地鐵車輛輪對失圓規律及其應對策略的研究

卞正

地鐵列車的空氣制動形式一般有踏面制動和盤形制動兩種，在客流較小、站間距較長的線路，地鐵車輛的運行速度較快，一般采用盤形制動。從目前的地鐵車輛運用經驗來看，使用盤形制動的列車更容易產生輪對失圓問題。輪對失圓就是指輪對在短期運營后產生了較高的輪對徑向跳動，這種徑跳使得輪對成為不規則的多邊形，根據多邊形的邊數，可以分為高階多邊形與低階多邊形。

1.輪對失圓原因的探索

南京地鐵首次發現輪對失圓是在四號線的列車上，大約在運營三個月內，初次鏇修就發現輪對的徑跳值非常大。隨著對不同列車的測量，發現輪對失圓影響列車眾多，而且徑跳值都遠遠超出輪對鏇修標準。為了找出造成輪對失圓的原因，開始研究各方面可能的因素的影響。

1.1輪軌振動分析

通過鏇修前與鏇修后的振動頻率分析，軸箱振動中50-100Hz能量帶為其固有頻率，這可能來自軌下或者軸箱。而多邊形車輪使軸箱振動在鏇修前存在大量車輪轉頻倍頻，這些倍頻

與軸箱的固有頻率帶共振而成為軸箱垂向的振動主頻。

圖二是車輪在鏇修前與鏇修后在不同區段上的振動表現，從振動頻譜來看，鏇修后的輪對，也就是消除了多邊形影響后，輪對軸箱振動中50-100Hz的固有頻率能量帶在不同形式的軌道板上存在差異，這說明該能量帶是來自于軌道。

從振動測試結果看，該特征頻帶內軸箱的振動在普通道床與ZX-2型扣件配合的軌道上最惡劣，主頻約55Hz。該特征頻率帶在不同速度下、不同路段內以不同階次的轉頻倍頻為主頻，說明該振動并非由車輪失圓單一元素造成，而是車輪失圓與軸箱固有頻率帶的共振所致。

1.2不同軌道下輪軌接觸P2力響應

在整體道床與ZX2型扣件的組合中，其振動的主要頻率是58Hz左右，車輪多邊形頻率在55Hz左右，兩者頻率接近，輪軌接觸系統產生P2力共振，這也導致軸箱振動能量放大。

在整體道床與剪切型扣件的組合中，車輛通過時鋼軌垂向位移、加速度均為主頻為65Hz左右的小幅振動，主要為車輪多邊形引起的強迫振動，而對應時刻軸箱加速度上此頻率不明顯，輪軌未發生耦合振動。

綜上可以得出，當車輛運行于整體道床與ZX2扣件配合的軌道時，輪軌接觸固有的響應為軸箱垂向振動主頻，頻率約為58Hz，在此頻率下共振十分明顯，車輛也因此振動異常。

1.3運營數據統計分析

為了更好地評價輪對失圓的速率，在運營數據統計中，采用徑跳發展率作為主要的評價指標。徑跳發展率是指每一萬公里輪對徑跳變化的多少，所以有定義：徑跳發展率=兩次測量的徑跳值之差/公里數（萬公里）。經過統計所有列車的歷史數據，我們發現平均徑跳發展率與輪對的輪徑值有明顯的正比例關系，如圖四所示：

由上述統計結果可以看出來，徑跳發展率的大小與輪徑有著明顯的關聯性。隨著輪徑的減小，徑跳發展率迅速下降（平均值能達到90%左右），并且在輪徑值降低至825mm之后，徑跳發展率趨于平穩，變化幅度明顯減小。

1.4輪對材質的影響

為了找出失圓的根本原因，對發生失圓的輪對進行了金相組織分析，其結果如圖五：

可以發現，硬度較高的上貝氏體都分布在輪對的表面存在，然后統計其他地鐵與失圓線路的輪對和鋼軌的硬度，其結果下表：

從表一的有限統計結果來看，在輪對的標準硬度范圍內，取其下限比取其上限要更好，也就是輪對材質越軟對控制輪對失圓來說越好。

2.輪對失圓帶來的實際問題與應對策略

輪對失圓帶來的問題有很多，其中較為突出的問題就是列車振動問題和輪對過快消耗的問題，而列車振動不僅僅帶來乘客的乘坐舒適度的降低，更重要地是這種振動有強大的破壞力，對轉向架的軸承、懸掛裝置、管路和構架都會造成不可逆的損傷。從線路的維護經驗來看，這種破壞性的問題是最難以預防和處理的，下面只從運營維護的角度從幾個方面淺談這些問題的應對措施。

2.1失圓振動造成的次生問題的預防和處理

輪對失圓的次生問題是一個大類，其中轉向架方面主要又有軸承問題、懸掛裝置問題、管路問題和構架問題。

2.1.1軸承問題

輪對軸承的問題由于其隱蔽性，實際上很難在平時的檢修作業中被發現，因為動態軸承依靠人體是無法感知的，而且一般的振動測試設備也很難在平時運營過程中找到這類故障。對于軸承類故障，主要的方向還是發現問題。輪對軸承的日常檢修，只需要關注軸承的油脂和溫度是否異常之類的常規檢查即可，想要達到早發現、早處理，必須借助于聲學軸承檢測設備。

目前的軌旁聲學檢測設備已經達到了比較可靠的水平，經過匹配相應的特征頻率，聲學設備的檢測準確率能在90%以上。然后根據檢測結果再進行振動復測，基本上可以在軸承發生問題的前期將隱患消滅。

2.1.2懸掛裝置

這里的懸掛主要是一系懸掛的問題，一系懸掛包括垂向減震器和鋼彈簧。在發生失圓問題的線路，想要迅速地、準確地、一勞永逸地解決問題是非常困難的，目前的主要方法還是依靠鏇修保持輪對廓形。但是鏇修還需要考慮列車數量以及經濟性的問題，它無法完全解決問題，只能減小失圓的影響。所以一般在失圓線路減震的滲油問題十分嚴重，甚至容易發生垂減的斷裂。在無法避免此類的問題的前提下，檢修人員必須十分關注減震器和鋼彈簧的狀態。車輛檢修應在月修規程中要求檢修人員必須對懸掛裝置進行觸摸檢查，防止出現減震器斷裂而未發現的問題。除上述主要部件之外，對于二系懸掛中的抗側滾扭桿的連桿也要尤其注意。一般在線路配備有巡檢人員，這是難得的動態檢查機會，巡檢人員應加強對車下異響的關注度，做到盡早發現故障。

2.1.3氣管路問題

振動的影響無處不在，氣管路是深受其害。氣管路的接頭處比較脆弱，一些接頭在出廠連接時由于安裝位置的問題，在連接螺母的邊緣常常存在較高的應力集中，振動放大了這些應力的影響，時間一長容易造成管路崩斷或者裂紋漏氣。這在很多地鐵線路都出現過，預防這些問題除了要在設計時加強防護意識，在已經運營的線路尤其要注意月檢加強檢查氣管路的狀態，利用測漏劑及時檢出問題加以處理。

2.1.4其他問題

其他問題就是失圓對轉向架上其他部件的問題，例如構架。按照設計壽命，構架實際上不容易出現問題，但是輪對失圓會明顯加速疲勞過程，使得曾經不需要花費很多精力的地方必須加強檢查力度，以求在問題發生的早期發現它。還有一些掛載信號設備的橫梁、懸掛臂之類，由于設備在橫梁中間或者懸掛臂的端部，其振動會明顯加速端部的疲勞。在沒有失圓影響時，按照設計要求其強度是合理的，但是當失圓放大了振動，并且長期放大這種振動時，材料的強度將受到很大的考驗。

2.2輪對過快消耗的問題

發生失圓的線路一般輪軌關系較差，又因為失圓需要長期進行鏇修修形，所以失圓線路的列車輪對消耗速率非常快，筆者做過一些統計：

可以發現，失圓線路的輪徑消耗速率可以達到正常線路的2.5倍，相對而言，失圓線路的輪對壽命只有正常線路的40%，這對運營而言時一筆很高的成本支出。但是鏇修又是必須的，否則列車振動將會帶來更加難以預料的后果。所以，研究鏇修策略就非常有必要了，這是在既定條件下必須做出的選擇。一般正常的線路鏇修策略是故障鏇修，在發生失圓的線路，為了保證線路運營質量以及緩解人員和設備的集中壓力，計劃鏇修是值得考慮的選項。

2.2.1輪徑消耗速率的影響因素

一些地鐵的鏇修模式采用的是早期的鐵路標準，鏇床的鏇修模式只有LM26、LM28、LM30、LM32幾種偶數型。而我們通過統計發現了一些問題：

從圖六可以看出，當輪緣厚度大于32mm時，切削量基本維持不變，在小于32mm時有明顯的起伏特征，從上表統計結果中可以看出，當輪緣厚度在28mm至30mm以及31mm至32mm的區間時，鏇修切削量明顯較高，這剛好與我們鏇修模式相對應。

然后再來看一看切削量與徑跳值之間的關系：

上面的圖表說明較大的徑跳帶來了較大的切削，但是由于徑跳變化導致切削增加的閾值在0.5mm以上，實際上輪對徑跳值在0.5mm之前大部分已經被鏇修修復。所以綜上可以得出，我們的鏇修模式對輪對輪徑消耗有較大的影響。

鐵路的輪對鏇修標準近年也進行了更新，踏面廓形增加了LM27，LM27.5，LM29，LM29.5，LM31，LM31.5七種，這也為地鐵探索經濟型鏇修提供了依據。這項工作在失圓發生的早期越能體現出優越的經濟性，在失圓后期，由于徑跳發展率趨于平穩，其能利用的空間逐漸收窄，經濟性將顯著降低。在開展一段時間的經濟性鏇修后，能明顯減少因適應鏇修模式造成的無效鏇修，這為地鐵運營節約了成本。

綜上所述，車輪失圓的主要原因有：一是部分軌道的固有頻率與多邊形輪對的頻率產生共振;二是輪餅的硬度選擇偏向上限，造成硬度偏高，不利于失圓控制。失圓造成的主要問題有：一是降低乘客舒適度;二是對轉向架部件造成難以預料的不可逆損傷;三是輪對鏇修的成本壓力。

針對以上研究，失圓問題的對策有：一是新線建設時要綜合考慮輪軌耦合振動的特性，選擇適合的軌道扣件;二是聯系車輪廠商，研究并控制車輪中有害材質的含量和分布，增加車輪原胚尺寸以獲得性能更好的輪餅;三是運營需要加強對轉向架系統的各類部件的檢查，引進先進設備，對部件的隱患進行掃除;四是研究分析線路運營數據，選擇合適的鏇修策略，增加鏇修經濟性以節約成本。