西安地鐵車輛輪對(duì)踏面異常磨耗原因及解決措施

付建鵬， 劉錫順， 田樹坤

(中國中車大連機(jī)車車輛有限公司， 西安 116022)

隨著國內(nèi)地鐵線路和地鐵車輛運(yùn)行里程的不斷增多，地鐵車輛輪對(duì)踏面的異常磨耗現(xiàn)象也逐漸的暴露出來。輪對(duì)踏面的異常磨耗會(huì)影響到地鐵列車的安全性、穩(wěn)定度，也會(huì)影響到乘客的乘坐舒適性，更會(huì)縮短列車輪對(duì)的使用壽命，增加檢修部門的工作量。

基于西安地鐵1號(hào)線車輛輪對(duì)踏面異常磨耗情況的現(xiàn)象分析及處理過程，對(duì)輪對(duì)踏面異常磨耗的原因進(jìn)行排查，并提出了一種解決方案。

1 輪對(duì)踏面異常磨耗現(xiàn)象

西安地鐵1號(hào)線車輛是B2型不銹鋼地鐵車輛，采用的是日立的牽引系統(tǒng)和克諾爾的EP2002制動(dòng)系統(tǒng)，編組形式為3M3T，基礎(chǔ)制動(dòng)采用的是踏面制動(dòng)方式，車輪采用碾鋼整體車輪，LM型踏面型式，閘瓦采用的是合成閘瓦。在列車運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)在閘瓦的摩擦區(qū)域內(nèi)，車輪踏面靠近外側(cè)的邊緣有光亮的條帶；到40萬km左右的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)輪對(duì)踏面異常磨耗現(xiàn)象，表現(xiàn)為輪對(duì)踏面出現(xiàn)階梯形磨耗(見圖1)。

圖1 輪對(duì)踏面異常磨耗形狀

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，地鐵車踏面外側(cè)磨耗平均深度x最大的為3.95 mm，最小的為2.22 mm，平均磨耗深度3.57 mm，磨耗寬度y最大為37.55 mm，最小的為23.23 mm。所有列車輪對(duì)兩側(cè)的磨耗深度幾乎一致，拖車的磨耗深度大于動(dòng)車。異常磨耗面在閘瓦與輪對(duì)作用范圍內(nèi)(見圖2)，可以看到閘瓦和輪對(duì)的作用區(qū)分為明顯的兩部分，一個(gè)是輪對(duì)踏面外側(cè)光亮的部位，是異常磨耗區(qū)域，能夠看到很多刻度狀的制動(dòng)熱裂紋；另外一個(gè)是右側(cè)靠近踏面中心的部位，雖然也是閘瓦作用區(qū)，但是明顯比左側(cè)顏色發(fā)暗，且制動(dòng)熱裂紋現(xiàn)象比左側(cè)要輕的多。

圖2 輪對(duì)踏面異常磨耗區(qū)域與閘瓦相對(duì)位置

2 調(diào)查過程及處理方案

輪對(duì)踏面的梯形磨耗，主要是由于閘瓦和輪對(duì)的摩擦造成的，首先需要排除基礎(chǔ)制動(dòng)單元TBU的問題，以及閘瓦材質(zhì)的硬度問題。

2.1 基礎(chǔ)制動(dòng)單元TBU檢查

對(duì)西安地鐵1號(hào)線目前正在使用的TBU拆卸送回原廠進(jìn)行抽樣檢查，包括1臺(tái)踏面制動(dòng)單元和1臺(tái)帶停放制動(dòng)的踏面制動(dòng)單元。其基本信息如下(見表1)。

表1 踏面制動(dòng)單元基本信息

按照順序檢查，包括以下步奏：

踏面制動(dòng)單元清洗→整體外觀檢查→功能測試→產(chǎn)品拆卸→零件外觀檢查→關(guān)鍵部件尺寸測量

結(jié)論如下：

(1) 2臺(tái)踏面制動(dòng)單元功能測試正常；

(2)目視檢查拆卸后的2臺(tái)踏面制動(dòng)單元，制動(dòng)單元整體情況良好，沒有發(fā)現(xiàn)有任何不均勻磨損等異常；

(3)對(duì)踏面制動(dòng)單元關(guān)鍵部位及零部件尺寸測量，測量數(shù)據(jù)顯示踏面制動(dòng)單元關(guān)鍵部位及零部件磨損正常，沒有偏磨或局部磨損異常等情況。

2.2 對(duì)閘瓦物理參數(shù)進(jìn)行檢查

對(duì)閘瓦的硬度進(jìn)行測試，按照圖3顯示采集的測量點(diǎn)，測量閘瓦的表面硬度。硬度測試結(jié)果見圖4。

圖3 閘瓦表面的硬度測量點(diǎn)

圖4 閘瓦表面的硬度測量結(jié)果

對(duì)閘瓦的摩擦系數(shù)進(jìn)行采集測量，要求標(biāo)準(zhǔn)值在0.4±0.05范圍內(nèi)。

(1) 閘瓦的硬度均勻，在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，且此類型閘瓦與同材質(zhì)的輪對(duì)在其他項(xiàng)目上有過配合，并沒有產(chǎn)生異常磨耗的現(xiàn)象；

(2) 閘瓦的摩擦系數(shù)能夠滿足要求，表面也無過載的表現(xiàn)。

2.3 對(duì)空氣制動(dòng)使用情況進(jìn)行調(diào)查

通過列車管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄，對(duì)空氣制動(dòng)使用情況進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)空氣制動(dòng)施加較為頻繁，表2為AW3載荷條件下ATO運(yùn)行模式時(shí)空氣制動(dòng)的施加情況：

從數(shù)據(jù)中可以看到(每200 ms進(jìn)行一次數(shù)據(jù)記錄)，在制動(dòng)最初，動(dòng)車和拖車的空氣制動(dòng)都在施加，當(dāng)電制動(dòng)建立到最大時(shí)，空氣制動(dòng)開始退出，整個(gè)時(shí)間持續(xù)3.4 s，拖車制動(dòng)缸壓力最大達(dá)到220 kPa，動(dòng)車制動(dòng)缸壓力最大達(dá)到112.5 kPa。而且，從列車制動(dòng)級(jí)位和最終空氣制動(dòng)完全退出的情況來看，電制動(dòng)能力是能夠滿足當(dāng)前總的制動(dòng)力需求的。

表2 列車管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄

從ATO運(yùn)行時(shí)列車管理系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在全程的運(yùn)行過程中，基本上每次運(yùn)行到最高速度開始制動(dòng)時(shí)，空氣制動(dòng)均會(huì)持續(xù)一定時(shí)間的施加，一直到電制動(dòng)達(dá)到總的制動(dòng)力需求。且列車運(yùn)行至40～50 km/h時(shí)，會(huì)有一小段的制動(dòng)轉(zhuǎn)牽引再制動(dòng)的過程，持續(xù)時(shí)間非常短，但是再施加制動(dòng)時(shí)，空氣制動(dòng)又會(huì)持續(xù)施加大概3～4 s，施加的制動(dòng)力又不大，制動(dòng)缸壓力持續(xù)在30～100 kPa之間。

通過之前的TBU檢查和閘瓦物理參數(shù)的檢查，排除了這兩者造成異常磨耗的可能性，而能夠?qū)唽?duì)異常磨耗的部位產(chǎn)生作用的，除了運(yùn)行時(shí)的輪-軌接觸，僅有閘瓦對(duì)輪對(duì)踏面的作用才會(huì)產(chǎn)生這種效果。而從輪對(duì)踏面異常磨耗部位制動(dòng)熱裂紋的狀態(tài)，可以看出在異常磨耗部位，制動(dòng)的熱負(fù)荷更加嚴(yán)重(見圖2)，所以，可以基本判定，輪對(duì)踏面的異常磨耗是由于空氣制動(dòng)頻繁的較短時(shí)間及較低壓力施加的結(jié)果。

3 空氣制動(dòng)頻繁施加的原因分析

空氣制動(dòng)的補(bǔ)充施加，主要是因?yàn)殡娭苿?dòng)力的不足造成的，這與電制動(dòng)的能力、電制動(dòng)響應(yīng)特性以及電-空配合方案有關(guān)。

3.1 電制動(dòng)能力

圖5～圖6為西安地鐵1號(hào)線牽引系統(tǒng)的電制動(dòng)特性曲線。

圖5 1 500 V網(wǎng)壓下的電制動(dòng)特性曲線

從曲線上可以得到以下電制動(dòng)的能力數(shù)據(jù)(見表3)：

圖6 1 650 V網(wǎng)壓下的電制動(dòng)特性曲線

總的電制動(dòng)能力與列車的編組型式有關(guān)，西安地鐵1號(hào)線列車的編組型式(3M3T)注定了其總的電制動(dòng)能力要弱于4M2T編組型式的列車；另外，其恒定減速度范圍也較窄，不能涵蓋列車80 km/h的全速度區(qū)間段，使其在高速階段即使在較高的網(wǎng)壓下也不能完全依靠電制動(dòng)力來保證減速度需求，需要空氣制動(dòng)力的補(bǔ)充。

3.2 電制動(dòng)響應(yīng)特性

電制動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間也是影響到空氣制動(dòng)補(bǔ)充的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，主要包含兩種工況：一是列車指令從惰行→制動(dòng)(見圖7)；二是列車指令從牽引→制動(dòng)(見圖8)。

在惰行→制動(dòng)工況下，牽引系統(tǒng)從收到電制動(dòng)指令開始，逆變器門極100～500 ms動(dòng)作，電機(jī)電流400 ms后開始建立，到最大電制動(dòng)電流需要1.47 s，整個(gè)動(dòng)作時(shí)間最長需要2.37 s。

在牽引→制動(dòng)工況下，牽引系統(tǒng)從收到電制動(dòng)指令開始，牽引電流需要1.47 s降低到0，門極關(guān)閉，之后2.2 s門極再次打開，開始進(jìn)行電制動(dòng)，電機(jī)電流400 ms后開始建立，到最大電制動(dòng)電流需要1.47 s，整個(gè)動(dòng)作時(shí)間最長需要5.54 s。

表3 電制動(dòng)性能數(shù)據(jù)

圖7 惰行→制動(dòng)電制動(dòng)響應(yīng)特性

圖8 牽引→制動(dòng)電制動(dòng)響應(yīng)特性

表4是國內(nèi)主要牽引系統(tǒng)供應(yīng)商株洲時(shí)代及阿爾斯通B2型80 km/h地鐵車輛電制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)：

表4 地鐵車輛電制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間

從表4可以看出，日立牽引系統(tǒng)電制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間較長，使得每次制動(dòng)時(shí)，為了滿足列車的減速度需求，空氣制動(dòng)系統(tǒng)都不得不補(bǔ)充空氣制動(dòng)。

3.3 電-空配合方案

根據(jù)西安地鐵1號(hào)線車輛的編組以及列車管理系統(tǒng)功能(僅用于診斷及數(shù)據(jù)傳輸)的情況，總的制動(dòng)力的管理由制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行，采用一動(dòng)一拖為一個(gè)制動(dòng)單元，在單元內(nèi)混合制動(dòng)。在電制動(dòng)力不足的情況下，優(yōu)先使用拖車上的空氣制動(dòng)，超過拖車制動(dòng)黏著允許能力的部分由動(dòng)車的空氣制動(dòng)補(bǔ)充。

制動(dòng)系統(tǒng)采信“電制動(dòng)有效”信號(hào)高電平作為電制動(dòng)可以使用的條件，在此前提條件之下，根據(jù)“電制動(dòng)等效”信號(hào)大小，綜合總的制動(dòng)力需求，優(yōu)先補(bǔ)充拖車的空氣制動(dòng)。為了防止在制動(dòng)初期空氣制動(dòng)的補(bǔ)充，牽引系統(tǒng)在收到“電制動(dòng)指令”信號(hào)后，會(huì)立即發(fā)送等大小的“電制動(dòng)等效”信號(hào)(見圖9)。

在進(jìn)行調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，牽引系統(tǒng)在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)兩處問題(見圖10)：一是“電制動(dòng)有效”信號(hào)，在方案設(shè)計(jì)時(shí)，各方確認(rèn)此信號(hào)代表電制動(dòng)可用，只要牽引系統(tǒng)無故障，此信號(hào)就應(yīng)以高電平的形式送出，但在執(zhí)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)此信號(hào)只有在牽引系統(tǒng)門極打開，開始建立電制動(dòng)時(shí)才會(huì)輸出高電平，這就導(dǎo)致了在制動(dòng)初期，制動(dòng)系統(tǒng)認(rèn)為電制動(dòng)無法發(fā)揮，動(dòng)車和拖車同時(shí)開始補(bǔ)充空氣制動(dòng)；二是“電制動(dòng)等效”信號(hào)，在收到“電制動(dòng)指令”信號(hào)之后，未發(fā)送虛擬值，導(dǎo)致在電制動(dòng)建立的過程中，補(bǔ)充空氣制動(dòng)。

圖11是采集的實(shí)際的電-空配合曲線：

在圖11中可以看出，在制動(dòng)初期，由于“電制動(dòng)有效”信號(hào)置位的延遲和“電制動(dòng)等效”信號(hào)(當(dāng)前電制動(dòng))無虛擬值，在制動(dòng)初期，空氣制動(dòng)會(huì)有一個(gè)先上升再下降的過程，在列車運(yùn)行時(shí)的每個(gè)制動(dòng)過程中，均會(huì)出現(xiàn)這種“波浪”式的空氣制動(dòng)補(bǔ)充，這種形式的空氣制動(dòng)力的施加，是閘瓦磨耗過大和輪對(duì)踏面異常磨耗的主要原因。

圖10 實(shí)際的電制動(dòng)配合邏輯

圖11 電-空配合曲線

4 解決辦法

根據(jù)以上問題的分析結(jié)果，可以得出結(jié)論：電制動(dòng)能力、電制動(dòng)的響應(yīng)特性以及電-空配合方案是頻繁補(bǔ)充空氣制動(dòng)的主要原因。由于受限于列車編組和牽引系統(tǒng)，電制動(dòng)能力值無法改變，只能通過改善電制動(dòng)響應(yīng)特性、優(yōu)化電-空配合方案及控車方式來解決此問題，進(jìn)而提出解決辦法如下(見圖12和圖13)：

(1)改善電制動(dòng)響應(yīng)特性

在沖擊限制的前提下，加快牽引電流下降速度和電制動(dòng)電流上升速度，加快逆變器門極打開和關(guān)閉時(shí)間，以減少電制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，以此來減小空氣制動(dòng)補(bǔ)充的壓力和減少補(bǔ)充的時(shí)間。

(2)優(yōu)化電-空配合方案

①電制動(dòng)有效信號(hào)

采用方案設(shè)計(jì)時(shí)的邏輯進(jìn)行"電制動(dòng)有效"信號(hào)的置/復(fù)位，防止制動(dòng)初期動(dòng)/拖車同時(shí)補(bǔ)充空氣制動(dòng)。

②電制動(dòng)等效信號(hào)

增加制動(dòng)初期“電制動(dòng)等效”信號(hào)的虛擬值，并根據(jù)指令情況調(diào)節(jié)虛擬值持續(xù)時(shí)間，在電制動(dòng)建立初期通過此信號(hào)減少空氣制動(dòng)的補(bǔ)充。

(3)優(yōu)化控車方式

基于惰行→制動(dòng)和牽引→制動(dòng)時(shí)的電制動(dòng)響應(yīng)特性，減少信號(hào)控車時(shí)牽引→制動(dòng)指令的控車方式，增加惰行時(shí)間，取消無效的牽引-制動(dòng)指令切換。

圖12 惰行→制動(dòng)的優(yōu)化邏輯及參數(shù)

圖13 牽引→制動(dòng)的優(yōu)化邏輯及參數(shù)

通過以上的方案，能夠有效的改善補(bǔ)充空氣制動(dòng)的情況，減少閘瓦磨耗，減輕輪對(duì)踏面的異常磨耗。

5 結(jié)束語

針對(duì)輪對(duì)踏面的異常磨耗問題，不僅要從基礎(chǔ)制動(dòng)單元性能、閘瓦材質(zhì)及輪對(duì)踏面的硬度等方面著手，也要考慮到控車方式、電制動(dòng)能力及特性對(duì)空氣制動(dòng)力施加的影響。

雖然經(jīng)過方案優(yōu)化后，西安地鐵1號(hào)線車輛輪對(duì)異常磨耗的問題有所緩解，但是限于總的電制動(dòng)能力不能滿足列車在速度80 km/h到6 km/h全速度區(qū)域全程發(fā)揮，而且電制動(dòng)反應(yīng)依然過慢，為了滿足減速度的需求，在某些工況下，空氣制動(dòng)依然有部分補(bǔ)充。在地鐵項(xiàng)目的電-空配合方案中，一定要考慮到電制動(dòng)能力和電制動(dòng)響應(yīng)特性，合理規(guī)劃電-空配合方案，盡量提升電制動(dòng)能力并減少電制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，減少無效的空氣制動(dòng)力的補(bǔ)充，提高輪對(duì)的使用壽命，有效的降低維保成本。