城市軌道交通車輛車輪踏面磨耗異常分析與運用服役性能研究

曹增明 周利 柳曉峰 劉光廷

中車株洲電力機車有限公司產品研發中心城軌系統研發部 湖南株洲 412001

城市軌道交通車輛通過車輪的轉動向前或向后行駛，車輪踏面和輪緣作為車輪與鋼軌的直接接觸部分，承擔著保持車輛沿鋼軌運行的重要導向功能和防止車輛脫軌的關鍵安全功能。在城市軌道交通車輛的日常運行過程中，車輪踏面、輪緣與鋼軌長期直接接觸和剛性摩擦，車輪踏面和輪緣容易出現擦傷、變形剝離等磨耗異常問題，導致車輛運行過程中的噪音和振動增大、降低了乘客乘坐舒適性，甚至影響車輛的安全運營。

1 城市軌道交通車輛車輪踏面磨耗異常現象及危害分析

1.1 城市軌道交通車輛車輪踏面磨耗異常的主要現象

本文在統計和分析國內多個城市軌道交通車輛車門踏面磨耗異常的基礎上，發現車輪踏面磨耗異常的現象主要有以下四種：

(1)踏面過度磨耗，車輪不耐磨；

(2)車輪踏面擦傷；

(3)車輪踏面剝離；

(4)車輪多邊形磨耗，踏面失圓。

1.2 城市軌道交通車輛車輪踏面磨耗異常導致的危害

城市軌道交通車輪踏面磨耗異常，帶來的危害主要有以下三個方面：

(1)車輛運營成本增加。車輪因擦傷、剝離等導致踏面出現銹跡、油污和“坑疤”，車輪鏇修頻率增加，導致車輪壽命周期縮短、車輪檢修維護成本上升，車輛運營成本增加。

(2)乘客乘坐舒適性降低。車輪擦傷、剝離和失圓導致車輛與軌道的接觸和配合變差，車輛的輪軌噪音升高、振動幅度加大，大大降低了乘客的乘坐舒適性。

(3)車輛運行安全無法得到保障。我國城市軌道車輛運行速度高、時間長、牽引制動頻繁，車輪踏面的異常磨耗將導致車輛直線線路運行時、車輛軌道中心線偏離軌道中心線使得車輛輪對向較大橫向力側偏移，通過曲線線路時、車輛車輪爬軌和脫軌的風險加大，車輪踏面的微小異常都會導致嚴重影響車輛運行的重大安全風險。

2 城市軌道交通車輛車輪踏面磨耗異常的原因分析

車輪磨耗異常是一個涉及車輪與軌道關系的復雜系統性問題，主要有以下三個方面的原因：

(1)因車輛原因導致的車輪踏面磨耗異常：車輛制動系統的防滑控制方案、緊急制動的控制方案，轉向架的一系懸掛參數設置等。

(2)因線路原因導致的車輪踏面磨耗異常：受天氣影響導致的線路濕滑、軌道黏著度不夠，鋼軌接頭處平面度不達標導致車輪頻繁受撞擊等。

(3)車輪與軌道的配合不良導致的車輪踏面磨耗異常：車輪與鋼軌的硬度值匹配、新建線路開通運營前期軌道與車輪的磨合等。

2.1 車輛原因導致的車輪磨耗異常

2.1.1 制動系統防滑控制方案缺陷

以上海某地鐵項目發生的車輪擦傷情況為例進行分析，從制動系統的監控數據來看：(1)狀態1：在8：13：12時，車輛沒有施加緊急制動，制動缸壓力為0，軸速差約23%，車輛處于嚴重滑行狀態。(2)狀態2：在8：13：13時，車輛沒有施加緊急制動，制動缸壓力為0，軸速差達到了25%，車輛的滑行狀態更加嚴重。(3)狀態3：在8：13：17時，車輛施加緊急制動，制動缸壓力為3.06bar，軸速為0，車輪抱死。

圖1為不同狀態下車輛施加不同形式制動的滑行保護情況。

圖1 不同狀態下的滑行保護情況

從圖1可以看出：

(1)從在A時刻(8：13：07)左右，車輛處于滑行狀態，轉向架僅施加了電制動，電制動實施滑行控制。

(2)到B時刻(8：13：13)左右，制動系統檢測到此轉向架深度滑行持續超過4s，發出滑行超時信號，隔離本轉向架氣制動滑行控制。

(3)在C時刻(8：13：14)左右車輛施加了緊急制動，由于在B時刻空氣制動隔離了本轉向架空氣制動滑行控制，此轉向架在C到D時刻，施加緊急制動但沒有滑行保護，持續4s左右，車輪抱死。

(4)在D時刻(8：13：14)后，滑行保護隔離解除，車輛正常緊急制動到停車。

根據以上分析，可以形成如下結論：

(1)從故障記錄可以看出，所有發生擦輪轉向架在50km/h左右空氣制動均檢測到滑行超時，在此狀態下制動缸壓力為零，則可以判斷發生滑行超時，車輛制動狀態為快速制動或者常用制動，此時對應轉向架滑行控制為電制動負責，而所有沒有擦輪轉向架都沒有檢測到滑行超時。

(2)在空氣制動檢測到滑行超時到滑行保護隔離解除的5s時間內、施加了緊急制動，從緊急制動施加到滑行保護隔離解除有5s時間疊加，在這個過程中沒有滑行保護且軸速差高達25%，導致輪對抱死，造成車輪擦傷。

2.1.2 車輛緊急制動控制方案缺陷

以馬來西亞某項目為例，車輛在用戶現場進行動態調試過程中輪對出現異響，車輛回庫檢查發現列車所有非動力轉向架和一個動力轉向架共7根軸所有輪對均出現擦傷剝離，每根軸輪對擦傷位置對稱，且擦傷痕跡已出現銹蝕。

從車輛網絡控制系統的監控數據來看，列車在信號系統調試過程中，列車速度在28～33.5km/h速度范圍內時信號系統共觸發了16次安全制動(其中有兩次為非正常觸發)，列車車輪擦傷。

該項目制動系統采用液壓制動，有常用制動(電液混合，有防滑保護)，緊急制動(液壓制動，有防滑保護)和安全制動(液壓制動，無防滑保護)三種模式。其中，安全制動是緊急情況下確保列車安全的最后一道保障，其設計目的是在緊急情況下確保列車能在安全距離內停車，因此要求安全制動需直接快速響應制動指令，而不能通過電子制動控制單元進行運算處理后再施加。因此，只要液壓單元內的安全制動電磁閥失電，列車即施加恒定制動力的安全制動。安全制動的指標如下表所示。

安全制動系統指標表

從上表可以看出，若輪軌黏著系數小于0.14，AW0工況下的車輛會發生滑行；若輪軌黏著系數小于0.10，AW3工況下的車輛也會發生滑行。然而，安全制動由于沒有防滑保護功能，發生滑行的車輪會被抱死，車輛擦輪風險較大。因此，列車在信號系統調試過程中，在液壓制動系統無防滑保護的前提下，信號系統共觸發了16次安全制動是造成此次車輪擦傷的原因。

2.2 線路原因導致的車輪磨耗異常

2.2.1 軌道積水或空氣濕度大導致車輪打滑

以鄭州某地鐵項目為例，列車轉向架在正線信號調試動車程中發現有異響，下車檢查后發現車輪輪對上存在較大面積擦傷。下載制動系統數據記錄，發現車輪頻繁啟動防護保護(WSP)功能。

在調取線路監控視頻后，發現線路隧道內積水多、空氣濕度大。

圖2 線路監控圖片

根據上述調查分析，鄭州該項目線路軌道濕滑引起的輪軌間黏著力不夠是導致輪對擦傷的主要原因。

2.2.2 軌道接頭連續撞擊導致車輪踏面裂縫

以上海某項目為例，在維護檢修過程中，維護人員發現車輪踏面存在裂紋。調取車輛走行部在線監測系統的數據，發現走行部監測系統共報出踏面預警10個、一級報警37個、二級報警15個，故障沖擊歷史趨勢連續且在持續發展，沖擊值高、最高達到了65db左右。

根據車輛走行部監測系統監控的車輪沖擊數據，結合網絡控制系統記錄的車輛以大站車運營模式運營和通過站臺時的時間的記錄，判定車輛在大站車運行模式下，以較高速度快速通過站臺道岔給車輪形成較大沖擊是造成車輪裂縫的主要原因。

2.3 輪軌配合導致的車輪磨耗異常

2.3.1 車輪與鋼軌的硬度值匹配不良

如果車輪踏面硬度值大于鋼軌硬度值，則會出現磨耗鋼軌的現象；如果鋼軌硬度值遠大于車輪踏面硬度值，則踏面磨耗會加速、造成車輪磨耗異常、降低車輪使用壽命。

2.3.2 新建線路開通運營前期軌道與車輪的磨合未完成

城市軌道工程在實際建設過程中，由于整體道床的可調性差、加上鋼軌制造公差和施工誤差等，導致每一塊短軌處鋼軌的軌底坡存在差異、新軌柜面存在毛刺、銹跡等表面瑕疵，軌道表面光潔度不夠，車輪與軌道的配合較差，新建線路輪軌配合存在磨合期。

3 提高城市軌道交通車輛車輪運用服役性能研究

3.1 優化車輛制動控制及維護方案

3.1.1 制動系統防滑控制方案優化

建議的制動系統防滑控制優化方案如下所示：

(1)降低滑行深度閾值，縮短滑行防護的檢測時間。制動控制單元檢測到轉向架滑行深度超過15%時間持續2s，通過網絡列車控制系統發送“電制動切除”電平信號。

(2)網絡控制系統在收到“電制動切除”電平信號后，切除對應轉向架電制動，直到本次制動結束。

(3)當制動控制單元檢測到本轉向架電制動信號為0時，認為此轉向架電制動已經被切除。

(4)制動系統“電制動切除”復位邏輯：制動信號撤除時或者列車靜止。

3.1.2 車輛制動施加控制方案優化

車輛進行制動力分配計算時，合理分配電制動力和機械制動力，以及動車和拖車機械制動力比例，避免拖車機械制動力過大而引起拖車車輪踏面異常磨耗。電制動正常的情況下，電制動力需能完全滿足總制動力要求，不需補充空氣制動力。當電制動無法正常發揮時、電制動力不足部分通過空氣制動力補充，采取空氣制動力平均分配到各車輛上，而不僅分配到拖車上，有效降低拖車車輪踏面磨耗。

對于沒有防滑保護的安全制動模式，減少其觸發頻率。在制動系統正常的情況下，應優先考慮施加具有防護保護功能的常用制動、快速制動和緊急制動，以保證制動性能；在車輛具有緊急制動命令且制動系統控制單元故障下，車輛才施加沒有防護保護功能的安全制動，從而達到滿足車輛制動性能要求和減少列車擦輪的風險的雙重目標。

3.1.3 車輛功能設計及維護方案優化

(1)增加車輪踏面清掃功能。建議的系統具有踏面清掃功能，通過踏面清掃可以有效地降低拖車車輪踏面異常磨耗情況，保持車輛的平穩運行。

(2)優化轉向架一系懸掛參數。通過動力學計算優化設計轉向架懸掛參數，使一系縱向剛度值合理(盡量偏軟)，避免因懸掛參數不合理而發生踏面異常磨耗的現象。

(3)加強制動檢修和日常維護。在車輛運營時，建議加強車輛制動系統的檢修和日常維護，特別是對制動控制單元的速度傳感器的檢修，確保其處于完好的工作狀態。做好液壓制動系統和空氣制動系統的基礎制動裝置的日常維護和預防性檢修，及時處理制動拉桿卡死和別勁等問題，提早消除不良隱患，降低車輪踏面異常磨耗的概率。

3.2 優化運營線路的維護檢修規程

城市軌道交通車輛車輪踏面磨耗異常的原因中，惡劣的線路軌道表面狀況是占據了一定的比例。

對于已經運營的既有線路，建議采取以下優化措施

(1)通過在隧道線路中增加通風機數量、增大通風量來降低潮濕天氣導致的軌道濕滑的影響；

(2)優化維護檢修規程定期對鋼軌進行打磨作業、減少軌道表面的油污，提高鋼軌表面的黏著系數；

(3)使用軌道防滑技術或安裝軌道防滑器材，降低車輪與軌道接觸產生的熱龜裂導致的車輪踏面擦傷。

對新建線路的軌道進行打磨，修正鋼軌制造公差和施工誤差，提高車輪和鋼軌接觸面的光潔度、完善新建線路軌道軌面、精確調整軌底坡，延緩鋼軌病害的發生從而改善輪軌關系。

3.3 改善輪軌關系和優化輪軌配合

一般來說，地鐵系統有著“多磨輪少磨軌”的輪軌硬度值匹配原則，軌道與車輪的硬度匹配通常為H軌/H輪=1.1～1.2。硬度值與材料有關，選擇合適的車輪材料是合理匹配輪軌硬度值的關鍵。

車輪抗熱損性能依賴于車輪的含碳量，可以在保證材料的強度和硬度前提下，提高車輪鋼的韌性；或在滿足強度、硬度條件下，盡量降低材料的含碳量。根據我國列車的運營試驗證明在同樣的線路條件下R7鋼的抗剝離性能明顯好于CL60鋼。目前國內已服役的R8T、R9T和CL60三種材質地鐵車輪中R8T車輪含碳量最低，抗熱損性能最好。城市軌道交通車輛車輪需遵循“多磨輪少磨軌”的原則，合理選擇車輪材料，保證輪軌硬度值匹配合理。

結語

本文針對國內外不同地區多個項目城軌車輛時常發生的車輪踏面擦傷、剝離、裂縫等問題，從車輛、線路和輪軌關系三個方面進行分析造成車輪踏面異常磨耗的原因，并從優化制動系統防滑、安全制動施加控制和制動系統日常檢修維護方案、增加踏面清掃功能，優化運營線路的維護檢修規程和選擇合理的輪軌硬度值匹配改善輪軌關系等多個方面，給出了提高城市軌道交通車輛車輪運用服役性能的建議。