城市軌道交通車輛車輪輪緣嚴重磨耗分析

李 濤 劉志遠 趙 卓 李曉峰 陰曉銘

(中車長春軌道客車股份有限公司工程研究中心轉(zhuǎn)向架研發(fā)部， 130062， 長春//第一作者， 工程師)

目前，上海、北京、深圳等城市的軌道交通車輛在運用過程中均出現(xiàn)過輪緣嚴重磨耗現(xiàn)象。車輪輪緣的嚴重磨耗會加快輪緣磨耗，降低車輪使用壽命，同時會惡化輪軌工作環(huán)境，并加快軌道的磨耗，降低軌道壽命。

1 車輪輪緣磨耗原因分析

車輛在正常運用狀態(tài)下，輪軌間接觸形式主要有一點接觸和兩點接觸兩種情況。輪對相對鋼軌的橫向位移不大時，一般是車輪踏面與鋼軌頂面相接觸，為一點接觸，一點接觸時可以認為車輪全部載荷作用于同一點。當輪對相對鋼軌的橫移和搖頭角較大時，就可能會引起車輪踏面和鋼軌頂面、輪緣和鋼軌側(cè)面同時相接觸的狀態(tài)，即為兩點接觸。車輛在正常運行狀態(tài)下，一點接觸是常態(tài)。國內(nèi)城市軌道交通車輛車輪踏面多以LM型踏面磨耗為主，當其與60kg型號鋼軌匹配時，在新輪新軌狀態(tài)下，多數(shù)不存在兩點接觸，只有當鋼軌出現(xiàn)嚴重側(cè)磨或踏面嚴重磨耗時會出現(xiàn)兩點接觸。當出現(xiàn)兩點接觸時，輪軌間會產(chǎn)生相對滑動，加速輪緣磨耗。

通過對輪對接觸的簡單分析，本文認為引起車輛車輪輪緣嚴重磨耗的原因有：

(1) 曲線左右方向線路不均：車輛單向運營，車輛無法調(diào)頭，因此，在線路曲線區(qū)段左右方向線路條件不均情況下，車輛單向行駛會導(dǎo)致車輛外側(cè)車輪輪緣比內(nèi)側(cè)車輪輪緣更容易磨耗。

(2) 曲線上外軌內(nèi)側(cè)的潤滑不良：一般線路軌旁均設(shè)置軌旁潤滑裝置以降低輪軌摩擦力，當軌旁潤滑裝置設(shè)置數(shù)量不足或工作狀態(tài)不良時，會增大輪緣磨耗。

(3) 輪軌磨合：對于新建線路，輪軌配合為新輪與新軌配合，處于輪緣和軌道磨合初期，輪緣及鋼軌的磨耗均較大，可能會出現(xiàn)輪緣厚度方向磨耗較快的現(xiàn)象。

2 車輪輪緣磨耗調(diào)查過程

深圳地鐵9號線列車運行至12萬km左右時，車輛輪緣出現(xiàn)嚴重磨耗，針對這一問題進行了車輪實測分析。列車運行公里數(shù)等信息見表1，實測內(nèi)容包括踏面磨耗、輪緣磨耗、平穩(wěn)性。

2.1 踏面磨耗

踏面磨耗主要計算在踏面名義滾動圓處實測磨耗踏面與標準踏面的差值。根據(jù)不同鏇后運行里程的磨耗統(tǒng)計結(jié)果(見圖1)，一個鏇修周期內(nèi)踏面磨耗量約為2.5 mm，隨鏇后運行里程增加而逐漸增加，0～10萬km內(nèi)增長速率(1.8～2.0 mm/10萬km)略大于10～20萬km內(nèi)的(0.7～0.5 mm/10萬km)。動車和拖車踏面磨耗未見明顯差異(見圖2)。

圖1 不同鏇后運行里程下車輪踏面磨耗分布

圖2 動車和拖車踏面磨耗情況對比

2.2 輪緣磨耗

計算輪緣磨耗時，根據(jù)輪緣最高點將實測磨耗踏面與標準踏面對齊，計算輪緣厚度測量位置的橫向磨耗量。由于902、905、910、915號列車全列已進行了鏇修，鏇修時采用薄輪緣經(jīng)濟鏇修方案，鏇后各車輪的輪緣厚度不同，故在輪緣磨耗統(tǒng)計時不考慮上述車組。

如圖3所示，鏇后運行2.5萬km輪緣磨耗量約為1.3～2.3 mm，后續(xù)隨著鏇后運行里程增加而略有增加，到達鏇修周期時輪緣磨耗量約為2.5～3.5 mm。動車和拖車輪緣磨耗無明顯差異(見圖4)。圖5 給出了不同鏇后運行里程下左右側(cè)輪緣磨耗的分布情況，利用盒裝圖統(tǒng)計的方法表示一列車左右側(cè)車輪差異，發(fā)現(xiàn)按照25%～75%分位數(shù)統(tǒng)計，右側(cè)車輪輪緣磨耗大于左側(cè)，差值約為0.5～1.0 mm。

圖3 不同鏇后運行里程下車輪輪緣磨耗分布

圖4 動車和拖車輪緣磨耗對比圖

2.3 平穩(wěn)性

選取運營里程接近20萬km的908號列車的6車和5車進行平穩(wěn)性測試，測試區(qū)間為深圳灣公園站至文錦站往返，運行狀態(tài)為空載。深圳灣公園站至文錦站區(qū)間每站停車，返程時，由于線路維護僅部分車站停車。

圖5 不同鏇后運行里程下左右側(cè)車輪輪緣磨耗情況對比

2.3.1 深圳灣公園站至文錦站平穩(wěn)性

如圖6所示，橫向平穩(wěn)性小于2.0，約為1.7～1.8，符合標準優(yōu)秀評定，動車和拖車無明顯差異；垂向平穩(wěn)性指標基本小于2.0，僅個別區(qū)段(孖嶺站—銀湖站、紅嶺北站—園嶺站)約為2.0～2.2，符合標準優(yōu)秀評定，動車和拖車相當。上述局部區(qū)段拖車(作為尾車)的平穩(wěn)性指標略大于動車的。

a) 橫向平穩(wěn)性狀態(tài)

b) 垂向平穩(wěn)性狀態(tài)

2.3.2 文錦站至深圳灣公園站平穩(wěn)性

如圖7所示，橫向平穩(wěn)性指標基本小于2.0，部分區(qū)段約為2.0～2.5，符合標準優(yōu)秀評定；垂向平穩(wěn)性指標基本小于2.0，個別區(qū)段約為2.0～2.5，符合標準優(yōu)秀評定。拖車的平穩(wěn)性指標(作為頭車)略大于動車。

a) 橫向平穩(wěn)性狀態(tài)

b) 垂向平穩(wěn)性狀態(tài)

2.4 車輪踏面表面狀態(tài)

如圖8所示，車輪踏面表面未見嚴重剝離、疲勞裂紋、多邊形磨耗等現(xiàn)象；在輪緣根部和踏面端部存在明顯接觸光帶，這與運行線路曲線較多有關(guān)；由于通過小曲線貼靠鋼軌，輪緣部分出現(xiàn)碾壓堆積、掉皮等現(xiàn)象。

a) 光帶 b) 掉皮c) 堆積

2.5 鏇修質(zhì)量

910號列車于2018年5月11日進行了全列鏇修，5月18日對全列進行了踏面外形測試，鏇后運行僅0.5萬km。為減少輪徑鏇修量，鏇修采用薄輪緣經(jīng)濟鏇修外形，踏面部分(橫向-20～60 mm)與標準LM型踏面外形基本一致(見圖9)，偏差基本小于0.2 mm，鏇修質(zhì)量未見異常。

對深圳地鐵9號線輪緣嚴重磨耗車輛的車輪狀態(tài)進行了實測分析，現(xiàn)總結(jié)如下：

(1) 908號列車的5車、6車在上下行區(qū)間內(nèi)平穩(wěn)性指標基本小于2.0，個別區(qū)段約為2.0-2.2，均小于2.5，符合標準優(yōu)秀評定要求。

圖9 實測新鏇修踏面與標準踏面對比

(2) 單鏇修周期內(nèi)踏面名義滾動圓處磨耗量約為2.5 mm，10萬km前磨耗速率略大于10～20萬km的，動車和拖車無明顯差異；輪緣磨耗量約為2.5～3.5 mm，左右側(cè)存在明顯差異，與車輛長期同向運行有關(guān)。

3 結(jié)論

(1) 車輪輪緣中部僅有微細裂紋時可暫時不必處理，此時對車輛動力學(xué)性能等并無影響，但當出現(xiàn)連續(xù)剝離現(xiàn)象時則須進行鏇輪處理。

(2) 考慮到深圳地鐵9號線列車運行里程達到12萬km左右時出現(xiàn)車輪輪緣嚴重磨耗現(xiàn)象，并伴有剝離現(xiàn)象，為確保列車的運行品質(zhì)，暫時建議車輛運行里程達到12萬km時，對車輪踏面進行鏇修處理。

(3) 線路設(shè)計初期增加車輛掉頭線，以防止列車因單向運行而增加車輪輪緣的嚴重磨耗。

(4) 車輪輪緣的嚴重磨耗現(xiàn)象，主要涉及輪軌的配合關(guān)系。在對車輛踏面狀態(tài)檢測的同時，需對線路的軌道半徑、軌道超高等參數(shù)進行檢查確認，以便進一步確認列車通過速度是否合適。同時比較列車實際通過曲線速度與限制速度間的差異。如有可能，建議考慮在小曲線區(qū)段適當降速運行，以降低曲線通過時輪軌間的橫向力，或者設(shè)置軌旁潤滑裝置，以降低輪軌摩擦力。