地鐵列車空轉滑行原因分析及應對措施研究

曹小龍 肖家河

（廣州地鐵集團有限公司運營事業總部，廣東廣州510000）

0 引言

空轉滑行主要由列車輪軌粘著系數減小導致，當前大部分軌道列車均有防空轉滑行保護功能。但空轉滑行嚴重時，可能導致輪對擦傷，甚至造成轉向架傳動機構損壞。鑒于此，廣佛線列車運營維護單位成立了空轉滑行攻關小組，通過近兩年時間的研究分析及試驗探究，總結出了空轉滑行的有效解決措施。

1 空轉滑行產生機理及危害

1.1 空轉滑行產生機理

地鐵車輛在運動過程中輪對會受到各種外力的作用，主要受力如下：M為牽引電機的輸出轉矩；F為牽引電機輸出轉矩后對軌道產生的圓周力；F′為鋼軌的反作用力（牽引力）；Fμ為輪軌粘著力；μ為粘著系數；Fb為制動力；G為車輪所受的垂向載荷。

地鐵車輛正常運行時，輪軌間無相對滑動，車輪處于純滾動狀態。在牽引工況下，當F′增大超過輪軌粘著力的極限值Fμmax時，輪軌間的粘著關系被破壞，動輪因無足夠的水平支承力，開始在鋼軌上產生空轉。這時鋼軌反作用力F′由靜摩擦力變為動摩擦力并急劇下降。隨著輪軌間相對滑動速度的增加，動摩擦系數越來越小，粘著力的下降更為嚴重，車輪將加速空轉。同理，在制動工況下，當列車制動力Fb大于Fμ時，車輪就會產生打滑。

輪對受力情況如圖1所示。

圖1 輪對受力分析圖

1.2 空轉滑行的危害

地鐵車輛出現空轉滑行最直接的影響是造成車輪踏面擦傷，當擦傷區域較小時，暫時不會影響行車安全。但不及時控制，將導致車輛運行舒適性下降，造成車輛振動和沖擊，損傷區域會不斷惡化，甚至造成傳動裝置和走行部件的損壞。輪對嚴重擦傷實例如圖2所示。

圖2 輪對踏面擦傷實例圖

2 空轉滑行的原因分析

根據粘著定律有：

式中，Fmax和G為可控量，而粘著系數μ為不可控量。當Fmax和G一定時，粘著系數的變化將直接影響輪軌的粘著關系。因此，以輪軌粘著關系為導向，通過實地調查和數據分析，發現廣佛線列車空轉滑行現象主要由下列因素所致。

2.1 軌面狀態因素

2.1.1 軌道表面積油

通過對比空轉滑行記錄，發現空轉滑行主要出現在沙涌站至西朗站區段的進出站位置及瀾石上行線進出站位置。攻關小組對以上區段進行實地調查，發現進出站位置的軌面存在黑色油脂，如圖3所示。經分析確認黑色油脂為列車通過時遺留的輪緣潤滑油，當列車通過時，由于油脂的潤滑使輪軌粘著系數大大減小。因此，軌面遺留的輪緣潤滑油是導致列車空轉滑行的因素之一。

圖3 軌面積油情況

2.1.2 潮濕天氣導致軌面濕滑

2016年至今，廣佛線列車正線空轉滑行次數及時間分布統計如圖4所示。

圖4 近三年廣佛線列車空轉滑行現象時間分布統計圖

從圖4可以得出，廣佛線列車正線空轉滑行現象集中出現在2月至4月。此時為華南地區的“回南天”時期，空氣極為潮濕。因此，軌面濕滑也可能是導致列車空轉滑行的原因。

2.2 輪對踏面外形因素

2017年11月至2018年3月，廣佛線列車共報12次空轉滑行現象。其中5152車5次，2122車2次，4142車2次，2526車2次，4748車1次。對空轉滑行出現頻次較多的5152車、2526車、4142車進行對比分析，發現此3列車均存在部分輪對已超過一年沒鏇修的情況。核查統計以上3列車每個輪對距上一次鏇修時長如表1所示。

表1 3列車各輪對距上次鏇修時長統計表 單位：月

選取4142車已達13個月未鏇修過的輪對，使用WS2008-3輪踏面外形測量儀測量輪對踏面外形如圖5所示。

圖5 4142車輪對踏面外形圖

從圖5可以看出，踏面滾動圓附件區域存在明顯凹陷，深度已達0.844 mm。由于列車蛇形運動時輪軌接觸區域會存在橫向平移，因此嚴重的踏面凹陷也將破壞輪軌的接觸關系，使粘著力下降而導致空轉滑行。

3 應對措施

針對以上導致列車空轉滑行的因素，廣佛線列車維保部采取了以下應對措施：

3.1 軌面狀態改善

為盡量減少正線軌道表面輪緣潤滑油積累量，廣佛線車輛維保部于2017年6月將列車輪緣潤滑裝置噴油時間間隔由120 s調整為190 s，同時關閉部分列車輪緣潤滑裝置，正線輪緣潤滑油使用量降低了46.7%。另外，由軌道維保部門定期對正線軌道進行油脂清理。

廣佛地區上半年空氣濕度較大，2月至4月空氣平均濕度高達85%。當空氣濕度超過90%時，可臨時關閉部分列車輪緣潤滑裝置，待空氣濕度低至80%后再啟動，以防止輪軌產生異常磨損。

3.2 輪對踏面外形維護

根據對輪對磨耗率的計算，廣佛線車輛維保部從2017年6月開始，以一年為周期開展列車輪對統一鏇修，防止出現輪對踏面凹陷過大問題，確保了列車運行中輪軌接觸良好。

4 實施效果

從圖4可以得出，2018年上半年廣佛線列車空轉滑行現象與2016、2017年同比分別下降了75%和50%，空轉滑行現象得到了有效控制。

5 結語

地鐵列車是否出現空轉滑行取決于輪軌粘著關系的優劣，而輪軌粘著受輪緣潤滑油用量、運行環境空氣濕度及輪對踏面外形等多種因素影響。華南地區空氣濕度常年居高，因此，空轉滑行現象在廣佛線地鐵列車運用中無可避免。但通過采取控制輪緣潤滑油用量、定期修復輪對踏面外形等針對性措施，可以控制空轉滑行現象的惡化，防止輪軌產生異常磨損或擦傷。