長春70%低地板輕軌車輛的車輪磨耗特征分析

劉 飛 楊新文 陳德文 左安國

(1.長春市軌道交通集團有限公司車輛中心，130062，長春；2.同濟大學交通運輸工程學院，201804，上海∥第一作者，高級工程師)

采用獨立輪對的低地板輕軌車輛以其無需設置站臺、方便旅客上下車等優點，在國內外輕軌線路中被大量使用。但由于獨立輪對無需剛性連接車軸，左右車輪可以獨立旋轉，導致獨立旋轉車輪缺少縱向蠕滑力矩，從而喪失導向能力。因此，獨立旋轉車輪在實際運行中容易偏向鋼軌一側，在造成車輪偏磨的同時加劇鋼軌磨耗，進而使車輛動力學性能下降。

國內外研究者關于車輪磨耗問題開展了一系列的試驗、仿真及線路測試工作。文獻[1]基于Archard磨耗模型，并結合試驗數據建立了踏面磨耗模型。文獻[2]基于Archard材料磨耗模型及輪軌多點非橢圓接觸理論對低地板有軌電車車輪磨耗演變過程進行了模擬，研究了不同輪背內側距下的車輪磨耗問題。研究結果表明：輪背內側距對直線和曲線工況磨耗問題的影響是相互矛盾的，在一定范圍內輪背內側距越小，對直線工況越有利，而對曲線工況越不利。文獻[3]參考德國和英國相關標準，以Ri60R2槽型軌為例，從車輪導向尺寸匹配、車輪強度和踏面鏇修經濟性等方面討論了有軌電車車輪輪緣的最大磨耗限度問題，并給出了車輪輪緣磨耗的最大推薦值。文獻[4]以深圳地鐵9號線列車車輪輪緣嚴重磨耗問題為例，結合實測數據，分析了車輛鏇修后運行里程與踏面磨耗、輪緣磨耗之間的關系，分析了列車運行的平穩性狀態，并提出了相應的改進措施。文獻[5]結合現場試驗，分析了某條地鐵線路的磨耗特征，闡述了造成輪緣偏磨的原因，從輪軌關系的角度出發，研究了一系縱向剛度及摩擦系數等對車輪磨耗的影響，提出了相應的車輪磨耗減緩措施。文獻[6]針對輕軌車輛使用過程中的拖車輪緣及軌道異常磨耗問題，根據所掌握的調查試驗數據，研究了輪緣磨耗發展過程與使用條件之間的關系、直線線路拖車導向輪對貼靠一側運行的原因、車輛形位誤差對車輛動態行為和輪緣磨耗的影響等問題，并給出了改善車輛輪緣及軌道磨耗的措施。文獻[7]針對目前具有獨立輪轉向架的低地板輕軌列車所發生的脫軌問題和輪緣嚴重磨耗問題，從輪軌系統的基本關系出發，分析了傳統剛性輪對與獨立輪對的導向機理和特點，對各種可能導致脫軌和輪緣磨耗的因素進行了分析。

長春市軌道交通3號線是長春市第一條輕軌線路，包括一期工程與二期工程兩部分，線路位于城市核心區邊緣，繞北、西、南三邊呈U形線，并向凈月組團延伸[8]。長春市軌道交通4號線是長春市第二條輕軌線路，一期工程北起長春站北，南到車場站，全線采用高架與地下結合的建設方式。長春市軌道交通采用的輕軌車輛是典型的70%低地板輕軌車輛，輕軌車輛運行普遍存在異常磨耗情況，由此也帶來了諸多的列車運行安全問題。為了探究70%低地板輕軌車輛的車輪磨耗特征，本文針對長春市軌道交通3號線和4號線，通過跟蹤實測車輪廓形和硬度，統計分析了70%低地板輕軌車輛車輪磨耗特征，并分析了季節性因素的影響。本文研究成果可為城市軌道交通車輛的設計與維護提供理論支撐。

1 測試方案

1.1 測試方法

長春市軌道交通列車為6節編組列車，1～6節分別為動車-拖車-動車-動車-拖車-動車，其中，拖車為獨立輪對，動車為整體輪對。按車輛編號從前往后依次進行測試，左右輪分別定義為L和R，如第1軸左側輪為軸-1L，第1軸右側輪為軸-1R；第12軸左側輪為軸-12L，第12軸右側輪為軸-12R，共6個轉向架，12個輪對，24個車輪。依次使用車輪輪廓測量儀和硬度計對車輪廓形和硬度進行測試記錄，其中，硬度測試為1個車輪2個測點，1個測點測試3個硬度值，取平均值作為測試的硬度值。車輪硬度測點位置如圖1所示。

圖1 車輪硬度測點圖Fig.1 Measuring points of wheel hardness

1.2 測試內容

目前，在長春市軌道交通3號線和4號線上服役的有中車長春軌道客車股份有限公司(以下簡稱為“長客”)生產的兩種車型，其運行時的振動情況也有所不同。通過添乘情況并結合車輛的行車里程，選取長客兩種編組車型中車輪磨耗情況最嚴重的列車各2列，具體測試信息如表1所示。測試內容包括：測試輕軌車輛的車輪型面和車輪硬度，并根據測試季節的氣溫分析季節性因素對車輪磨耗的影響。

表1 長春輕軌測試車輛信息Tab.1 Test vehicle information of Changchun light rail

1.3 測試儀器

采用車輪廓形儀和硬度計對長春市軌道交通3號線和4號線列車的車輪廓形和硬度進行測試和記錄，車輪廓形儀為WS2016-3W-LFT型低地板輪廓測量儀，并配合WSCAD軟件進行處理；硬度計為深達威SW-6230里氏硬度計。車輪廓形儀、硬度計和現場測試照片如圖2所示。

圖2 測試儀器和現場測試Fig.2 Test instrument and field test

2 車輪磨耗特征分析

2.1 踏面磨耗特征分析

整理2019年4月長春市軌道交通3號線和4號線列車的測試數據，并對比動車整體輪對和拖車獨立輪對的車輪踏面磨耗狀況。車輪踏面磨耗量百分數分析對比如圖3所示。

由圖3可知，3號線列車的車輪踏面磨耗程度較4號線更為嚴重，更易出現較大的踏面磨耗量。3號線的踏面磨耗最大值達到4.00 mm以上，4號線的踏面磨耗最大值小于3.00 mm，導致這一現象的原因是相較于4號線，3號線服役時間長、線路狀況差。但無論是3號線還是4號線,動車整體輪對的車輪踏面磨耗量普遍較拖車獨立輪對大，且踏面磨耗最大值都發生在整體輪對車輪上。

圖3 車輪踏面磨耗量分布對比Fig.3 Comparison of wheel tread wear distribution

2.2 輪緣磨耗特征分析

將2019年4月長春市軌道交通3號線和4號線列車的測試數據進行整理，并對比動車整體輪對和拖車獨立輪對的車輪輪緣磨耗狀況。輪緣磨耗百分數分析對比如圖4所示。

由圖4可知，長春市軌道交通3號線列車的車輪輪緣厚度較4號線而言更薄，磨耗程度更為嚴重，更易出現較大的輪緣磨耗量。其中，3號線輪緣厚度最薄小于24.00 mm，4號線輪緣厚度最薄大于24.00 mm。但無論是3號線還是4號線，拖車獨立輪對的車輪輪緣磨耗量較動車整體輪對大很多。根據4號線的列車測試結果，獨立輪對輪緣厚度最小值為24.00～25.00 mm，較整體輪對的27.70～27.90 mm約小3.00 mm。

2.3 車輪硬度分析

根據GB/T 2585—2007《鐵路用熱軋鋼軌》規定，鋼軌表面硬度要求在567～616 HL范圍內，將2019年4月測試的長春市軌道交通3號線和4號線的列車踏面硬度進行分析統計，并與GB/T 2585—2007《鐵路用熱軋鋼軌》規定進行對比，如圖5和圖6所示。其中，軸3、軸4、軸9和軸10為拖車獨立輪對，其余軸為動車整體輪對。

圖6 4號線列車車輪硬度Fig.6 Line 4 train wheel hardness

由圖5和圖6可知，長春市軌道交通4號線的列車車輪硬度狀況明顯優于3號線；兩條線路同軸側車輪硬度大多相近；3號線車輪踏面硬度不合格測點較多，不合格測點的硬度多低于標準范圍，導致這一現象的原因是車輪踏面鋼材表面的硬化層被磨損，硬度高于標準范圍的測點多為拖車獨立輪對車輪，導致這一現象的原因是拖車從動輪受到的擠壓更多。

根據GB/T 2585—2007《鐵路用熱軋鋼軌》規定值對圖5和圖6中的數據進行篩選，統計標準范圍內的測點數比例，如表2所示。由表2可知，長春市軌道交通4號線列車車輪硬度合格率明顯高于3號線。其中，4號線合格率最低的是3035列車，其踏面硬度合格率為54.2%，而3號線2列列車的踏面硬度合格率僅為37.5% ；4列車的輪緣硬度合格率明顯高于踏面硬度合格率，該現象在磨耗較為嚴重的3號線列車上尤為明顯。

表2 車輪硬度合格率百分比統計表Tab.2 Statistics of percentage of qualified wheel hardness

2.4 季節性因素對車輪磨耗的影響

由于3號線列車車輪磨耗較為嚴重，兩次測試期間車輪進行了多次鏇修更換等養護措施，所以對比4號線列車車輪來分析季節性因素對車輪磨耗的影響。根據長春市軌道交通公司的車輛維修情況，在2018年8月夏季測試時，列車運行磨耗時段為氣溫較高的春夏季節；在2019年4月春季測試時，列車運行磨耗時段為氣溫較低的秋冬季節。將4號線3014列車和3035列車兩次測試的48個車輪的踏面磨耗和輪緣厚度測試值取算術平均值進行對比，結果如圖7所示。

圖7 兩次測試值的均值對比Fig.7 Comparison of mean values of two tests

由圖7可知，氣溫較冷的秋冬季節的車輪磨耗各項測試指標均差于氣溫較高的春夏季節。其中，秋冬季較春夏季的踏面磨耗平均值增加了0.53 mm，輪緣厚度平均值減小了0.28 mm。可見，低溫更易導致車輪鋼材的磨損。

3 結語

本文針對長春市軌道交通3號線和4號線列車的車輪磨耗問題，通過跟蹤實測車輪廓形和硬度，統計分析了70%低地板輕軌車輛的車輪磨耗特征，并分析了季節性因素的影響。研究結果表明：

1) 長春市軌道交通3號線的列車車輪踏面磨耗程度較4號線更為嚴重，更易出現較大的踏面磨耗量，3號線的踏面磨耗最大值達到4.00 mm以上，4號線的踏面磨耗最大值小于3.00 mm。導致這一現象的原因是相較于4號線，3號線的服役時間長、線路軌道狀態差。但無論3號線還是4號線，動車整體輪對的車輪踏面磨耗量普遍較拖車獨立輪對大，且踏面磨耗最大值都發生在整體輪對車輪上。

2) 長春市軌道交通3號線的列車車輪輪緣厚度較4號線更薄，磨耗程度更為嚴重，更易出現較大的輪緣磨耗量。其中，3號線的輪緣厚度最薄小于24.00 mm，4號線的輪緣厚度最薄大于24.00 mm。但無論3號線還是4號線，拖車獨立輪對的車輪輪緣磨耗量較動車整體輪對大很多，根據4號線的列車測試結果，獨立輪對輪緣厚度最小值為24.00～25.00 mm，較整體輪對的27.70～27.90 mm約小3.00 mm。

3) 長春市軌道交通4號線列車車輪硬度狀況明顯優于3號線列車；兩條線路同軸兩側車輪硬度大多相近；3號線車輪踏面硬度不合格測點較多，不合格測點的硬度多低于標準范圍，導致該現象的原因是車輪踏面鋼材表面的硬化層被磨損；硬度高于標準范圍的測點多為拖車獨立輪對車輪，導致該現象的原因是拖車從動輪受擠壓更多。4號線列車的車輪硬度合格率明顯高于3號線，而且列車的輪緣硬度合格率明顯高于踏面硬度合格率，這在磨耗較為嚴重的3號線上體現得尤為明顯。

4) 氣溫較低的秋冬季節的車輪踏面和輪緣的磨耗狀況均差于氣溫較高的春夏季節。其中，秋冬季較春夏季的踏面磨耗平均值增加了0.53 mm，輪緣厚度平均值減小了0.28 mm。可見，低溫更易導致車輪鋼材的磨損。