程中處于直線狀態。實驗結果表明，01102 車通過后，粉筆線被截斷成了 3 段，有 2 個斷點，而公里數為 2 409.0 km 的 0130 車通過后，粉筆線有 1 個斷點，詳見圖1所示。分析得知，南寧地鐵1 號線車輪磨損主要分布在輪緣部位。

調查軌道表面磨損程度，實驗時發現軌道上有 2 條比較特殊的光帶，與圖1的情形相符，輪軌關系表現為 2 處光滑磨損線。

圖1 車輪通過鋼軌時截斷粉筆線情況

圖2 鋼軌表面打磨前情況與打磨后情況

正線尋軌時，也對上述情況進行了佐證，具體如圖2 所示。由于前期南寧地鐵 1 號線的正線鋼軌沒有完成全線的鋼軌打磨，加快了車輪的磨損，影響了南寧地鐵1 號線前期的輪軌關系。正線鋼軌打磨完后，輪軌關系有所改善。

3 結論

經上文分析，南寧地鐵 1 號線車輪與鋼軌在磨合期內磨損較重，但后期趨于穩定，符合輪軌磨耗“浴盆曲線”現象。鑒于南寧地鐵 1 號線前期的輪軌關系，對于新建線路，可采取如下 5 個方面的措施進行改善優化：

（1）可通過打磨鋼軌消除軌道表面各類瑕疵，改善輪軌關系，縮短輪軌磨合期，減少異常磨耗，延長輪軌使用壽命。

（2）優化輪緣潤滑裝置與軌旁潤滑裝置的潤滑效果，調整好兩種潤滑裝置的使用頻率與使用量，將輪軌關系控制在較好水平又不致出現打滑現象。

（3）優化列車的運行方向，如定期掉頭，或優化車輛段與停車場內線路等，以平衡左右輪對的磨耗水平，確保同軸、同架、同車及整列車的輪徑差值在正常運營水平之內。

（4）優化電制動與氣制動的供給方式，以及 TC車與 M（MP）車的氣制動分配情況，以減緩車輪踏面的磨耗速度。

（5）優化車輪與鋼軌的硬度、使用材料、配合角度、外形輪廓及引入 RAMS 等維保理念，改善輪軌關系。

[1]向偉彬，賀德強，苗劍，等. 基于車載檢測的列車輪對踏面擦傷故障診斷研究[J]. 廣西大學學報（自然科學版），2016，41（2）：434-442.

[2]王亮，羅敏，向偉彬. RAMS管理在南寧地鐵1號線列車檢修中的應用[J]. 現代城市軌道交通，2017（3）：21-25.

[3]Jendel T. Prediction of wheel profile wear—comparisons with field measurements[J]. Wear，2002，253（1）：89-99.

[4]劉燦龍. 地鐵輪軌磨耗的初步研究[J]. 城市軌道交通研究，2008，11（10）：57-59.

[5]Cui D, Zhang W, Tian G, et al. Designing the key parameters of EMU bogie to reduce side wear of rail[J].Wear，2016：49-59，366-367.

[6]Choi H Y, Lee D H, Song C Y, et al. Design of wheel profile to reduce wear of railway wheel[J]. Journal of the Korean Society for Precision Engineering，2012，29（6）：607-612.

[7]曹文戰，李芾，丁軍君. 軌道參數對機車車輪磨耗影響的研究[J]. 機車電傳動，2015（4）：13-17.

[8]Wang L, Zhao W, Xu H, et al. Wear prediction of metro wheels based on the ARIMA model[C]// Control and Decision Conference. IEEE，2015：2697-2701.