直線電機(jī)運載系統(tǒng)輪軌病害整治

黃學(xué)翾

(佛山市軌道交通發(fā)展有限公司 廣東佛山 528000)

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直線電機(jī)運載系統(tǒng)輪軌病害整治

黃學(xué)翾

(佛山市軌道交通發(fā)展有限公司 廣東佛山 528000)

廣州地鐵5號線采用由直線電機(jī)驅(qū)動的列車，在運營中出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的軌道波磨及車輪圓跳動，造成了車輛走行部的圓跳動發(fā)展迅速、電機(jī)高度調(diào)整裝置失效、電機(jī)絕緣失效等一系列問題，經(jīng)過諸如轉(zhuǎn)向架輪軸改造、小曲線段加裝軌旁輪軌摩擦控制裝置、有針對性的軌道打磨等系統(tǒng)性的整治，輪軌病害初步緩解。

城市軌道交通；直線電機(jī)；輪軌關(guān)系；圓跳動；波磨

廣州地鐵5號線運營里程31.9 km，日均客流約100萬人次，采用6節(jié)編組直線電機(jī)車輛，最高運行速度90 km/h。開通時配屬列車30列，采用龐巴迪技術(shù)的轉(zhuǎn)向架，簡稱“既有車”；開通后增購了32列，采用青島四方自主知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)向架，簡稱“增購車”。兩種車在5年多的運營中，走行部出現(xiàn)了較多問題，既有車尤為嚴(yán)重，經(jīng)過多年不懈的整治，輪軌關(guān)系有了較明顯的改善。本文將對既有車及軌道整治情況作具體介紹。

1 輪軌病害情況

由于輪軌關(guān)系的不匹配，最突出的現(xiàn)象便是輪對圓跳動發(fā)展迅速及減振扣件區(qū)段波磨超標(biāo)，造成車輛走行部振動加劇而引發(fā)的安裝于二系簧下各種設(shè)備的故障或失效。

1.1 輪對多邊形磨耗發(fā)展迅速

國產(chǎn)ER8車輪圓跳動發(fā)展速度明顯高于進(jìn)口ER8車輪，分別為0.07、0.03 mm/萬km，每列車年均運行15萬km。若靠鏇輪完全壓制圓跳動發(fā)展，每年需鏇修160列次，但本線正常生產(chǎn)能力為70列次/年[1]，每列車平均每年才能鏇修一次。鏇輪能力不足造成圓跳動得不到遏制，加劇了安裝在轉(zhuǎn)向架上設(shè)備的損壞。

1.2 直線電機(jī)絕緣失效

5號線既有車?yán)塾嬕蚪^緣失效已燒毀電機(jī)約300臺次(總共360臺)，輪軌振動造成絕緣失效是電機(jī)燒毀的主要原因之一。

1.3 輪對軸端設(shè)備故障

既有車軸端接地裝置脫落、裂紋發(fā)生數(shù)十起；軸端牽引速度傳感器故障率、接地電纜斷裂率遠(yuǎn)超100%。軸端設(shè)備無減振，受輪軌振動影響最大。

1.4 電機(jī)高度調(diào)整裝置失效

直線電機(jī)懸掛梁直接安裝于輪對軸箱上，振動水平高，疲勞載荷大；支撐橡膠在疲勞載荷下出現(xiàn)疲勞失效、蠕變導(dǎo)致壓緊力喪失，出現(xiàn)松動；無機(jī)械鎖緊，橡膠壓緊力降低時，直線電機(jī)高度調(diào)整裝置容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)動，加劇部件的磨損，最終失效后導(dǎo)致電機(jī)下沉，刮碰感應(yīng)板。

1.5 直線電機(jī)懸掛吊桿斷裂、橡膠關(guān)節(jié)失效

直線電機(jī)由5根吊桿掛在懸掛梁上，懸掛梁安裝在軸箱上。在運營中發(fā)生大量的橡膠關(guān)節(jié)橡膠開裂、擠出、球頭關(guān)節(jié)軸承磨損等故障，其中數(shù)起造成吊桿斷裂，電機(jī)下沉。經(jīng)中國科學(xué)院金屬研究所等科研院所分析，失效主要與受交變載荷疲勞有關(guān)，而交變載荷在很大程度上是來自波磨和圓跳動[2]。

1.6 正線部分區(qū)段波磨超標(biāo)[3]

5號線正線軌道存在明顯波磨，小曲線上波磨嚴(yán)重；波磨大多超過了ISO 3095和EN 13231-3鋼軌標(biāo)準(zhǔn)[4]，同時部分也超過了鐵道部“鐵運[2006]146號《鐵路線路維修規(guī)則》”的要求。

2 輪軌關(guān)系惡化的原因

2.1 軌道減振扣件的使用

減振扣件不利于振動向大地傳導(dǎo)，導(dǎo)致能量積聚在輪軌系統(tǒng)間，容易形成波磨，5號線正線波磨分布情況能得到印證。5號線途經(jīng)市區(qū)，大量使用減振扣件。其中先鋒扣件7.4 km，GJ-3扣件0.81 km[5]，均為上下行累計。

鋼軌的波磨狀態(tài)，尤其是短波磨，引起了強(qiáng)烈的輪軌沖擊，激發(fā)了輪軌系統(tǒng)(P2)共振。

2.2 曲線、扣件與波磨的共同作用

全線曲線段總長14.19 km，占比達(dá)44.5%，其中R≤300 m，8處累計2.42 km；300 m600 m，38處累計7.03 km。最小曲線R=200 m。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)任何扣件的線路曲線段波磨均比直線段嚴(yán)重。

傳統(tǒng)扣件垂向靜剛度約40 kN/mm，其鋼軌波磨主要發(fā)生在曲線段，如動物園—楊箕上行R200曲線段，列車通過速度約40 km/h，波磨幅值達(dá)0.98 mm，波長包含100～125 mm、160 mm、200～250 mm。

先鋒扣件(Vanguard) 垂向剛度約為10 kN/mm，鋼軌波磨在曲線段和直線段都有發(fā)生，但直線段不嚴(yán)重，而在曲線段的波磨明顯，且為短波磨，如潭村—員村上行R550曲線，列車通過速度約70 km/h，波磨幅值約為0.2 mm，主要波長為40～50 mm和25 mm。

GJ-3扣件垂向靜剛度約12 kN/mm，鋼軌在曲線段和直線段都有明顯的波磨。如大沙地—大沙東上行，直線段波磨較輕，波長為40 mm，幅值約為0.05 mm；R950曲線段，列車通過速度約80 km/h，波磨明顯，主要波長為40～50 mm，波磨幅值為0.12 mm。

2.3 鋼軌焊接接頭平順度較差

5號線大部分接頭不平順幅值在0.2～0.4 mm，較為嚴(yán)重的鋼軌焊接頭不平順幅值超過1.0 mm。軌面短波不平順是引起輪軌力變化的主要原因，對P2力產(chǎn)生明顯影響，P2力為輪軌間豎向低頻力(30～100 Hz)，能量不容易被衰減，對車輪、軌道及其下部結(jié)構(gòu)都會產(chǎn)生明顯影響，加速軌道結(jié)構(gòu)失效和損壞，不利于車輪和軌道幾何形位的保持。

2.4 車輛輪對一階彎曲共振

改造前輪對一階彎曲共振引起的九邊形(見圖1、2)以磨損為主(頻率約為73 Hz)，其波長為

圖1 不均勻磨損極坐標(biāo)示意

圖2 不均勻磨損長階次分布

3 針對性的改造措施

輪軌關(guān)系的惡化往往是車輛和軌道共同作用的結(jié)果，需要兩方面共同整治。

3.1 車輛系統(tǒng)整治措施

3.1.1 車輛轉(zhuǎn)向架輪軸等系列改造

更換車軸，由原136 mm加粗到155 mm，增加車軸彎曲剛度以提高抗變形能力，其一階彎曲共振頻率從73 Hz提高到84 Hz，改善甚至消除了九邊形磨耗；另外，將ER 8車輪更換為ER 9車輪，提高輪軌硬度比，將其軸端接地裝置更換為軸箱內(nèi)置等。

3.1.2 加裝直線電機(jī)高度正線監(jiān)測系統(tǒng)[6]

5號線在正線加裝了直線電機(jī)高度在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過激光傳感器，可測量列車高速通過時直線電機(jī)的高度，并得到每一臺電機(jī)底部外輪廓圖，對高度異常的電機(jī)及時報警，避免電機(jī)繼續(xù)下沉刮碰感應(yīng)板。

3.1.3 加裝車載走行部故障診斷系統(tǒng)[7]

為跟蹤車輪圓跳動發(fā)展規(guī)律及評估軌道波磨情況，在一列車上加裝了JK 10450地鐵車輛走行部車載故障診斷系統(tǒng)。通過對軸箱振動等參數(shù)實時在線監(jiān)測，能準(zhǔn)確診斷踏面剝離、擦傷、失圓等故障，并分級報警。

3.1.4 大幅提高輪對鏇修能力

通過倒班及優(yōu)化鏇輪流程，使鏇輪能力從70列次/年提高到約180列次/年，每列車約4個月鏇1次。

3.2 軌道系統(tǒng)整治措施

3.2.1 針對性的軌道打磨

依托JK 10450地鐵車輛走行部車載故障診斷系統(tǒng)，根據(jù)列車鏇輪后上線測得的振動數(shù)據(jù)，分析出波磨超標(biāo)區(qū)段，進(jìn)行有針對性的軌道打磨，將有限的打磨能力用到刀刃上。

3.2.2 小曲線段加裝軌旁輪軌摩擦控制裝置

小半徑曲線加裝軌頂摩擦控制裝置，該套裝置在列車通過時，往軌面噴涂水基摩擦調(diào)節(jié)劑，由輪對帶到整段曲線，水分揮發(fā)后，會在鋼軌頂面形成一層干性薄膜，控制曲線輪軌接觸表面摩擦系數(shù)在0.3～0.4左右，可大幅減小輪軌間切向力，緩解波磨發(fā)展。以中山八—西場上行K4+525～K4+725為例，上行左軌加裝前，軸箱振動峰值為9.63 g，加裝并打磨后，峰值為6.55 g，有效值維持在3～5 g；上行右軌加裝前軸箱振動峰值為9.13 g，加裝并打磨后，峰值為3.82 g，有效值維持在2～3 g[8]。

4 整治前后的效果對比

改造后的ER 9輪對圓跳動發(fā)展速度降低，最低達(dá)0.02 mm/萬km；車輛全線運營時軸箱垂向振動最大值從195 g降到40 g左右；二系簧下各種設(shè)備因振動造成的故障基本消除。

5 結(jié)語

輪軌關(guān)系是微妙的跨系統(tǒng)學(xué)科，地鐵小曲線密集，減振措施多，行車密度大，極易出現(xiàn)問題，運 營 后 再整改的可用措施有限甚至只能采取姑息的辦法，所以在線路設(shè)計時就應(yīng)充分考慮車輛與軌道系統(tǒng)的輪軌關(guān)系匹配[9-10]。

[1] 廣州市地下鐵道總公司.五號線鏇輪任務(wù)量的分析報告[R].廣州，2015.

[2] 中國科學(xué)院金屬研究所.廣州地鐵5號線直線電機(jī)垂直吊桿斷裂的材料分析[R].北京，2013.

[3] 青島四方.廣州地鐵五號線轉(zhuǎn)向架改造車輪磨耗匯報[R].青島，2012.

[4] 鐵路應(yīng)用軌道工程驗收鋼軌重新修復(fù)輪廓驗收：BS EN 13231-3—2012[S].Brussels: European Committee for Standardization, 2012.

[5] 廣州市地下鐵道總公司.廣州地鐵5號線軌道設(shè)計文件[A].廣州,2008.

[6] 廣州市地下鐵道總公司.電動列車電機(jī)氣隙監(jiān)測系統(tǒng)[A].廣州，2013.

[7] 廣州市地下鐵道總公司.廣州5號線JK10450型地鐵車輛走行部車載故障診斷系統(tǒng)[A].廣州，2015.

[8] 唐智科技.廣州地鐵五號線車輛走行部及輪軌狀態(tài)分析診斷報告[R].北京，2015.

[9] 郭建平,劉維寧，雷黔湘，等.北京地鐵4號線鋼軌異常波磨調(diào)查及整治措施[J].都市快軌交通, 2011,24(3):10-13.

[10] 金學(xué)松，劉啟躍.輪軌摩擦學(xué) [M].北京：中國鐵道出版社，2004.

(編輯：曹雪明)

Wheel and Rail Disease Control of Linear Motor Propulsion System

Huang Xuexuan

(Foshan Metro Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528000)

The trains operated in Guangzhou Metro Line 5 are driven by linear motor. During the operation, serious rail corrugation and wheel out of round occurred and equipment installed on bogie and axis are affected. Problems such as the rapid development of circular run-out,linear motor height adjusting device and insulation failure can be relieved with systematic regulation such as bogie axle reformation, friction control device installed at curve trackside and grinding the targeted serious rail. In this way, diseases of wheel and rail initial can be solved to some extent.

urban rail transit; linear motor; wheel and rail relationship; circular run-out; rail corrugation

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.014

2015-10-29

2016-03-24

黃學(xué)翾，男，工學(xué)學(xué)士，工程師，從事地鐵車輛檢修工作，superhobby@126.com

TM 359.4

A

1672-6073(2016)04-0064-03