城軌車輛車輪維修與輪緣磨耗速率的關(guān)系

孔瑞晨，陳卓，姜朝勇

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

1 概述

車輪作為軌道車輛走行部位的重要零部件，與車輛運(yùn)行安全緊密相關(guān)，其維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)極為嚴(yán)苛。而車輪是主要的磨耗部件，需要定期維修更換，在車輛維修成本中占據(jù)重要位置[1-2]。

城市軌道交通建在城市區(qū)域，與干線鐵路交通相比，線路曲線半徑較小，部分區(qū)段曲線半徑甚至小于300 m，且無軌道加寬[3]。當(dāng)城軌車輛通過小半徑曲線時(shí)，輪軌接觸狀態(tài)惡劣，造成車輛輪緣磨耗，對于城市軌道交通而言，這是一種不可避免的情況。同時(shí)，車輪還存在著踏面磨耗、剝離、擦傷等其他形式的損傷。當(dāng)車輪磨耗達(dá)到一定限度時(shí)，就要通過鏇修的方式進(jìn)行修復(fù)。

根據(jù)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，隨著車輛運(yùn)用時(shí)間加長，由于輪軌接觸壓力，輪緣表面會形成碾壓硬化層，并且隨著運(yùn)行里程加長，輪軌接觸部位逐漸形成共形磨耗，接觸面積變大，輪緣磨耗逐漸降低。為了維持這種較好的輪軌接觸關(guān)系，需要綜合考慮車輪其他部位，如踏面的磨耗、損傷情況等，制定合理的鏇修策略，以最經(jīng)濟(jì)的方式維護(hù)、使用車輪。

因此，通過對地鐵車輛的輪緣維修與磨耗數(shù)據(jù)的研究，分析城軌車輛輪緣磨耗與車輪維修策略的關(guān)系，力求找到一種較為經(jīng)濟(jì)合理的維修策略，延長車輪使用壽命。

2 城軌車輛輪緣磨耗狀態(tài)

以我國某城市地鐵車輛車輪輪緣磨耗情況為例，抽樣分析輪緣磨耗數(shù)據(jù)以及車輛鏇修數(shù)據(jù)。對車輛履歷表數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析顯示，所有輪對在運(yùn)用過程中表現(xiàn)出相同的磨耗規(guī)律。從服役車輛中選取5組典型車輛的典型轉(zhuǎn)向架對磨耗規(guī)律進(jìn)行說明，抽樣信息見表1。按單個(gè)鏇修周期對典型轉(zhuǎn)向架車輪輪緣磨耗速率的統(tǒng)計(jì)見表2。

從表1和表2數(shù)據(jù)可以看出，典型車輛在運(yùn)行里程為40萬km左右時(shí)，車輪直徑即接近壽命到限直徑，且在這段時(shí)間內(nèi)，車輛進(jìn)行了多次鏇修，沒有固定的鏇修周期間隔。除首次鏇修外，車輛后幾次鏇修間隔運(yùn)營里程均十分短暫，且多次鏇修后，車輪輪緣磨耗速率急劇升高。

表1 典型轉(zhuǎn)向架抽樣統(tǒng)計(jì)

表2 典型轉(zhuǎn)向架輪緣磨耗速率統(tǒng)計(jì)

3 輪緣磨耗與車輪鏇修的關(guān)系

3.1 抽樣分析

由于每個(gè)鏇修周期中車輛實(shí)際運(yùn)營里程不同，為研究車輪輪緣在單個(gè)鏇修周期中磨耗速率的變化趨勢，根據(jù)車輛月修及鏇修時(shí)測得數(shù)據(jù)，分析運(yùn)營里程和車輪磨耗速率的關(guān)系（見圖1）。圖中單條曲線為單個(gè)鏇修周期中每次月修測得車輪的磨耗速率；由于后期車輛鏇修頻繁，單個(gè)鏇修周期僅為1段線段或1點(diǎn)；每進(jìn)入1個(gè)新鏇修周期，車輪磨耗及車輛運(yùn)營里程從0開始重新進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

由于E-5車1位轉(zhuǎn)向架輪緣磨耗表現(xiàn)形式與其余4車有顯著不同，且平均磨耗速率較慢，進(jìn)一步分析其輪緣段磨耗狀態(tài)，其輪緣厚度平均值變化趨勢見圖2。

對E-5車1位轉(zhuǎn)向架輪緣磨耗狀態(tài)及鏇修修復(fù)量的分析如下：

（1）新輪狀態(tài)下，輪緣磨耗速度較快；隨車輛運(yùn)行里程增加，輪軌磨合更佳，且在持續(xù)的輪軌橫向載荷碾壓作用下，車輪輪緣表面形成碾壓硬化層（根據(jù)車輛運(yùn)營里程，碾壓硬化層的厚度可達(dá)到1 mm左右，且碾壓硬化對于車輪硬度的提高約為40 HB），此時(shí)輪緣磨耗速率下降。

（2）首次鏇修目的不是修復(fù)輪緣厚度，輪緣處鏇修量較小，并未將碾壓硬化層鏇掉，所以首個(gè)鏇修周期輪緣磨耗速率較低。

（3）在第2、第3個(gè)鏇修周期中，輪緣厚度修復(fù)量均在1 mm左右；此時(shí)碾壓硬化層已被鏇掉，輪緣磨耗速率增加；但由于這2個(gè)鏇修周期車輛運(yùn)行里程較長，后期磨耗速率回到穩(wěn)定期。

（4）第4次鏇修后，車輪輪緣磨耗速率回到急速下降期。

3.2 車輪輪緣磨耗普遍規(guī)律與鏇修的關(guān)系

綜合以上分析數(shù)據(jù)，得到車輪輪緣磨耗的普遍規(guī)律如下：

圖2 E-5車1位轉(zhuǎn)向架輪緣厚度平均值變化趨勢

（1）車輛2次鏇修期間運(yùn)行里程較多時(shí)，平均磨耗速率正常；運(yùn)行里程較少時(shí)，磨耗速率大幅增加。

（2）單個(gè)鏇修周期中，車輛運(yùn)行里程小于6萬km時(shí)，輪緣磨耗速率較快；車輛運(yùn)行里程大于10萬km時(shí)，輪緣磨耗速率較慢；車輛運(yùn)行里程大于15萬km時(shí)，車輪輪緣平均磨耗速率已趨于平穩(wěn)，約0.1 mm/萬km。

（3）車輛2次鏇修期間運(yùn)行里程較少時(shí)，車輪輪緣磨耗速率尚處于急速下降期便再次鏇修，導(dǎo)致磨耗速率異常。

依據(jù)上述車輪輪緣磨耗的普遍規(guī)律分析，由于輪緣磨耗速率較快，車輪頻繁鏇修，而輪緣修復(fù)1 mm時(shí)車輪直徑鏇修量為6～10 mm，車輪直徑方向鏇修量極大，這是導(dǎo)致車輪壽命不足的主要原因。

該城市地鐵車輪鏇修策略為：隨著車輛運(yùn)行，當(dāng)輪緣厚度小于26 mm時(shí)，需進(jìn)行鏇修，車輪輪緣在單次鏇修中厚度從26 mm修復(fù)至28 mm。根據(jù)這種鏇修策略，車輪鏇修時(shí)輪緣已經(jīng)由32 mm磨耗至26 mm，而鏇修后僅修復(fù)到28 mm，修復(fù)量較小。雖然單次鏇修對輪徑的損耗較小，但當(dāng)車輛再次投入運(yùn)行時(shí)，僅運(yùn)行不足4萬、5萬km，車輪輪緣磨耗速率尚處于急速下降期，輪緣厚度便再次超限，這直接導(dǎo)致了車輪的反復(fù)多次鏇修，實(shí)際鏇修量增大。

4 其他相關(guān)原因分析

4.1 運(yùn)用初期的輪軌磨合

輪緣厚度方向的磨耗是由于列車在運(yùn)行過程中，輪對出現(xiàn)橫向擺動（蛇行運(yùn)動）。輪軌接觸關(guān)系不良會加劇輪緣與軌道內(nèi)側(cè)的沖撞和磨耗，從而加劇輪緣磨耗[4-5]。

在車輛初次投入運(yùn)用及剛完成鏇修，或鋼軌剛經(jīng)過打磨時(shí)，輪軌在輪緣處的接觸關(guān)系見圖3（a），經(jīng)過一段時(shí)間的磨合后，接觸關(guān)系見圖3（b），其中劃圈部位為接觸區(qū)域。

由圖3可知，輪軌經(jīng)過一段時(shí)間的磨合后，輪緣處的接觸區(qū)域會明顯增大，磨耗速率也會有所下降。

4.2 線路曲線半徑小導(dǎo)致鋼軌側(cè)磨嚴(yán)重

我國地鐵小曲線線路超高較大，且沒有曲線加寬，部分典型區(qū)間300 m半徑小曲線超高設(shè)置達(dá)到了極限值120 mm。因此，外軌存在明顯側(cè)磨，部分鋼軌已經(jīng)達(dá)到側(cè)磨極限進(jìn)行了換軌。從鋼軌的磨耗來看，小曲線處輪軌接觸環(huán)境不良，由于輪軌硬度基本接近，可以推斷車輪輪緣的磨耗也會比較大。

圖3 輪軌磨合前后輪緣處輪軌接觸關(guān)系示意圖

4.3 沒有車載輪緣潤滑設(shè)備或鋼軌內(nèi)側(cè)未涂油

降低輪緣磨耗，減小輪緣與鋼軌內(nèi)側(cè)接觸面的摩擦系數(shù)是一種行之有效的手段。國內(nèi)外多數(shù)小半徑曲線較多的地鐵線路，車輛均配備了車載輪緣潤滑設(shè)備，沒有車載輪緣潤滑的則會定期對小半徑曲線的鋼軌內(nèi)側(cè)進(jìn)行涂油。當(dāng)缺少這2種手段時(shí)，將會導(dǎo)致鋼軌與輪緣間的摩擦系數(shù)偏大，從而造成輪緣磨耗速度加快。

5 建議

城市軌道交通由于其特殊的地理位置，造成修建時(shí)無法與干線鐵路及高鐵線路一樣主要以大半徑曲線為主，因此輪緣磨耗一直是各個(gè)城市地鐵維護(hù)的主要問題之一。由上述分析可見，由于車輛投入運(yùn)用初期或鏇修完成初期，均存在車輪輪緣磨耗較快的情況，但隨著車輛運(yùn)用里程的增加，這種磨耗將顯著降低，平均磨耗速率趨于正常。因此建議：

（1）在輪緣到限后，輪緣厚度的鏇修修復(fù)量應(yīng)大于6 mm，避免2次鏇修間隔時(shí)間過短，無法給車輪留出充分的運(yùn)用時(shí)間使輪緣磨耗速率進(jìn)入穩(wěn)定期，造成反復(fù)鏇修，影響車輪使用壽命。

（2）在城市軌道交通設(shè)計(jì)建造時(shí)，對于小半徑曲線可考慮進(jìn)行曲線加寬。運(yùn)營時(shí)，要及時(shí)對鋼軌側(cè)磨進(jìn)行修復(fù)或更換鋼軌，加裝車載輪緣潤滑設(shè)備或設(shè)置小半徑曲線的鋼軌內(nèi)側(cè)涂油裝置，通過這些手段有效緩解車輛輪緣磨耗的問題。