西安地鐵車輛輪對踏面異常磨耗原因及解決措施

付建鵬， 劉錫順， 田樹坤

(中國中車大連機車車輛有限公司， 西安 116022)

隨著國內地鐵線路和地鐵車輛運行里程的不斷增多，地鐵車輛輪對踏面的異常磨耗現象也逐漸的暴露出來。輪對踏面的異常磨耗會影響到地鐵列車的安全性、穩定度，也會影響到乘客的乘坐舒適性，更會縮短列車輪對的使用壽命，增加檢修部門的工作量。

基于西安地鐵1號線車輛輪對踏面異常磨耗情況的現象分析及處理過程，對輪對踏面異常磨耗的原因進行排查，并提出了一種解決方案。

1 輪對踏面異常磨耗現象

西安地鐵1號線車輛是B2型不銹鋼地鐵車輛，采用的是日立的牽引系統和克諾爾的EP2002制動系統，編組形式為3M3T，基礎制動采用的是踏面制動方式，車輪采用碾鋼整體車輪，LM型踏面型式，閘瓦采用的是合成閘瓦。在列車運行一段時間后，發現在閘瓦的摩擦區域內，車輪踏面靠近外側的邊緣有光亮的條帶；到40萬km左右的時候，發現輪對踏面異常磨耗現象，表現為輪對踏面出現階梯形磨耗(見圖1)。

圖1 輪對踏面異常磨耗形狀

根據數據統計，地鐵車踏面外側磨耗平均深度x最大的為3.95 mm，最小的為2.22 mm，平均磨耗深度3.57 mm，磨耗寬度y最大為37.55 mm，最小的為23.23 mm。所有列車輪對兩側的磨耗深度幾乎一致，拖車的磨耗深度大于動車。異常磨耗面在閘瓦與輪對作用范圍內(見圖2)，可以看到閘瓦和輪對的作用區分為明顯的兩部分，一個是輪對踏面外側光亮的部位，是異常磨耗區域，能夠看到很多刻度狀的制動熱裂紋；另外一個是右側靠近踏面中心的部位，雖然也是閘瓦作用區，但是明顯比左側顏色發暗，且制動熱裂紋現象比左側要輕的多。

圖2 輪對踏面異常磨耗區域與閘瓦相對位置

2 調查過程及處理方案

輪對踏面的梯形磨耗，主要是由于閘瓦和輪對的摩擦造成的，首先需要排除基礎制動單元TBU的問題，以及閘瓦材質的硬度問題。

2.1 基礎制動單元TBU檢查

對西安地鐵1號線目前正在使用的TBU拆卸送回原廠進行抽樣檢查，包括1臺踏面制動單元和1臺帶停放制動的踏面制動單元。其基本信息如下(見表1)。

表1 踏面制動單元基本信息

按照順序檢查，包括以下步奏：

踏面制動單元清洗→整體外觀檢查→功能測試→產品拆卸→零件外觀檢查→關鍵部件尺寸測量

結論如下：

(1) 2臺踏面制動單元功能測試正常；

(2)目視檢查拆卸后的2臺踏面制動單元，制動單元整體情況良好，沒有發現有任何不均勻磨損等異常；

(3)對踏面制動單元關鍵部位及零部件尺寸測量，測量數據顯示踏面制動單元關鍵部位及零部件磨損正常，沒有偏磨或局部磨損異常等情況。

2.2 對閘瓦物理參數進行檢查

對閘瓦的硬度進行測試，按照圖3顯示采集的測量點，測量閘瓦的表面硬度。硬度測試結果見圖4。

圖3 閘瓦表面的硬度測量點

圖4 閘瓦表面的硬度測量結果

對閘瓦的摩擦系數進行采集測量，要求標準值在0.4±0.05范圍內。

(1) 閘瓦的硬度均勻，在標準值范圍內，且此類型閘瓦與同材質的輪對在其他項目上有過配合，并沒有產生異常磨耗的現象；

(2) 閘瓦的摩擦系數能夠滿足要求，表面也無過載的表現。

2.3 對空氣制動使用情況進行調查

通過列車管理系統的數據記錄，對空氣制動使用情況進行調查，發現空氣制動施加較為頻繁，表2為AW3載荷條件下ATO運行模式時空氣制動的施加情況：

從數據中可以看到(每200 ms進行一次數據記錄)，在制動最初，動車和拖車的空氣制動都在施加，當電制動建立到最大時，空氣制動開始退出，整個時間持續3.4 s，拖車制動缸壓力最大達到220 kPa，動車制動缸壓力最大達到112.5 kPa。而且，從列車制動級位和最終空氣制動完全退出的情況來看，電制動能力是能夠滿足當前總的制動力需求的。

表2 列車管理系統數據記錄

從ATO運行時列車管理系統記錄的數據發現，在全程的運行過程中，基本上每次運行到最高速度開始制動時，空氣制動均會持續一定時間的施加，一直到電制動達到總的制動力需求。且列車運行至40～50 km/h時，會有一小段的制動轉牽引再制動的過程，持續時間非常短，但是再施加制動時，空氣制動又會持續施加大概3～4 s，施加的制動力又不大，制動缸壓力持續在30～100 kPa之間。

通過之前的TBU檢查和閘瓦物理參數的檢查，排除了這兩者造成異常磨耗的可能性，而能夠對輪對異常磨耗的部位產生作用的，除了運行時的輪-軌接觸，僅有閘瓦對輪對踏面的作用才會產生這種效果。而從輪對踏面異常磨耗部位制動熱裂紋的狀態，可以看出在異常磨耗部位，制動的熱負荷更加嚴重(見圖2)，所以，可以基本判定，輪對踏面的異常磨耗是由于空氣制動頻繁的較短時間及較低壓力施加的結果。

3 空氣制動頻繁施加的原因分析

空氣制動的補充施加，主要是因為電制動力的不足造成的，這與電制動的能力、電制動響應特性以及電-空配合方案有關。

3.1 電制動能力

圖5～圖6為西安地鐵1號線牽引系統的電制動特性曲線。

圖5 1 500 V網壓下的電制動特性曲線

從曲線上可以得到以下電制動的能力數據(見表3)：

圖6 1 650 V網壓下的電制動特性曲線

總的電制動能力與列車的編組型式有關，西安地鐵1號線列車的編組型式(3M3T)注定了其總的電制動能力要弱于4M2T編組型式的列車；另外，其恒定減速度范圍也較窄，不能涵蓋列車80 km/h的全速度區間段，使其在高速階段即使在較高的網壓下也不能完全依靠電制動力來保證減速度需求，需要空氣制動力的補充。

3.2 電制動響應特性

電制動的響應時間也是影響到空氣制動補充的一個關鍵參數，主要包含兩種工況：一是列車指令從惰行→制動(見圖7)；二是列車指令從牽引→制動(見圖8)。

在惰行→制動工況下，牽引系統從收到電制動指令開始，逆變器門極100～500 ms動作，電機電流400 ms后開始建立，到最大電制動電流需要1.47 s，整個動作時間最長需要2.37 s。

在牽引→制動工況下，牽引系統從收到電制動指令開始，牽引電流需要1.47 s降低到0，門極關閉，之后2.2 s門極再次打開，開始進行電制動，電機電流400 ms后開始建立，到最大電制動電流需要1.47 s，整個動作時間最長需要5.54 s。

表3 電制動性能數據

圖7 惰行→制動電制動響應特性

圖8 牽引→制動電制動響應特性

表4是國內主要牽引系統供應商株洲時代及阿爾斯通B2型80 km/h地鐵車輛電制動響應時間的統計：

表4 地鐵車輛電制動響應時間

從表4可以看出，日立牽引系統電制動響應時間較長，使得每次制動時，為了滿足列車的減速度需求，空氣制動系統都不得不補充空氣制動。

3.3 電-空配合方案

根據西安地鐵1號線車輛的編組以及列車管理系統功能(僅用于診斷及數據傳輸)的情況，總的制動力的管理由制動系統進行，采用一動一拖為一個制動單元，在單元內混合制動。在電制動力不足的情況下，優先使用拖車上的空氣制動，超過拖車制動黏著允許能力的部分由動車的空氣制動補充。

制動系統采信“電制動有效”信號高電平作為電制動可以使用的條件，在此前提條件之下，根據“電制動等效”信號大小，綜合總的制動力需求，優先補充拖車的空氣制動。為了防止在制動初期空氣制動的補充，牽引系統在收到“電制動指令”信號后，會立即發送等大小的“電制動等效”信號(見圖9)。

在進行調查時發現，牽引系統在進行軟件設計時出現兩處問題(見圖10)：一是“電制動有效”信號，在方案設計時，各方確認此信號代表電制動可用，只要牽引系統無故障，此信號就應以高電平的形式送出，但在執行時，發現此信號只有在牽引系統門極打開，開始建立電制動時才會輸出高電平，這就導致了在制動初期，制動系統認為電制動無法發揮，動車和拖車同時開始補充空氣制動；二是“電制動等效”信號，在收到“電制動指令”信號之后，未發送虛擬值，導致在電制動建立的過程中，補充空氣制動。

圖11是采集的實際的電-空配合曲線：

在圖11中可以看出，在制動初期，由于“電制動有效”信號置位的延遲和“電制動等效”信號(當前電制動)無虛擬值，在制動初期，空氣制動會有一個先上升再下降的過程，在列車運行時的每個制動過程中，均會出現這種“波浪”式的空氣制動補充，這種形式的空氣制動力的施加，是閘瓦磨耗過大和輪對踏面異常磨耗的主要原因。

圖10 實際的電制動配合邏輯

圖11 電-空配合曲線

4 解決辦法

根據以上問題的分析結果，可以得出結論：電制動能力、電制動的響應特性以及電-空配合方案是頻繁補充空氣制動的主要原因。由于受限于列車編組和牽引系統，電制動能力值無法改變，只能通過改善電制動響應特性、優化電-空配合方案及控車方式來解決此問題，進而提出解決辦法如下(見圖12和圖13)：

(1)改善電制動響應特性

在沖擊限制的前提下，加快牽引電流下降速度和電制動電流上升速度，加快逆變器門極打開和關閉時間，以減少電制動響應時間，以此來減小空氣制動補充的壓力和減少補充的時間。

(2)優化電-空配合方案

①電制動有效信號

采用方案設計時的邏輯進行"電制動有效"信號的置/復位，防止制動初期動/拖車同時補充空氣制動。

②電制動等效信號

增加制動初期“電制動等效”信號的虛擬值，并根據指令情況調節虛擬值持續時間，在電制動建立初期通過此信號減少空氣制動的補充。

(3)優化控車方式

基于惰行→制動和牽引→制動時的電制動響應特性，減少信號控車時牽引→制動指令的控車方式，增加惰行時間，取消無效的牽引-制動指令切換。

圖12 惰行→制動的優化邏輯及參數

圖13 牽引→制動的優化邏輯及參數

通過以上的方案，能夠有效的改善補充空氣制動的情況，減少閘瓦磨耗，減輕輪對踏面的異常磨耗。

5 結束語

針對輪對踏面的異常磨耗問題，不僅要從基礎制動單元性能、閘瓦材質及輪對踏面的硬度等方面著手，也要考慮到控車方式、電制動能力及特性對空氣制動力施加的影響。

雖然經過方案優化后，西安地鐵1號線車輛輪對異常磨耗的問題有所緩解，但是限于總的電制動能力不能滿足列車在速度80 km/h到6 km/h全速度區域全程發揮，而且電制動反應依然過慢，為了滿足減速度的需求，在某些工況下，空氣制動依然有部分補充。在地鐵項目的電-空配合方案中，一定要考慮到電制動能力和電制動響應特性，合理規劃電-空配合方案，盡量提升電制動能力并減少電制動響應時間，減少無效的空氣制動力的補充，提高輪對的使用壽命，有效的降低維保成本。