津濱輕軌車輪異常磨耗分析

李新宇

(天津濱海快速交通發展有限公司，天津 300451)

津濱輕軌車輪異常磨耗分析

李新宇

(天津濱海快速交通發展有限公司，天津 300451)

介紹了津濱輕軌車輪異常磨耗情況，對磨耗原因進行了調查分析，并提出了相應的解決措施。

輕軌；車輪；異常磨耗；踏面；輪緣

0 引言

津濱輕軌自2004年2月運營至今，隨著運營里程的增加，車輛各部件均趨于老化，磨損逐漸增大。車輪是車輛安全運營最重要、最關鍵的部件之一，車輪的運行狀態直接關系到列車的運行安全，其壽命直接關系到車輛的檢修成本，而車輪踏面異常磨耗會使車輪鏇修頻次增加，車輪壽命急劇下降，造成車輪維修成本增大，同時，車輪踏面異常磨耗還會惡化輪軌接觸關系，從而影響行車穩定性和安全性。

1 車輪異常磨耗現象

一般車輪踏面磨損的主要原因包括輪軌接觸磨損和制動閘瓦與踏面的滑動磨損。輪軌接觸磨損又以在踏面的不同區域滑動程度不同分為滑動摩擦磨損和滾動疲勞傷損。滑動摩擦磨損發生在輪緣部位，與車輛的曲線通過性能有關；而滾動疲勞發生在踏面部位，以橫向裂紋、剝離形式出現。

津濱輕軌車輪因踏面出現溝槽、刻度狀熱裂紋導致的剝離和輪緣異常磨耗等，造成車輪鏇修頻次增加，車輪壽命由初期計算可運行110萬～130萬km降至90萬～100萬km，造成維修成本增加。

1.1 踏面異常磨耗

津濱輕軌運營初期，采用日本制動閘瓦，在使用過程中造成車輪踏面出現熱裂紋，隨著車輛運營里程增加，熱裂紋逐漸演變成如圖1所示刻度狀剝離，且剝離面積逐漸擴大。同時，該型閘瓦存在金屬鑲嵌問題，遇到雨雪天氣時閘瓦金屬鑲嵌尤為嚴重，造成踏面出現如圖2所示圓周溝槽。

圖1 車輪踏面熱裂紋引起的剝離

圖2 車輪踏面圓周狀溝槽

1.2 輪緣異常磨耗

津濱輕軌二期(中山門至天津站)地下線路受各種環境條件制約，線路曲線多、半徑小(天津站至大王莊站區間曲線半徑只有300 m)，輪緣磨耗急劇增大(動車1輪和8輪磨耗量最大)，車輪鏇修量也隨之增加。動車車輪輪緣厚度變化趨勢如圖3所示。

圖3 動車車輪輪緣厚度變化趨勢圖

2 車輪異常磨耗原因調查分析

2.1 制動閘瓦問題

制動閘瓦屬于摩擦介質，通過閘瓦與車輪踏面接觸產生摩擦力，使車輛運行速度降低直至停車，由于閘瓦與車輪輪轂的摩擦過程極為復雜，兩者摩擦產生的溫度往往大于300 ℃，因此，閘瓦的性能直接影響車輪踏面狀態。

通過長期觀察鏇修完畢車輪的運用狀態發現，運行超過5 000 km，踏面表面出現熱斑，運行超過10 000 km，熱斑演變成微小刻度狀裂紋，隨著運行公里數增加，裂紋逐步擴展，其原因在于閘瓦散熱性能較差，頻繁制動產生的高溫使踏面表層瞬時加熱，隨后在空氣中冷卻形成馬氏體薄層，在輪軌接觸應力等反復作用下，裂紋逐漸形成。當相鄰裂紋相接觸(運行超過80 000 km)時，在輪軌接觸應力等作用下，踏面裂紋演變為剝離，導致車輪鏇修。通過此類車輪鏇修發現，裂紋會向輪輞內部發展，其深度約為裂紋長度的1/6，如圖4所示。車輪鏇修后，仍存在較嚴重缺陷，造成車輪鏇修量增加。

圖4 熱裂紋造成車輪鏇修3 mm(半徑)后仍存在缺陷

閘瓦主要由碳粉、樹脂、金屬粉末等材料進行混合攪拌，并經過高溫高壓壓制成型。由于制動時閘瓦與車輪踏面摩擦產生高溫，在高溫作用下，閘瓦中樹脂材料溶解，閘瓦與車輪摩擦產生的金屬粉末和輪軌接觸產生金屬顆粒，這些金屬磨粒就鑲嵌在因樹脂溶解而產生的空穴中。而這些鑲嵌在閘瓦上的金屬雜質遇到冷空氣后，金相結構發生了變化，再次制動時閘瓦表面留存的金屬雜質不斷剮蹭切削踏面，切削下的金屬與原有金屬雜質在高溫高壓下融合變大，導致踏面出現溝槽。

2.2 輪緣異常磨耗問題

車輛在區線上運行時，由于離心力的作用，外側車輪輪緣受到的橫向力遠大于內側車輪輪緣，特別是經過小曲線時，橫向輪軌磨耗尤為突出。因此，外側車輪輪緣磨耗更為嚴重，且動車車輪輪緣磨耗比拖車大，這一點在實際運用中也得到了很好的驗證。津濱輕軌二期工程全部為地下段，

曲線多、半徑小，其中最小半徑為300 m，轉向架通過曲線時，輪緣與外軌內側面密貼。圖5為300 m曲線處輪軌實際接觸情況。

圖5 300 m曲線處輪軌實際接觸狀態

通過測量數據發現，動車車輪輪緣磨耗約為拖車車輪輪緣磨耗量的2～3倍，且動車1輪和8輪磨耗最為嚴重，這主要是由于車輛通過曲線時，滾動的同時會伴隨出現滑動(一般多為橫向滑動)，車輪在曲線段產生的附加動壓力與曲線半徑成反比，在曲線段輪軌接觸應力會變大，造成輪緣加速磨耗。

3 采取的措施

大量的車輪異常磨耗極大地縮短了車輪的使用壽命，增加了車輛檢修成本，在大量調查分析的基礎上，我們采取了如下幾點措施：(1) 與國內閘瓦廠家合作，通過有效控制樹脂的分解殘留物，增加閘瓦微孔率，提高閘瓦散熱性能，有效防止或減少閘瓦金屬鑲嵌物和車輪踏面熱裂紋的產生。自2011年采用新型閘瓦后，再未出現車輪踏面熱裂紋，閘瓦金屬鑲嵌現象降低超過93%。(2) 通過在曲線段鋼軌內側涂抹潤滑材料，改善軌道曲線處輪軌接觸條件，輪緣磨耗量由0.21 mm/萬km降至0.11 mm/萬km，輪緣磨耗量降低約50%。(3) 根據輪緣厚度變化情況及時啟用LM-26和LM-28標準對車輪進行經濟鏇輪，降低車輪鏇修量。

4 結語

改善制動閘瓦性能及軌道曲線處輪軌配合條件，可以有效控制車輪異常磨耗，延長車輪使用壽命；與此同時，合理的車輪鏇修標準，也可有效降低車輪鏇修量。

[1]王福天.車輛系統動力學[M].北京：中國鐵道出版社，1994

[2]李霞，溫澤峰，金學松.地鐵車輪踏面異常磨耗原因分析[J].機械工程學報，2010(8)

2014-06-16

李新宇(1978—)，男，河南人，工程師，研究方向：城市軌道交通車輛。