城軌列車空轉(zhuǎn)滑行現(xiàn)象的機(jī)械影響因素探究

熊經(jīng)博

摘 要：論文從調(diào)整機(jī)械機(jī)構(gòu)方面入手，減少列車在正線運(yùn)行中發(fā)生空轉(zhuǎn)/滑行故障。首先對(duì)相應(yīng)車輛發(fā)生空轉(zhuǎn)/滑行故障現(xiàn)象的時(shí)間、區(qū)段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、對(duì)比、分析；然后再對(duì)發(fā)生空轉(zhuǎn)/滑行故障現(xiàn)象的相應(yīng)車輛進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)檢查、優(yōu)化、更換、對(duì)比、分析；

關(guān)鍵詞：空轉(zhuǎn)/滑行 調(diào)整機(jī)械機(jī)構(gòu)

1、地鐵列車空轉(zhuǎn)/滑行的形成與危害

本章簡(jiǎn)要說(shuō)明地鐵列車在牽引與制動(dòng)工況下的輪軌狀態(tài)，重點(diǎn)介紹空轉(zhuǎn)/滑行的形成與危害。

1.1 地鐵列車輪軌間狀態(tài)概述

地鐵列車在牽引或制動(dòng)時(shí)輪軌間的狀態(tài)可以細(xì)分為三種：第一種為理想狀態(tài)下的滾動(dòng)；第二種為我們應(yīng)避免但是存在的“空轉(zhuǎn)/滑行”；第三種為實(shí)際一直存在的粘著狀態(tài)。

1）理想滾動(dòng)狀態(tài)是一種難以實(shí)現(xiàn)的理想狀態(tài)。倘若能達(dá)到這種狀態(tài)，則可能實(shí)現(xiàn)的牽引力最大值約為輪軌間的最大靜摩擦力。

2）輪對(duì)產(chǎn)生的輪周牽引力或制動(dòng)力大于輪軌間的粘著力時(shí)車輪就會(huì)發(fā)生空轉(zhuǎn)或者是滑行。

3）在運(yùn)行過(guò)程中，由于牽引力和慣性力不是作用在同一水平面內(nèi)，造成機(jī)車前后車輪作用于鋼軌的垂直載荷不均勻分配。所以，輪軌間的縱向水平作用力的最大值實(shí)際上與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，而且比物理上的“最大靜摩擦力”要小的多。因此，在鐵路牽引和制動(dòng)理論中，在分析輪軌間縱向力問(wèn)題時(shí)，不用“靜摩擦”這個(gè)詞，而以“粘著”來(lái)代替它。相應(yīng)的，在粘著狀態(tài)下輪軌間縱向水平力作用力的最大值就稱為粘著力，而把粘著力與輪軌間垂直載荷之比稱為粘著系數(shù)。

對(duì)于以上列車在牽引與制動(dòng)工況下的輪軌狀態(tài)，我們主要研究分析運(yùn)行過(guò)程中可避免或減少的狀態(tài)——空轉(zhuǎn)/滑行

1.2 地鐵列車空轉(zhuǎn)/滑行的概念和形成

輪對(duì)產(chǎn)生的輪周牽引力或制動(dòng)力大于輪軌間的粘著力時(shí)車輪就會(huì)發(fā)生空轉(zhuǎn)或者是滑行。這是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，在地鐵列車中的控制判斷邏輯為：在牽引過(guò)程中，單個(gè)軸速超過(guò)列車的參考速度一定值，列車判斷為空轉(zhuǎn)；在制動(dòng)過(guò)程中，單個(gè)軸速低于列車的參考速度一定值，列車判斷為滑行。

1.2.1空轉(zhuǎn)的概述

關(guān)于空轉(zhuǎn)，只是在列車牽引工況下才發(fā)生。當(dāng)列車加速或拐彎或其他情況下某個(gè)輪對(duì)或軸端速度大于列車速度時(shí)，輪對(duì)或軸與軌道的粘著力將產(chǎn)生變化，造成輪對(duì)旋轉(zhuǎn)圓周長(zhǎng)大于前進(jìn)距離，稱之為空轉(zhuǎn)。

1.2.2滑行的概述

關(guān)于滑行，只是在列車制動(dòng)工況下才發(fā)生。當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，由于軌道狀況或輪徑值不等、失圓或其他情況下某個(gè)輪對(duì)或軸端速度小于列車速度時(shí)，輪對(duì)跟軌道粘著力將產(chǎn)生變化，造成輪對(duì)相對(duì)軌道不止?jié)L動(dòng)，還沿著軌道滑動(dòng)，稱之為滑行。

其中，軸端速度由安裝在軸端上的速度傳感器獲得，而列車速度由另外專門測(cè)定車輛行進(jìn)速度的速度傳感器測(cè)得信息經(jīng)過(guò)VTCU計(jì)算得出。若兩者速度差超過(guò)設(shè)置的數(shù)值時(shí)，VTCU就會(huì)報(bào)告空轉(zhuǎn)或滑行故障，并且啟動(dòng)空轉(zhuǎn)或防滑保護(hù)。

1.3 空轉(zhuǎn)/滑行的危害

空轉(zhuǎn)滑行發(fā)生時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致輪軌擦傷，嚴(yán)重的擦傷往往是鋼軌疲勞失效的重要根源之一。車輪擦傷后不僅使列車運(yùn)行時(shí)車輛或軌道產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，而且會(huì)導(dǎo)致輪對(duì)軸承、車軸和軌道的損傷，增加輪軌的維修工作。同時(shí)，嚴(yán)重的空轉(zhuǎn)或滑行情況將影響機(jī)車正常運(yùn)行。而在啟動(dòng)防滑保護(hù)時(shí)，則同時(shí)會(huì)影響列車的正常牽引及制動(dòng)的能力。

2、機(jī)械結(jié)構(gòu)因素對(duì)空轉(zhuǎn)/滑行的影響研究

2.1 導(dǎo)致列車空轉(zhuǎn)滑行的機(jī)械結(jié)構(gòu)因素

2.1.1 車輪半徑大小差異因素

車輪半徑大小有差異，造成車輪和軌道間粘著力有差別，處于牽引或制動(dòng)工況下（列車VTCU根據(jù)各軸的速度值，而給出相應(yīng)牽引力和制動(dòng)力），因此容易發(fā)生空轉(zhuǎn)/滑行.

2.1.2 車輪失圓因素

車輪失圓會(huì)導(dǎo)致該輪在運(yùn)行中處于不正常的抖動(dòng)狀態(tài)，特別在高速運(yùn)轉(zhuǎn)到失圓區(qū)域時(shí)，由于強(qiáng)烈振動(dòng)將破壞正常輪軌粘著條件，一旦在高速過(guò)彎道時(shí)，車輪工作條件更為惡劣，而此時(shí)列車一旦給出牽引力，則非常容易觸發(fā)車輪空轉(zhuǎn)。

2.1.3 列車本身狀況不良因素

列車狀況不良的現(xiàn)象較多，如軸重不均，牽引電動(dòng)機(jī)電流分布不均。車輛軸端速度傳感器用的時(shí)間長(zhǎng)，工作不穩(wěn)定。列車軸重偏差過(guò)大，在運(yùn)行過(guò)程中施加相同的制動(dòng)力時(shí)，軸重輕的輪對(duì)因粘著力較小，易導(dǎo)致該位置輪對(duì)滑行。

2.2 輪對(duì)半徑大小差異及失圓問(wèn)題對(duì)空轉(zhuǎn)/滑行的影響研究

針對(duì)輪對(duì)半徑大小有差異及失圓的問(wèn)題進(jìn)行了鏇輪處理，結(jié)果如下表：

也就是說(shuō)鏇輪后的列車在一定的程度上減少了空轉(zhuǎn)滑行故障，但是在部分列車上效果并不太明顯。但是我們?cè)谌粘z修時(shí)對(duì)存在輪徑值超差的現(xiàn)象則要積極安排鏇輪，在最大的程度上減少由于輪徑值超差而引起的空轉(zhuǎn)滑行。

2.3 針對(duì)軸重偏移、重力分配不均問(wèn)題對(duì)空轉(zhuǎn)/滑行的影響研究

深圳地鐵車輛部曾經(jīng)對(duì)101、102、104、106、117車的軸重進(jìn)行了調(diào)整。并且近期對(duì)列車軸重進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)列車普遍存在有一系簧蠕變的現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致列車軸重偏差。

例：針對(duì)一系簧蠕變的現(xiàn)象在完整架修中對(duì)相應(yīng)轉(zhuǎn)向架的一系簧進(jìn)行了更換，截至2011年12月31日，已完成完整架修的車輛依次是116、115、108、107、111、113、109、117、110等9列車，后續(xù)架修列車均進(jìn)行完成架修，前期6列車簡(jiǎn)易架修列車也逐步進(jìn)行了更換轉(zhuǎn)向架一系簧的補(bǔ)修工作，并對(duì)轉(zhuǎn)向架完整架修整治效果評(píng)估：

在延長(zhǎng)線開(kāi)通前（2011年6月15日）進(jìn)行過(guò)完整架修（更換轉(zhuǎn)向架一系簧）的車輛有115、116、108三列車。現(xiàn)根據(jù)車輛VTCU記錄數(shù)據(jù)將115、116、108車完整架修前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（取完整架修前后3個(gè)月的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，因延長(zhǎng)線開(kāi)通后進(jìn)行過(guò)完整架修的列車受運(yùn)行圖調(diào)整和延長(zhǎng)線開(kāi)通的影響，不能獨(dú)立說(shuō)明完整架修對(duì)一系簧的影響，不納入統(tǒng)計(jì)）。具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下：

從上表可以看出，完整架修后列車空轉(zhuǎn)/滑行的發(fā)生頻率均有不同程度的降低?？梢?jiàn)，完整架修后，車輛懸掛系統(tǒng)得以改善，提高了輪軌間的粘著利用，對(duì)降低列車空轉(zhuǎn)/滑行效果較為明顯。

經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，軸重偏差的列車和空轉(zhuǎn)滑行嚴(yán)重的列車暫未發(fā)現(xiàn)很明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，軸重調(diào)整后的列車空轉(zhuǎn)/滑行發(fā)生次數(shù)前后有一定的效果但并不明顯。針對(duì)軸重問(wèn)題還有待進(jìn)一步進(jìn)行收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.4 總結(jié)

空轉(zhuǎn)滑行的產(chǎn)生原因很多，成因復(fù)雜，在對(duì)其進(jìn)行分析之前應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)列車故障診斷數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，分系統(tǒng)對(duì)可能引起空轉(zhuǎn)滑行的因素以一個(gè)長(zhǎng)周期對(duì)多次發(fā)生的故障加強(qiáng)分析和處理。通過(guò)對(duì)列車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，結(jié)合故障發(fā)生時(shí)列車的狀態(tài)，一步步縮小故障原因范圍。

針對(duì)近年來(lái)空轉(zhuǎn)滑行的發(fā)生頻率較高，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)可能引起該問(wèn)題的隱患加強(qiáng)制定應(yīng)對(duì)措施，對(duì)輪對(duì)失圓及輪徑超差的情況及時(shí)對(duì)踏面進(jìn)行鏇修，對(duì)軸重偏差嚴(yán)重的列車安排稱重，盡量減少機(jī)械方面引起的空轉(zhuǎn)滑行。

同時(shí)在控制住機(jī)械機(jī)構(gòu)方面隱患后如還出現(xiàn)此故障則繼續(xù)向跟車輛機(jī)械機(jī)構(gòu)相接口的系統(tǒng)進(jìn)行分析，如鋼軌的狀況、速度傳感器的精度以及空轉(zhuǎn)滑行的邏輯判斷層面。

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