基于踏面清掃裝置的地鐵車輪鏇修周期改善研究

伍安旭 陳 遜 吳 波 馮 暢 溫士明 汪冬冬

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司， 213011， 常州∥第一作者， 高級工程師)

車輛車輪非圓化磨耗現(xiàn)象一直是城市軌道交通行業(yè)未能徹底解決的難題[1]。車輪非圓化磨耗將引起車輛-軌道系統(tǒng)強烈的振動和噪聲，嚴(yán)重影響車輛運行品質(zhì)、旅客乘坐舒適度和車輛-軌道系統(tǒng)各個零部件的使用壽命[1-2]，甚至將會威脅到列車運行安全。為確保列車安全運行，需頻繁地鏇修車輪，以恢復(fù)車輪的初始廓形。而頻繁鏇修車輪縮短了車輪的鏇修周期，增加了地鐵公司維保工作的開支[3]。

確保車輪的相關(guān)參數(shù)尺寸始終處于安全的使用范圍內(nèi)，同時盡可能延長車輪鏇修周期，減少車輪維護成本等問題，始終是地鐵公司關(guān)注的重點。文獻(xiàn)[4]采用SIMPACK軟件建立了地鐵車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型，從車輪橫向磨耗和周向磨耗兩個方面分析車輪的磨耗形成和發(fā)展規(guī)律，并基于動力學(xué)性能提出不同車輪多邊形階次下不圓度的鏇修安全限值，給出了一種較為經(jīng)濟的車輪鏇修模板自動匹配策略。文獻(xiàn)[5]通過車輪踏面和輪緣的幾何參數(shù)尺寸建立了基于高斯過程的車輪磨耗模型，并在此基礎(chǔ)上，以車輪期望最大使用壽命及期望最少鏇修次數(shù)為指標(biāo)，利用蒙特卡羅仿真方法，分析了不同鏇修策略的鏇修結(jié)果，實現(xiàn)了鏇修維護策略的優(yōu)化。文獻(xiàn)[6]從安全性和經(jīng)濟性的角度對車輪的鏇修切削量進行了分析，提出了經(jīng)濟型薄輪緣鏇修的車輪磨耗切削取值和擦傷取值，在保證車輛運行安全性的前提下提高車輪切削的經(jīng)濟性。文獻(xiàn)[7]從車輪的磨耗形式入手，針對原有鏇修策略的經(jīng)濟成本進行分析，對等級鏇修策略的切削取值進行了探討，提出車輪等級鏇修的檢修標(biāo)準(zhǔn)，以保證在車輛運行安全的前提下降低車輪維護成本。

本文基于踏面清掃裝置在線實時研磨車輪踏面的功能，保持車輪踏面相關(guān)幾何參數(shù)不變，對地鐵車輪鏇修周期的改善效果開展試驗研究。

1 踏面清掃裝置簡介

踏面清掃裝置由機械結(jié)構(gòu)踏面清掃器和摩擦體研磨子組成，如圖1所示。研磨子是由樹脂、纖維和填料組成的復(fù)合材料。踏面清掃裝置動作時活塞桿機構(gòu)推動研磨子，實現(xiàn)研磨子與車輪踏面的貼合，從而達(dá)到在線實時研磨車輪踏面的功能。

圖1 踏面清掃裝置Fig.1 Tread cleaning device

研磨子的長度為125 mm，寬度為83 mm，硬度為120 HRR(塑料洛氏硬度)，作用壓力為0.3 MPa。研磨子動作加載方式為車輛到站開始制動時，以一定節(jié)拍間歇施加研磨子動作。

2 車輪相關(guān)幾何參數(shù)檢測方法

2.1 車輪非圓化磨耗檢測

本文采用接觸式測試設(shè)備直接檢測車輪非圓化磨耗。該設(shè)備的使用方法及數(shù)據(jù)采集原理見文獻(xiàn)[8]。

為量化評價車輪非圓化磨損程度，車輪粗糙度水平Lr,k定義如下：

(1)

式中：

rk——車輪非圓化數(shù)據(jù)f(x)的均方根值在1/3倍頻程k中進行的量化[9]；

rref——車輪粗糙度的參考值。

2.2 車輪橫向廓形檢測

車輪輪緣踏面采用LM型面。引入控制參數(shù)FH、FT和QR來評價車輪的磨耗情況，F(xiàn)H、FT和QR分別表示輪緣高度、輪緣厚度和輪緣綜合值，如圖2所示。這3個控制參數(shù)的定義如下：

1)定義距離輪背70 mm的踏面處為P0點，P1點為輪緣最高點向下2 mm處，P2點為距離P0點垂向向上12 mm 處。

2)輪緣高度FH為輪緣最高點與P0點之間的垂向距離，輪緣厚度FT為輪背與P2點之間的水平距離，輪緣綜合值QR為P1點與P2點之間的水平距離。

車輪踏面磨耗量定義為P0位置的實測廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形的法向距離。

地鐵列車車輪采用LM型面，其標(biāo)準(zhǔn)型面FH、FT和QR的值分別為27.0 mm、32.0 mm和9.2 mm。

圖2 車輪磨耗控制參數(shù)的定義Fig.2 Definition of wheel wear control parameters

3 某地鐵列車車輪幾何參數(shù)檢測

3.1 工程概況

以國內(nèi)某條地鐵線路為例，該線路共有24列列車，選用6節(jié)編組 B型車，車輛設(shè)計速度為100 km/h，采用盤形制動方式，車輪材質(zhì)為ER9。該線路全長約36 km，共19個車站。

據(jù)地鐵運營公司統(tǒng)計，該線路自開通運營2年半以來，車輛平均鏇修周期為5萬km，鏇修原因主要為車輛振動較大。選取某列鏇修較為頻繁的車輛為試驗車進行全列鏇修，使車輪恢復(fù)到初始狀態(tài)，以便與后續(xù)試驗對比分析。鏇后的車輪圓度見圖3。

a) 1車1軸右輪

b) 6車4軸右輪圖3 鏇后的車輪圓度Fig.3 Rear wheel roundness after reprofiling

全列列車均已安裝踏面清掃裝置，如圖4所示。為了對試驗效果進行對比驗證，1車、2車、3車啟用踏面清掃裝置，4車、5車、6車不啟用踏面清掃裝置，如圖5所示。

試驗期間車輛正常載客運營，并定期跟蹤測試車輪的相關(guān)幾何參數(shù)。

3.2 地鐵列車車輪運用狀態(tài)調(diào)查

3.2.1 車輪非圓化磨耗分布

試驗車鏇后運行5.5萬km時，對車輪非圓化磨耗進行調(diào)查。為方便測量與管理，一般采用車輪徑跳值表征車輪非圓化的嚴(yán)重程度。車輪徑跳值是指車輪非圓化引起的車輪最大半徑與最小半徑的差值。圖6為試驗車運用5.5萬km時的車輪徑跳值統(tǒng)計。由圖6可見，1車—3車車輪徑跳值均小于0.1 mm;4車—6車大部分車輪徑跳值超過0.3 mm，且其最大值為0.8 mm。由此可見，4車—6車車輪徑跳平均值為0.4 mm，是1車—3車的7倍。

圖4 踏面清掃裝置裝車示意圖Fig.4 Schematic diagram of tread cleaning device loading

注：Tc1、Tc2為帶司機室的拖車；M1、M2為無受電弓的動車；Mp1、Mp2為有受電弓的動車;①、②、③、④分別為1軸、2軸、3軸和4軸。

圖6 試驗車運行里程達(dá)5.5萬km時的車輪徑跳值

圖7給出了1車1軸右輪和6車4軸右輪的非圓化形態(tài)，并與ISO 3095—2013規(guī)定的車輪表面粗糙度限值進行對比。圖7 a)中車輪圓度較好，與其鏇后的初始狀態(tài)相比，其圓度基本未發(fā)生變化，且所有階次下的車輪表面粗糙度均位于ISO 3095—2013規(guī)定的限值下方。圖7 b)中車輪較其鏇后已出現(xiàn)明顯的非圓化磨耗，主要表現(xiàn)為12階，該階次的車輪表面粗糙度為30 dB/μm，超過ISO 3095—2013規(guī)定的限值。

a) 1車1軸右輪

b) 6車4軸右輪圖7 試驗車部分車輪不圓度幅值Fig.7 Out-of-roundness wear range of some test vehicle wheels

圖8所示為試驗車所有車輪的非圓化磨耗。由圖8可見，1車—3車車輪的所有階次下的車輪表面粗糙度均位于ISO 3095—2013規(guī)定限值下方；4車—6車不同車輪的非圓化磨耗主要表現(xiàn)階次存在差異，且大部分車輪的部分階次超過ISO 3095—2013規(guī)定的限值，存在嚴(yán)重的非圓化現(xiàn)象。

a) 1車—3車所有車輪

b) 4車—6車所有車輪圖8 試驗車所有車輪表面粗糙度Fig.8 Surface roughness of all test vehicle wheels

3.2.2 車輪非圓化磨耗對軸箱振動的影響

為了研究車輪非圓化磨耗對其軸箱振動的影響，對車輛軸箱振動進行了測試，測試過程中車輛空載運行。考慮試驗條件的同等性，選取對稱分布且同側(cè)鋼軌上的1車1軸右輪和6車4軸右輪軸箱為測試對象，以便對比分析。

采用三向加速度計測量軸箱處的振動加速度。三向加速度計量程為±200g，采樣頻率為5 000 Hz。整個測試過程中，車輛運行、操作與正常載客運營一致。

圖9為1車1軸右軸箱和6車4軸右軸箱測點處垂向和橫向的振動加速度時程曲線。全線路共19個車站，分別對應(yīng)圖9中振動加速度為0的時刻，一般車輛到站停車時長為30 s。由圖9可見，6車4軸右軸箱的振動加速度明顯高于1車1軸右軸箱的振動加速度。

a) 垂向

b) 橫向圖9 1車1軸和6車4軸右軸箱振動加速度Fig.9 Vibration acceleration at right axle box of vehicle 1 axle 1 and vehicle 6 axle 4

采用全線路加速度總有效值對車輛的振動水平進行評價。加速度有效值作為線路不平順狀態(tài)和列車振動響應(yīng)關(guān)系規(guī)律的評判依據(jù)，反映了列車在運行過程中軸箱的振動規(guī)律。

考慮到車輛到站停車30 s時的振動加速度為0，不能反映輪軌振動狀態(tài)，因此計算整條線路上車輛軸箱振動加速度有效值時，剔除了到站停車30 s的軸箱振動加速度，見表1。由表1可知，6車4軸右軸箱垂向和橫向振動加速度有效值比1車1軸右軸箱分別高50.2%和63.0%。

表1 車輛軸箱振動加速度有效值

結(jié)合上述兩輪的非圓化磨耗情況可知，車輪非圓化磨耗將產(chǎn)生強烈的軸箱振動。

3.2.3 車輪非圓化發(fā)展規(guī)律

通過上述對試驗車車輪運用狀態(tài)的調(diào)查，4車—6車車輪運用5.5萬km后，大部分車輪的軸箱振動較大。考慮列車振動限制及運行安全，地鐵運營公司對4車—6車車輪進行了鏇修。為探討踏面清掃裝置對車輪鏇修周期的改善效果，持續(xù)跟蹤并統(tǒng)計1車—3車車輪的運用狀態(tài)。

圖10為1車1軸右輪非圓化跟蹤測試結(jié)果。圖10 a)和圖10 b)車輪徑跳值分別為0.04 mm和0.03 mm。由圖10可知，隨著車輛運行里程的增加，車輪圓度基本未發(fā)生改變；車輛運行里程達(dá)12萬km后，車輪徑跳值為0.03 mm，與鏇后車輪初始圓度基本相同。由此可推斷，隨著車輛運行里程的增加，踏面清掃裝置仍可保持鏇后車輪的圓度基本不變。由此可見，踏面清掃裝置可有效解決車輛在運行過程中產(chǎn)生的車輪非圓化磨耗現(xiàn)象的發(fā)生。

a) 車輛運行里程為7.1萬km

b) 車輛運行里程為12.0萬km圖10 1車1軸右輪不圓度幅值

4 地鐵車輪鏇修周期分析

4.1 車輪鏇修的影響因素

上述試驗研究表明，車輛運行過程中在踏面清掃裝置的作用下，車輪基本不會產(chǎn)生非圓化磨耗，即非圓化磨耗不再是車輪鏇修的影響因素。但這并不意味著車輪鏇修周期無限長。影響車輪鏇修的因素較多，如車輪踏面磨耗、擦傷、硌傷、輪緣高度、輪緣厚度等。其中，車輪擦傷和硌傷為鏇修的隨機因素，無法用于估算車輪的鏇修周期。因此，本文在研究踏面清掃裝置對車輪鏇修周期的改善效果時，忽略隨機因素對其的影響。

表2 地鐵車輪鏇修標(biāo)準(zhǔn)

目前，我國地鐵車輛暫無統(tǒng)一的鏇修標(biāo)準(zhǔn)，本文將參考表2所示的鏇修標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 車輪橫向磨耗分布

定期跟蹤1車—3車車輪的橫向廓形，并分析車輪橫向磨耗分布。由于測試車輪較多，圖11選取了1車1軸右輪的車輪磨耗結(jié)果進行詳細(xì)分析。圖11中的5條實線分別為4次車輪鏇后實測廓形，以及LM-32標(biāo)準(zhǔn)廓形。此外，圖11中的4條虛線為車輪磨耗量，該磨耗量為車輪實測廓形與LM-32標(biāo)準(zhǔn)廓形的法向距離。

注：坐標(biāo)原點位于LM-32標(biāo)準(zhǔn)型面廓形的名義滾動圓處。圖11 1車1軸右輪廓形磨耗測試結(jié)果Fig.11 Test results of vehicle 1 axle 1 right wheel profile wear

由圖11可見，車輪磨耗主要分布在踏面橫向-25～40 mm的范圍內(nèi)，主要表現(xiàn)為踏面磨耗；且該范圍內(nèi)的踏面磨耗較為均勻，未出現(xiàn)明顯的橫向凹坑磨耗。車輪踏面橫向凹坑磨耗是輪軌滾動摩擦接觸中的一種自然磨耗現(xiàn)象。車輪踏面出現(xiàn)凹坑磨耗會對車輛的運行平穩(wěn)性產(chǎn)生不利影響[10]。車輛鏇后運行12萬km后的等效錐度為0.13，與LM-32標(biāo)準(zhǔn)型面的等效錐度0.10相近。

4.3 車輪橫向磨耗與運行里程的關(guān)系

對測試的1車—3車車輪橫向廓形進行統(tǒng)計。圖12～14為車輪踏面磨耗量、輪緣厚度和QR與鏇后運行里程的關(guān)系。

由統(tǒng)計結(jié)果可知，踏面磨耗量、輪緣厚度和QR與鏇后運行里程呈線性增長關(guān)系；平均踏面磨耗速率為0.22 mm/萬km，平均輪緣厚度和QR增長速率相同，均為0.13 mm/萬km，主要原因是車輛運行過程中車輪輪緣幾乎未產(chǎn)生磨耗，如圖11所示。結(jié)合表2中各參數(shù)的鏇修限值，通過踏面磨耗量、輪緣厚度及QR隨車輛運行里程的發(fā)展規(guī)律，可獲得各參數(shù)達(dá)到鏇修限值時車輛的運行里程。考慮車輪磨耗具有離散性，采用圖12～14中函數(shù)表達(dá)式計算時將鏇修限值降低0.5 mm。

踏面磨耗量超限時，車輛運行里程為16萬km。輪緣幾乎未發(fā)生磨耗，且輪緣厚度隨車輛運行里程增加而增大，因此輪緣厚度不會超出鏇修限值。QR值超限時，車輛運行里程為14.6萬km。由此可見，鏇修周期受QR的制約，取為14.6萬km。由圖12可見，鏇后車輪踏面的初始QR為10.3 mm，而標(biāo)準(zhǔn)LM-32型踏面的QR約為9.2 mm。若要提高車輪鏇修質(zhì)量，保證鏇后QR處于9.2 mm附近，則QR到限時，車輛運行里程為23.1萬km，此時，車輪鏇修周期受踏面磨耗量制約，可取為16萬km。

圖12 車輪踏面磨耗與鏇后運行里程的關(guān)系

圖13 輪緣厚度與鏇后運行里程的關(guān)系

圖14 QR與鏇后運行里程的關(guān)系

5 結(jié)論

1)踏面清掃裝置可解決車輛運行過程中產(chǎn)生的非圓化磨耗現(xiàn)象，從而降低車輛軸箱處的振動。

2)踏面清掃裝置作用下車輪踏面磨耗隨車輛運行里程基本呈線性增長關(guān)系。

3)在一定程度上踏面清掃裝置可使車輪初始等效錐度不隨車輛運行里程發(fā)生較大變化。

4)在車輪非圓化磨耗發(fā)展迅猛的情況下，采用踏面清掃裝置可有效提高車輪鏇修周期。