城市軌道交通車輛車輪輪緣嚴(yán)重磨耗分析

李 濤 劉志遠(yuǎn) 趙 卓 李曉峰 陰曉銘

(中車長春軌道客車股份有限公司工程研究中心轉(zhuǎn)向架研發(fā)部， 130062， 長春//第一作者， 工程師)

目前，上海、北京、深圳等城市的軌道交通車輛在運(yùn)用過程中均出現(xiàn)過輪緣嚴(yán)重磨耗現(xiàn)象。車輪輪緣的嚴(yán)重磨耗會加快輪緣磨耗，降低車輪使用壽命，同時會惡化輪軌工作環(huán)境，并加快軌道的磨耗，降低軌道壽命。

1 車輪輪緣磨耗原因分析

車輛在正常運(yùn)用狀態(tài)下，輪軌間接觸形式主要有一點(diǎn)接觸和兩點(diǎn)接觸兩種情況。輪對相對鋼軌的橫向位移不大時，一般是車輪踏面與鋼軌頂面相接觸，為一點(diǎn)接觸，一點(diǎn)接觸時可以認(rèn)為車輪全部載荷作用于同一點(diǎn)。當(dāng)輪對相對鋼軌的橫移和搖頭角較大時，就可能會引起車輪踏面和鋼軌頂面、輪緣和鋼軌側(cè)面同時相接觸的狀態(tài)，即為兩點(diǎn)接觸。車輛在正常運(yùn)行狀態(tài)下，一點(diǎn)接觸是常態(tài)。國內(nèi)城市軌道交通車輛車輪踏面多以LM型踏面磨耗為主，當(dāng)其與60kg型號鋼軌匹配時，在新輪新軌狀態(tài)下，多數(shù)不存在兩點(diǎn)接觸，只有當(dāng)鋼軌出現(xiàn)嚴(yán)重側(cè)磨或踏面嚴(yán)重磨耗時會出現(xiàn)兩點(diǎn)接觸。當(dāng)出現(xiàn)兩點(diǎn)接觸時，輪軌間會產(chǎn)生相對滑動，加速輪緣磨耗。

通過對輪對接觸的簡單分析，本文認(rèn)為引起車輛車輪輪緣嚴(yán)重磨耗的原因有：

(1) 曲線左右方向線路不均：車輛單向運(yùn)營，車輛無法調(diào)頭，因此，在線路曲線區(qū)段左右方向線路條件不均情況下，車輛單向行駛會導(dǎo)致車輛外側(cè)車輪輪緣比內(nèi)側(cè)車輪輪緣更容易磨耗。

(2) 曲線上外軌內(nèi)側(cè)的潤滑不良：一般線路軌旁均設(shè)置軌旁潤滑裝置以降低輪軌摩擦力，當(dāng)軌旁潤滑裝置設(shè)置數(shù)量不足或工作狀態(tài)不良時，會增大輪緣磨耗。

(3) 輪軌磨合：對于新建線路，輪軌配合為新輪與新軌配合，處于輪緣和軌道磨合初期，輪緣及鋼軌的磨耗均較大，可能會出現(xiàn)輪緣厚度方向磨耗較快的現(xiàn)象。

2 車輪輪緣磨耗調(diào)查過程

深圳地鐵9號線列車運(yùn)行至12萬km左右時，車輛輪緣出現(xiàn)嚴(yán)重磨耗，針對這一問題進(jìn)行了車輪實(shí)測分析。列車運(yùn)行公里數(shù)等信息見表1，實(shí)測內(nèi)容包括踏面磨耗、輪緣磨耗、平穩(wěn)性。

2.1 踏面磨耗

踏面磨耗主要計(jì)算在踏面名義滾動圓處實(shí)測磨耗踏面與標(biāo)準(zhǔn)踏面的差值。根據(jù)不同鏇后運(yùn)行里程的磨耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見圖1)，一個鏇修周期內(nèi)踏面磨耗量約為2.5 mm，隨鏇后運(yùn)行里程增加而逐漸增加，0～10萬km內(nèi)增長速率(1.8～2.0 mm/10萬km)略大于10～20萬km內(nèi)的(0.7～0.5 mm/10萬km)。動車和拖車踏面磨耗未見明顯差異(見圖2)。

圖1 不同鏇后運(yùn)行里程下車輪踏面磨耗分布

圖2 動車和拖車踏面磨耗情況對比

2.2 輪緣磨耗

計(jì)算輪緣磨耗時，根據(jù)輪緣最高點(diǎn)將實(shí)測磨耗踏面與標(biāo)準(zhǔn)踏面對齊，計(jì)算輪緣厚度測量位置的橫向磨耗量。由于902、905、910、915號列車全列已進(jìn)行了鏇修，鏇修時采用薄輪緣經(jīng)濟(jì)鏇修方案，鏇后各車輪的輪緣厚度不同，故在輪緣磨耗統(tǒng)計(jì)時不考慮上述車組。

如圖3所示，鏇后運(yùn)行2.5萬km輪緣磨耗量約為1.3～2.3 mm，后續(xù)隨著鏇后運(yùn)行里程增加而略有增加，到達(dá)鏇修周期時輪緣磨耗量約為2.5～3.5 mm。動車和拖車輪緣磨耗無明顯差異(見圖4)。圖5 給出了不同鏇后運(yùn)行里程下左右側(cè)輪緣磨耗的分布情況，利用盒裝圖統(tǒng)計(jì)的方法表示一列車左右側(cè)車輪差異，發(fā)現(xiàn)按照25%～75%分位數(shù)統(tǒng)計(jì)，右側(cè)車輪輪緣磨耗大于左側(cè)，差值約為0.5～1.0 mm。

圖3 不同鏇后運(yùn)行里程下車輪輪緣磨耗分布

圖4 動車和拖車輪緣磨耗對比圖

2.3 平穩(wěn)性

選取運(yùn)營里程接近20萬km的908號列車的6車和5車進(jìn)行平穩(wěn)性測試，測試區(qū)間為深圳灣公園站至文錦站往返，運(yùn)行狀態(tài)為空載。深圳灣公園站至文錦站區(qū)間每站停車，返程時，由于線路維護(hù)僅部分車站停車。

圖5 不同鏇后運(yùn)行里程下左右側(cè)車輪輪緣磨耗情況對比

2.3.1 深圳灣公園站至文錦站平穩(wěn)性

如圖6所示，橫向平穩(wěn)性小于2.0，約為1.7～1.8，符合標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)秀評定，動車和拖車無明顯差異；垂向平穩(wěn)性指標(biāo)基本小于2.0，僅個別區(qū)段(孖嶺站—銀湖站、紅嶺北站—園嶺站)約為2.0～2.2，符合標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)秀評定，動車和拖車相當(dāng)。上述局部區(qū)段拖車(作為尾車)的平穩(wěn)性指標(biāo)略大于動車的。

a) 橫向平穩(wěn)性狀態(tài)

b) 垂向平穩(wěn)性狀態(tài)

2.3.2 文錦站至深圳灣公園站平穩(wěn)性

如圖7所示，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)基本小于2.0，部分區(qū)段約為2.0～2.5，符合標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)秀評定；垂向平穩(wěn)性指標(biāo)基本小于2.0，個別區(qū)段約為2.0～2.5，符合標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)秀評定。拖車的平穩(wěn)性指標(biāo)(作為頭車)略大于動車。

a) 橫向平穩(wěn)性狀態(tài)

b) 垂向平穩(wěn)性狀態(tài)

2.4 車輪踏面表面狀態(tài)

如圖8所示，車輪踏面表面未見嚴(yán)重剝離、疲勞裂紋、多邊形磨耗等現(xiàn)象；在輪緣根部和踏面端部存在明顯接觸光帶，這與運(yùn)行線路曲線較多有關(guān)；由于通過小曲線貼靠鋼軌，輪緣部分出現(xiàn)碾壓堆積、掉皮等現(xiàn)象。

a) 光帶 b) 掉皮c) 堆積

2.5 鏇修質(zhì)量

910號列車于2018年5月11日進(jìn)行了全列鏇修，5月18日對全列進(jìn)行了踏面外形測試，鏇后運(yùn)行僅0.5萬km。為減少輪徑鏇修量，鏇修采用薄輪緣經(jīng)濟(jì)鏇修外形，踏面部分(橫向-20～60 mm)與標(biāo)準(zhǔn)LM型踏面外形基本一致(見圖9)，偏差基本小于0.2 mm，鏇修質(zhì)量未見異常。

對深圳地鐵9號線輪緣嚴(yán)重磨耗車輛的車輪狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)測分析，現(xiàn)總結(jié)如下：

(1) 908號列車的5車、6車在上下行區(qū)間內(nèi)平穩(wěn)性指標(biāo)基本小于2.0，個別區(qū)段約為2.0-2.2，均小于2.5，符合標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)秀評定要求。

圖9 實(shí)測新鏇修踏面與標(biāo)準(zhǔn)踏面對比

(2) 單鏇修周期內(nèi)踏面名義滾動圓處磨耗量約為2.5 mm，10萬km前磨耗速率略大于10～20萬km的，動車和拖車無明顯差異；輪緣磨耗量約為2.5～3.5 mm，左右側(cè)存在明顯差異，與車輛長期同向運(yùn)行有關(guān)。

3 結(jié)論

(1) 車輪輪緣中部僅有微細(xì)裂紋時可暫時不必處理，此時對車輛動力學(xué)性能等并無影響，但當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)剝離現(xiàn)象時則須進(jìn)行鏇輪處理。

(2) 考慮到深圳地鐵9號線列車運(yùn)行里程達(dá)到12萬km左右時出現(xiàn)車輪輪緣嚴(yán)重磨耗現(xiàn)象，并伴有剝離現(xiàn)象，為確保列車的運(yùn)行品質(zhì)，暫時建議車輛運(yùn)行里程達(dá)到12萬km時，對車輪踏面進(jìn)行鏇修處理。

(3) 線路設(shè)計(jì)初期增加車輛掉頭線，以防止列車因單向運(yùn)行而增加車輪輪緣的嚴(yán)重磨耗。

(4) 車輪輪緣的嚴(yán)重磨耗現(xiàn)象，主要涉及輪軌的配合關(guān)系。在對車輛踏面狀態(tài)檢測的同時，需對線路的軌道半徑、軌道超高等參數(shù)進(jìn)行檢查確認(rèn)，以便進(jìn)一步確認(rèn)列車通過速度是否合適。同時比較列車實(shí)際通過曲線速度與限制速度間的差異。如有可能，建議考慮在小曲線區(qū)段適當(dāng)降速運(yùn)行，以降低曲線通過時輪軌間的橫向力，或者設(shè)置軌旁潤滑裝置，以降低輪軌摩擦力。