地鐵車輛輪對失圓規(guī)律及其應(yīng)對策略的研究

卞正

地鐵列車的空氣制動(dòng)形式一般有踏面制動(dòng)和盤形制動(dòng)兩種，在客流較小、站間距較長的線路，地鐵車輛的運(yùn)行速度較快，一般采用盤形制動(dòng)。從目前的地鐵車輛運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)來看，使用盤形制動(dòng)的列車更容易產(chǎn)生輪對失圓問題。輪對失圓就是指輪對在短期運(yùn)營后產(chǎn)生了較高的輪對徑向跳動(dòng)，這種徑跳使得輪對成為不規(guī)則的多邊形，根據(jù)多邊形的邊數(shù)，可以分為高階多邊形與低階多邊形。

1.輪對失圓原因的探索

南京地鐵首次發(fā)現(xiàn)輪對失圓是在四號線的列車上，大約在運(yùn)營三個(gè)月內(nèi)，初次鏇修就發(fā)現(xiàn)輪對的徑跳值非常大。隨著對不同列車的測量，發(fā)現(xiàn)輪對失圓影響列車眾多，而且徑跳值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出輪對鏇修標(biāo)準(zhǔn)。為了找出造成輪對失圓的原因，開始研究各方面可能的因素的影響。

1.1輪軌振動(dòng)分析

通過鏇修前與鏇修后的振動(dòng)頻率分析，軸箱振動(dòng)中50-100Hz能量帶為其固有頻率，這可能來自軌下或者軸箱。而多邊形車輪使軸箱振動(dòng)在鏇修前存在大量車輪轉(zhuǎn)頻倍頻，這些倍頻與軸箱的固有頻率帶共振而成為軸箱垂向的振動(dòng)主頻。

圖二是車輪在鏇修前與鏇修后在不同區(qū)段上的振動(dòng)表現(xiàn)，從振動(dòng)頻譜來看，鏇修后的輪對，也就是消除了多邊形影響后，輪對軸箱振動(dòng)中50-100Hz的固有頻率能量帶在不同形式的軌道板上存在差異，這說明該能量帶是來自于軌道。

從振動(dòng)測試結(jié)果看，該特征頻帶內(nèi)軸箱的振動(dòng)在普通道床與ZX-2型扣件配合的軌道上最惡劣，主頻約55Hz。該特征頻率帶在不同速度下、不同路段內(nèi)以不同階次的轉(zhuǎn)頻倍頻為主頻，說明該振動(dòng)并非由車輪失圓單一元素造成，而是車輪失圓與軸箱固有頻率帶的共振所致。

1.2不同軌道下輪軌接觸P2力響應(yīng)

在整體道床與ZX2型扣件的組合中，其振動(dòng)的主要頻率是58Hz左右，車輪多邊形頻率在55Hz左右，兩者頻率接近，輪軌接觸系統(tǒng)產(chǎn)生P2力共振，這也導(dǎo)致軸箱振動(dòng)能量放大。

在整體道床與剪切型扣件的組合中，車輛通過時(shí)鋼軌垂向位移、加速度均為主頻為65Hz左右的小幅振動(dòng)，主要為車輪多邊形引起的強(qiáng)迫振動(dòng)，而對應(yīng)時(shí)刻軸箱加速度上此頻率不明顯，輪軌未發(fā)生耦合振動(dòng)。

綜上可以得出，當(dāng)車輛運(yùn)行于整體道床與ZX2扣件配合的軌道時(shí)，輪軌接觸固有的響應(yīng)為軸箱垂向振動(dòng)主頻，頻率約為58Hz，在此頻率下共振十分明顯，車輛也因此振動(dòng)異常。

1.3運(yùn)營數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

為了更好地評價(jià)輪對失圓的速率，在運(yùn)營數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中，采用徑跳發(fā)展率作為主要的評價(jià)指標(biāo)。徑跳發(fā)展率是指每一萬公里輪對徑跳變化的多少，所以有定義：徑跳發(fā)展率=兩次測量的徑跳值之差/公里數(shù)（萬公里）。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)所有列車的歷史數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)平均徑跳發(fā)展率與輪對的輪徑值有明顯的正比例關(guān)系，如圖四所示：

由上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出來，徑跳發(fā)展率的大小與輪徑有著明顯的關(guān)聯(lián)性。隨著輪徑的減小，徑跳發(fā)展率迅速下降（平均值能達(dá)到90%左右），并且在輪徑值降低至825mm之后，徑跳發(fā)展率趨于平穩(wěn)，變化幅度明顯減小。

1.4輪對材質(zhì)的影響

為了找出失圓的根本原因，對發(fā)生失圓的輪對進(jìn)行了金相組織分析，其結(jié)果如圖五：

可以發(fā)現(xiàn)，硬度較高的上貝氏體都分布在輪對的表面存在，然后統(tǒng)計(jì)其他地鐵與失圓線路的輪對和鋼軌的硬度，其結(jié)果下表：

從表一的有限統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，在輪對的標(biāo)準(zhǔn)硬度范圍內(nèi)，取其下限比取其上限要更好，也就是輪對材質(zhì)越軟對控制輪對失圓來說越好。

2.輪對失圓帶來的實(shí)際問題與應(yīng)對策略

輪對失圓帶來的問題有很多，其中較為突出的問題就是列車振動(dòng)問題和輪對過快消耗的問題，而列車振動(dòng)不僅僅帶來乘客的乘坐舒適度的降低，更重要地是這種振動(dòng)有強(qiáng)大的破壞力，對轉(zhuǎn)向架的軸承、懸掛裝置、管路和構(gòu)架都會(huì)造成不可逆的損傷。從線路的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)來看，這種破壞性的問題是最難以預(yù)防和處理的，下面只從運(yùn)營維護(hù)的角度從幾個(gè)方面淺談這些問題的應(yīng)對措施。

2.1失圓振動(dòng)造成的次生問題的預(yù)防和處理

輪對失圓的次生問題是一個(gè)大類，其中轉(zhuǎn)向架方面主要又有軸承問題、懸掛裝置問題、管路問題和構(gòu)架問題。

2.1.1軸承問題

輪對軸承的問題由于其隱蔽性，實(shí)際上很難在平時(shí)的檢修作業(yè)中被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)閯?dòng)態(tài)軸承依靠人體是無法感知的，而且一般的振動(dòng)測試設(shè)備也很難在平時(shí)運(yùn)營過程中找到這類故障。對于軸承類故障，主要的方向還是發(fā)現(xiàn)問題。輪對軸承的日常檢修，只需要關(guān)注軸承的油脂和溫度是否異常之類的常規(guī)檢查即可，想要達(dá)到早發(fā)現(xiàn)、早處理，必須借助于聲學(xué)軸承檢測設(shè)備。

目前的軌旁聲學(xué)檢測設(shè)備已經(jīng)達(dá)到了比較可靠的水平，經(jīng)過匹配相應(yīng)的特征頻率，聲學(xué)設(shè)備的檢測準(zhǔn)確率能在90%以上。然后根據(jù)檢測結(jié)果再進(jìn)行振動(dòng)復(fù)測，基本上可以在軸承發(fā)生問題的前期將隱患消滅。

2.1.2懸掛裝置

這里的懸掛主要是一系懸掛的問題，一系懸掛包括垂向減震器和鋼彈簧。在發(fā)生失圓問題的線路，想要迅速地、準(zhǔn)確地、一勞永逸地解決問題是非常困難的，目前的主要方法還是依靠鏇修保持輪對廓形。但是鏇修還需要考慮列車數(shù)量以及經(jīng)濟(jì)性的問題，它無法完全解決問題，只能減小失圓的影響。所以一般在失圓線路減震的滲油問題十分嚴(yán)重，甚至容易發(fā)生垂減的斷裂。在無法避免此類的問題的前提下，檢修人員必須十分關(guān)注減震器和鋼彈簧的狀態(tài)。車輛檢修應(yīng)在月修規(guī)程中要求檢修人員必須對懸掛裝置進(jìn)行觸摸檢查，防止出現(xiàn)減震器斷裂而未發(fā)現(xiàn)的問題。除上述主要部件之外，對于二系懸掛中的抗側(cè)滾扭桿的連桿也要尤其注意。一般在線路配備有巡檢人員，這是難得的動(dòng)態(tài)檢查機(jī)會(huì)，巡檢人員應(yīng)加強(qiáng)對車下異響的關(guān)注度，做到盡早發(fā)現(xiàn)故障。

2.1.3氣管路問題

振動(dòng)的影響無處不在，氣管路是深受其害。氣管路的接頭處比較脆弱，一些接頭在出廠連接時(shí)由于安裝位置的問題，在連接螺母的邊緣常常存在較高的應(yīng)力集中，振動(dòng)放大了這些應(yīng)力的影響，時(shí)間一長容易造成管路崩斷或者裂紋漏氣。這在很多地鐵線路都出現(xiàn)過，預(yù)防這些問題除了要在設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)防護(hù)意識，在已經(jīng)運(yùn)營的線路尤其要注意月檢加強(qiáng)檢查氣管路的狀態(tài)，利用測漏劑及時(shí)檢出問題加以處理。

2.1.4其他問題

其他問題就是失圓對轉(zhuǎn)向架上其他部件的問題，例如構(gòu)架。按照設(shè)計(jì)壽命，構(gòu)架實(shí)際上不容易出現(xiàn)問題，但是輪對失圓會(huì)明顯加速疲勞過程，使得曾經(jīng)不需要花費(fèi)很多精力的地方必須加強(qiáng)檢查力度，以求在問題發(fā)生的早期發(fā)現(xiàn)它。還有一些掛載信號設(shè)備的橫梁、懸掛臂之類，由于設(shè)備在橫梁中間或者懸掛臂的端部，其振動(dòng)會(huì)明顯加速端部的疲勞。在沒有失圓影響時(shí)，按照設(shè)計(jì)要求其強(qiáng)度是合理的，但是當(dāng)失圓放大了振動(dòng)，并且長期放大這種振動(dòng)時(shí)，材料的強(qiáng)度將受到很大的考驗(yàn)。

2.2輪對過快消耗的問題

發(fā)生失圓的線路一般輪軌關(guān)系較差，又因?yàn)槭A需要長期進(jìn)行鏇修修形，所以失圓線路的列車輪對消耗速率非常快，筆者做過一些統(tǒng)計(jì)：

可以發(fā)現(xiàn)，失圓線路的輪徑消耗速率可以達(dá)到正常線路的2.5倍，相對而言，失圓線路的輪對壽命只有正常線路的40%，這對運(yùn)營而言時(shí)一筆很高的成本支出。但是鏇修又是必須的，否則列車振動(dòng)將會(huì)帶來更加難以預(yù)料的后果。所以，研究鏇修策略就非常有必要了，這是在既定條件下必須做出的選擇。一般正常的線路鏇修策略是故障鏇修，在發(fā)生失圓的線路，為了保證線路運(yùn)營質(zhì)量以及緩解人員和設(shè)備的集中壓力，計(jì)劃鏇修是值得考慮的選項(xiàng)。

2.2.1輪徑消耗速率的影響因素

一些地鐵的鏇修模式采用的是早期的鐵路標(biāo)準(zhǔn)，鏇床的鏇修模式只有LM26、LM28、LM30、LM32幾種偶數(shù)型。而我們通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)了一些問題：

圖六的具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果在表三中：

從圖六可以看出，當(dāng)輪緣厚度大于32mm時(shí)，切削量基本維持不變，在小于32mm時(shí)有明顯的起伏特征，從上表統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以看出，當(dāng)輪緣厚度在28mm至30mm以及31mm至32mm的區(qū)間時(shí)，鏇修切削量明顯較高，這剛好與我們鏇修模式相對應(yīng)。

然后再來看一看切削量與徑跳值之間的關(guān)系：

上面的圖表說明較大的徑跳帶來了較大的切削，但是由于徑跳變化導(dǎo)致切削增加的閾值在0.5mm以上，實(shí)際上輪對徑跳值在0.5mm之前大部分已經(jīng)被鏇修修復(fù)。所以綜上可以得出，我們的鏇修模式對輪對輪徑消耗有較大的影響。

鐵路的輪對鏇修標(biāo)準(zhǔn)近年也進(jìn)行了更新，踏面廓形增加了LM27，LM27.5，LM29，LM29.5，LM31，LM31.5七種，這也為地鐵探索經(jīng)濟(jì)型鏇修提供了依據(jù)。這項(xiàng)工作在失圓發(fā)生的早期越能體現(xiàn)出優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性，在失圓后期，由于徑跳發(fā)展率趨于平穩(wěn)，其能利用的空間逐漸收窄，經(jīng)濟(jì)性將顯著降低。在開展一段時(shí)間的經(jīng)濟(jì)性鏇修后，能明顯減少因適應(yīng)鏇修模式造成的無效鏇修，這為地鐵運(yùn)營節(jié)約了成本。

綜上所述，車輪失圓的主要原因有：一是部分軌道的固有頻率與多邊形輪對的頻率產(chǎn)生共振;二是輪餅的硬度選擇偏向上限，造成硬度偏高，不利于失圓控制。失圓造成的主要問題有：一是降低乘客舒適度;二是對轉(zhuǎn)向架部件造成難以預(yù)料的不可逆損傷;三是輪對鏇修的成本壓力。

針對以上研究，失圓問題的對策有：一是新線建設(shè)時(shí)要綜合考慮輪軌耦合振動(dòng)的特性，選擇適合的軌道扣件;二是聯(lián)系車輪廠商，研究并控制車輪中有害材質(zhì)的含量和分布，增加車輪原胚尺寸以獲得性能更好的輪餅;三是運(yùn)營需要加強(qiáng)對轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的各類部件的檢查，引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，對部件的隱患進(jìn)行掃除;四是研究分析線路運(yùn)營數(shù)據(jù)，選擇合適的鏇修策略，增加鏇修經(jīng)濟(jì)性以節(jié)約成本。