南京地鐵4 號線車輪失圓問題分析

李家棟

（南京地鐵運營有限責任公司 車輛分公司， 南京 210012）

輪對是轉向架中重要的部件之一，也是影響車輛運行安全性的關鍵部件之一［1］。車輪不圓度將會使車輛產生附加振動、沖擊、噪聲，影響車輛的平穩性，對列車運行安全造成嚴重威脅［2］。

南京地鐵4 號線列車采用B 型鼓形車體6 輛編組，編組形式為Tc+Mp+M+M+Mp+Tc，最高運行速度100 km/h，采用輪盤制動方式，車輪為整體輾鋼車輪，材質為ER9，踏面型式采用了LM 型踏面。

1 車輪失圓問題概況

自2017 年3 月，在檢修動調和正線運營中陸續發現部分車輛轉向架有明顯抖動并伴隨節奏性異音。目測檢查異常轉向架車輪踏面無擦傷、剝離，旋床測量發現普遍存在0.3 mm 及以上的徑跳，有的徑跳甚至不足0.3 mm，旋修后抖動和異音現象消失。

該線路車輪失圓呈現出以下特點：（1）出現早，且呈爆發態勢。055C 車首次旋修時走行里程僅16 634 km，最大徑跳為0.45 mm。首次旋輪里程不足75 000 km（約6 個m 的運營里程）達到85輛，占總車輛數48%；（2）大小號車差異性顯著，大號車失圓快且多，小號車則較正常；（3）車輪失圓后，轉向架振動和噪音狀態顯著，在不同速度和區段下表現有所差異。

2 車輪失圓特征分析

2.1 大小號車失圓差異性分析

為將車輪失圓研究建立在統一的數據評價基礎上，特定義徑跳發展率這一概念，徑跳發展率是指車輪每走行10 000 km 徑跳的增加值（旋修后默認徑跳為0）。

收集首輪旋修時的徑跳數據，展開對比分析。按車最大值均值是將每列車以輛為單位，每輛車選取最大徑跳發展率，同列6 輛車的均值代表該列的最大徑跳發展水平如圖1 所示。按輪均值是將每列車48 個車輪的徑跳發展率取均值。

圖1 各車徑跳發展率對比

以首輪旋修數據中174 輛車最大徑跳發展率為基礎，按0.05 mm/萬km 設一個等級區間，將所有數據分為4 個等級（<0.05 mm/萬km、0.05～0.1 mm/萬km、0.1～0.15 mm/萬km、≥0.15 mm/萬km）。174 輛車中，45 輛徑跳發展率<0.05 mm/萬km，其中T1-T14 列中有44 輛，占98%；69 輛徑跳發展率≥0.1 mm/萬km，其中T15-T19 列中有66 輛，占96%。小號車T1-T14 徑跳發展率較小，失圓速率慢，而大號車T15-T29 徑跳發展率較大，失圓速率快。

2.2 不同輪徑下的徑跳發展趨勢

隨著失圓—旋修的周而復始，車輪直徑在不斷減小，失圓的速率也隨之發生了變化。選取T1和T2 兩列小號車，輪徑自814～838 mm 之間的424組數據，代表小號車徑跳發展與輪徑的關系，如圖2 所示。同時，選取T23 和T24 兩列大號車，輪徑自810～840 mm 之間的824 組數據，代表大號車徑跳發展與輪徑的關系，如圖3 所示。

圖2 小號車徑跳發展與輪徑變化關系

圖3 大號車徑跳發展與輪徑變化關系

通過對相關數據的整理分析，大、小號車徑跳發展率最大值和均值的峰值都出現在830～834 mm之間；大號車在830 mm 以下徑跳發展率迅速衰減，825～829 mm 區間的徑跳發展率均值（0.035 mm/萬km）僅為830～834 mm 區間徑跳發展率均值（0.13 mm/萬km）的27%；大、小號車在825 mm 以下徑跳發展率幅值趨于穩定；820 mm 以下大號車徑跳水平與小號車基本持平。

2.3 車輪失圓形貌特征

經實測，車輪徑跳分布無明顯規則多邊形現象，但在低階（1-10 階）不圓均處于較高幅值。車輪在旋修后隨著走行里程的增加，失圓從局部開始發展，逐步向整個圓周復制，偏心、4-7 階不圓現象逐漸突出，如圖4 所示。

圖4 車輪不圓度曲線

3 原因調查及分析

結合4 號線車輪失圓的大小號車差異性、運營中的振動和噪音水平，重點考慮車輪材質和輪軌長期振動的激勵作用2 方面的影響。就車輪材質方面而言，輪軌運動是一種滾滑混合的復雜摩擦運動，輪軌之間會持續產生擠壓和摩擦。若車輪材質不均，一旦輪軌接觸應力過大，就會導致接觸塑性流動磨損，而磨損的部分就會出現缺陷，進而出現輪徑偏差大的現象。而就輪軌長期振動的激勵作用而言，隨著車輛的持續運行，車輪踏面狀態必然將發生改變，因車輪初始不圓導致的來自輪軌的激勵作用也難以避免。在長期高速運營后，將導致車輪在圓周方向長期規則受力出現周期性不圓順的形變［3］。

3.1 轉向架和輪對對調對比分析

大小號車失圓差異性是否與轉向架相關，還是單純與輪對相關？為此，選擇將T4 車單數單元轉向架與T26 車單數單元轉向架整體對調，同時將T4 車雙數單元輪對與T26 車雙數單元輪對對調，見表1。原T26 輪對裝在T4 上，走行約4 萬km 即有4 個輪徑跳超0.3 mm，1 個輪徑跳超0.4 mm。原T4 輪對裝在T26 上，走行約7 萬km 僅出現1個輪徑跳超0.1 mm，約18 萬km 未出現徑跳超0.3 mm。

表1 T4 與T26 對調后徑跳發展統計

數據分析發現：（1）將T4 雙數單元輪對與T26雙數單元輪對對調，原T4 車輪未在T26 轉向架上發生快速失圓，原T26 車輪在T4 轉向架上仍然出現了快速的失圓現象，初步證明轉向架與失圓差異性無明顯關聯。（2）大小號車失圓差異性主要與車輪本身相關。T4 原車輪在對調前后徑跳發展平穩、緩慢，T26 原車輪在對調前后徑跳發展始終處于快速不穩定狀態，幅值的顯著下降應與2 次數據采集所處的不同輪徑狀態有關。

3.2 車輪爐號批次和硬度分析

4 號線車輪為國內同一廠家供貨，理論上采用的生產工藝、流程均為同一標準，業主和供應商仍從車輪爐號批次和硬度2 個方面展開了深入調查。車輪爐號批次調查發現，29 列車1 392 個車輪，共分20 個不同爐號批次，其中00452、00453、01193、01198、01474、01480、02524、02810、02811 爐號的車輪分布在T1-T10 車上，占比達91.9%；01031、01032、01038、02030、02748、02749、02854 爐號的車輪分布在T19-T29 車上，占比達87.7%。這與大小號車失圓差異性的分布特征有較高吻合度。

隨機選取4 列車共計11 個車輪，用便攜式布氏硬度計對輪輞外側面距離倒角約5 mm 位置（單點位）測量硬度，平均值286 HB，最大值298 HB，最小值265 HB，所測硬度符合EN 13262-2004［4］標準中對ER9 車輪硬度的規定。

選取036A 車4 個車輪，對輪輞外側面距離倒角約5 mm 位置6 個點（圓周分布60°位置）測量硬度，數據見表2，這4 個車輪硬度均值相差不大，每個車輪中6 個點位差值最大的是20 HB，最小的是13 HB。

由文獻［5］研究可知，車輪踏面磨耗形貌與車輪踏面表面硬度大小分布有關。由表2 可以看出同一車輪在圓周方向材質的硬度并不均勻，車輪踏面硬度也將隨之波動，波動幅值因輪而異。結合大小號車與爐號批次之間的對應吻合現象，可以推測不同爐號批次的熱處理對踏面圓周方向硬度控制所得的實際效果有較大差異，很可能是大小號車失圓差異性的主要原因。

表2 輪輞外側面硬度（圓周方向6 點位） 單位：HB

3.3 輪軌振動特性分析

為調查輪軌振動對失圓造成的影響，聯合某國家重點實驗室選取T18 車在全線開展了動力學測試，測試結果如下：

4 號線軸箱振動在不同路段頻率特性差異較大，在整體道床+ZX2 扣件，50～60 Hz；整體道床+剪切/壓縮扣件，30 Hz；鋼彈簧浮置板+ZX2 扣件，80 Hz。車輪中存在的多邊形使軸箱振動在旋修前存在大量車輪轉頻倍頻，軸箱垂向振動存在大量以車輪轉頻為間隔的頻率帶，如圖5 所示。

圖5 軸箱垂向振動（雞鳴寺—鼓樓下行）

（1）鋼彈簧浮置板道床

輪軌接觸時鋼軌、道床均存在66 Hz 振動，道床幅值大于軌道，頻率更單一，相位滯后于鋼軌。輪軌接觸后，浮置板中該頻率成分依然存在，但在鋼軌中迅速衰減，如圖6 所示。

圖6 鋼彈簧浮置板振動特性

（2）整體道床+剪切扣件

車輛通過時，鋼軌垂向位移、加速度均為主頻65 Hz 左右小幅振動，如圖7 所示。對應時刻軸箱加速度此頻率不明顯，輪軌未發生耦合振動，如圖8 所示。

圖7 整體道床+剪切扣件振動特性

圖8 整體道床+剪切扣件環境下軸箱垂向振動特性

（3）整體道床+壓縮扣件

輪軌接觸時，鋼軌加速度無單一主頻，如圖9所示，對應時刻軸箱加速度在100 Hz 以下無頻率集中，如圖10 所示。

圖9 整體道床+壓縮扣件振動特性

圖10 整體道床+壓縮扣件環境下軸箱垂向振動特性

（4）整體道床+ZX2 扣件

車輪經過時，鋼軌發生58 Hz 浮沉振動，同一時刻軸箱垂向加速度主頻58 Hz，輪軌接觸瞬間鋼軌位移與加速度均達到最大，如圖11 所示。此時輪軌接觸系統產生同相耦合振動，即P2 模態振動。測試發現當車輪多邊形頻率與P2 頻率接近時，輪軌接觸系統產生P2 力共振，導致軸箱加速度幅值放大，如圖12 所示。

圖11 整體道床+ZX2 扣件振動特性

圖12 整體道床+ZX2 扣件環境下軸箱垂向振動特性

經統計，4 號線整體道床+ZX2 扣件全線敷設比例為55.62%，在此類軌道上輪軌間客觀存在的低頻響應力P2 是4 號線車輪失圓特征頻率的主要來源。綜上結果并結合運用實踐可以看出，同一車輪在不同的軌道區段上振動和噪音水平有較大差異，而在特定軌道區間上形成的P2 力共振，致使輪軌接觸應力增大，接觸塑性流動磨損加劇，一定程度上加快了車輪失圓的速率，使輪軌關系持續惡化。

4 結束語

（1）4 號線車輪失圓存在明顯的大小號車差異。

（2）4 號線車輪失圓大小號車差異性主要取決于車輪本身，與轉向架無直接關聯。大號車失圓速率隨著輪徑的減小逐漸趨于穩定，820 mm 以下大號車徑跳水平與小號車基本持平。

（3）大號車輪對迅速失圓是因車輪爐號批次品質問題造成，踏面圓周方向硬度不均勻可能是根本原因。可以推測，大號車徑跳隨輪徑的減小而迅速衰減現象，反映出車輪的材質不均在踏面表層表現更為突出，而內里層的均勻性逐漸改善。EN 13262-2004 標準中規定同爐同一熱處理批次的車輪硬度波動≤30 HB，據魏葦等［6］對地鐵車輪不圓度與硬度分布的研究成果，建議進一步優化相關行業標準，規范車輪名義滾動圓圓周方向上所有點硬度的偏差和離散度控制要求，提高車輪圓周方向及徑向踏面硬度的均勻性。

（4）當車輪多邊形頻率與P2 頻率接近時，易激發輪軌接觸系統產生P2 力共振，軸箱加速度幅值放大，這種長期的輪軌共振激勵一定程度上加速了車輪失圓，同時也迫使轉向架振動和噪音加劇。