重慶市軌道交通 1 號(hào)線車輪使用壽命的探索分析

劉 洋，周玨凱

（重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶 401120）

1 引言

重慶市軌道交通1號(hào)線于2011年7月28日開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)，是重慶市建成通車的首條城市軌道交通線路，運(yùn)營(yíng)線路全長(zhǎng)約45 km，采用6輛編組B2型地鐵列車。初期投入運(yùn)營(yíng)列車的走行公里數(shù)已超100萬(wàn)km，運(yùn)營(yíng)車輛已經(jīng)過(guò)第一個(gè)車輛架修周期，逐步進(jìn)入列車大修修程。受重慶市特殊地理?xiàng)l件限制，重慶軌道交通1號(hào)線正線線路坡度超過(guò)30‰的區(qū)段有31 處，曲線半徑小于300 m的區(qū)段有4處，曲線豎緩重疊的區(qū)段有102處，相當(dāng)于85%的曲線段都存在豎緩重疊情況。線路條件的客觀因素導(dǎo)致輪軌關(guān)系惡劣，加大了車輪的磨耗速率。因此，為達(dá)到延長(zhǎng)車輪使用壽命與保證車輪安全使用的目標(biāo)，對(duì)車輪磨耗及其運(yùn)用安全性進(jìn)行全面的研究和計(jì)算是非常必要的。

2 車輪技術(shù)條件及使用情況

重慶市軌道交通1號(hào)線車輪采用S型輻板直徑φ840 mm整體輾鋼車輪，符合TB/T 2817-1997《鐵道車輛用輾鋼整體車輪技術(shù)條件》及HDS型車輪的規(guī)定，踏面輪廓符合TB/T 449-2016《機(jī)車車輛車輪輪緣踏面外形》中規(guī)定的LM型外形輪廓，截面如圖1所示。

圖1 LM型外形輪廓 （單位：mm）

通過(guò)分析現(xiàn)有的車輪檢修記錄，重慶市軌道交通1 號(hào)線車輪在日常檢修過(guò)程中出現(xiàn)踏面擦傷、剝離等不良狀態(tài)的情況非常少，目前車輪存在的主要磨耗為車輪踏面磨耗以及輪緣厚度磨耗，其中輪緣厚度磨耗現(xiàn)象最為突出。由于運(yùn)營(yíng)線路彎道多、半徑小、曲線豎緩重疊等實(shí)際因素，列車通過(guò)曲線時(shí)，外軌與車輪輪緣產(chǎn)生接觸應(yīng)力，導(dǎo)致車輪輪緣磨耗、鋼軌側(cè)磨情況加劇。

截止2020年12月，重慶市軌道交通1號(hào)線列車走行公里數(shù)約95～140萬(wàn)km。其中，走行公里數(shù)在130萬(wàn)km以上的列車占總數(shù)的43%，公里數(shù)在120～130萬(wàn)km以上的列車占總數(shù)的23%，公里數(shù)在110～120萬(wàn)km以上的列車占總數(shù)的11%，公里數(shù)在100～110萬(wàn)km以上的列車占總數(shù)的6%，公里數(shù)在100萬(wàn)km以下的列車占總數(shù)的17%。車輪直徑φ820 mm以上約占58%，φ800 mm～φ820 mm約占32%，φ800 mm以下約占10%，其中最小的輪徑值為775 mm。

根據(jù)目前的車輪磨耗速率推算，重慶市軌道交通1 號(hào)線車輪的平均使用壽命約為112～141萬(wàn)km，存在部分車輪在列車大修修程之前壽命到限的情況。因此，減緩車輪磨耗速率，延長(zhǎng)車輪使用壽命對(duì)于重慶市特殊線路條件的運(yùn)營(yíng)具有重大意義。

3 線路情況

重慶市軌道交通1號(hào)線為典型的山地城市軌道交通線路，除具有坡道大、曲線半徑小等特點(diǎn)，線路條件極其惡劣。另外，開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后，在日常線路維修養(yǎng)護(hù)中發(fā)現(xiàn)多段線路軌底坡不滿足設(shè)計(jì)要求，鋼軌光帶嚴(yán)重偏離。同時(shí)發(fā)現(xiàn)該線路小什字至較場(chǎng)口上行區(qū)間曲線段波狀磨耗（以下簡(jiǎn)稱“波磨”）嚴(yán)重，波磨噪聲與曲線嘯叫同時(shí)發(fā)生，伴隨車內(nèi)有明顯的異常高頻振動(dòng)。鋼軌的異常病害也加劇了車輪的異常磨耗。經(jīng)過(guò)與國(guó)內(nèi)科研單位及施工單位的合作，調(diào)整了軌底坡設(shè)置。通過(guò)對(duì)波磨嚴(yán)重區(qū)段軌道加裝阻尼降噪裝置，減輕了軌道的波磨，總體上改善了輪軌磨耗關(guān)系。

4 影響車輪壽命的主要因素分析

車輪壽命主要指車輪踏面直徑到達(dá)尺寸限制的時(shí)間。重慶市軌道交通1號(hào)線車輪原型直徑φ840 mm，到限尺寸為φ770 mm。因此，將可能造成車輪踏面直徑減小的因素列為重點(diǎn)分析對(duì)象，相關(guān)分析如下。

4.1 踏面磨耗

車輪踏面承受來(lái)自鋼軌、道岔和線路不平順等垂直和水平方向的作用力，車輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，必然造成車輪滾動(dòng)圓方向的磨耗損失。經(jīng)測(cè)算，重慶市軌道交通1號(hào)線車輛的車輪踏面平均磨耗速率為0.07 mm/萬(wàn)km。

4.2 輪緣厚度磨耗

當(dāng)車輛通過(guò)曲線時(shí)，外軌與車輪輪緣產(chǎn)生接觸應(yīng)力，將導(dǎo)致輪緣磨耗。根據(jù)《重慶市軌道交通B型地鐵車輛日常檢修規(guī)程》要求，車輛進(jìn)行日常檢修時(shí)輪緣厚度應(yīng)為23～32 mm，通過(guò)對(duì)重慶市軌道交通1號(hào)線所有車輪的輪緣磨耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出當(dāng)前車輪輪緣厚度磨耗平均速率約為0.18 mm/萬(wàn)km。雖然輪緣的磨耗不直接導(dǎo)致車輪直徑的減少，但由于車輪輪緣厚度可以通過(guò)鏇修車輪的方式恢復(fù)，根據(jù)鏇輪情況測(cè)算每恢復(fù)1 mm輪緣厚度，車輪直徑須減少4.5 mm，即輪緣厚度的恢復(fù)量與踏面直徑減少量之比為1 : 4.5。因此，輪緣磨耗導(dǎo)致的車輪直徑平均減少速率可轉(zhuǎn)換計(jì)算為0.81 mm/萬(wàn)km。

4.3 車輪故障鏇修

車輛運(yùn)用過(guò)程中產(chǎn)生的踏面擦傷、剝離、失圓、碾寬等故障，均能通過(guò)車輪鏇修的方式消除。重慶市軌道交通1號(hào)線車輛實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中故障鏇修次數(shù)較少，只針對(duì)個(gè)別故障車輪進(jìn)行了鏇修，且故障情況發(fā)生存在偶然性，因此在分析車輪使用壽命時(shí)暫不考慮車輪故障導(dǎo)致的輪徑消耗。

根據(jù)以上情況分析可以看出，因車輪踏面與鋼軌的接觸磨耗導(dǎo)致的輪徑減小對(duì)車輪壽命影響非常小，真正影響車輪壽命的因素是輪緣厚度磨耗后，為恢復(fù)輪緣厚度而鏇輪導(dǎo)致的輪徑減小。因此，如何有效的控制車輪輪緣厚度磨耗速率和制定合理的車輪鏇修方案將是延長(zhǎng)車輪壽命的重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)。

5 車輪輪緣厚度磨耗速率分析

通過(guò)收集整理重慶市軌道交通1號(hào)線車輪輪緣厚度數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)不同的輪緣厚度在運(yùn)用過(guò)程中呈現(xiàn)出不同的磨耗速率，典型的車輪輪緣磨耗速率的變化曲線如圖2所示。從該曲線可以看出，列車走行近30萬(wàn)km時(shí)，進(jìn)行了一次車輪鏇修，車輪鏇修為L(zhǎng)M原型踏面外形，輪緣厚度恢復(fù)至32 mm，隨后近30萬(wàn)km運(yùn)行期間，輪緣磨耗速率相對(duì)比較平穩(wěn)。當(dāng)走行公里數(shù)超過(guò)30 萬(wàn)km后，未開(kāi)展車輪鏇修工作，保持當(dāng)前的踏面情況繼續(xù)運(yùn)營(yíng)，車輪輪緣的磨耗速率呈現(xiàn)出較之前有所增加的情況，特別是輪緣厚度從28 mm磨耗至25 mm期間，磨耗速率變化更加明顯，速率進(jìn)一步增加。

圖2 車輪輪緣厚度磨耗曲線

由此可見(jiàn)，根據(jù)重慶市軌道交通1號(hào)線的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，定期開(kāi)展預(yù)防性鏇輪工作、保持踏面標(biāo)準(zhǔn)外形和一定的輪緣厚度，對(duì)減緩車輪輪緣磨耗速率是有效的，從而延長(zhǎng)車輪使用壽命，保障列車運(yùn)營(yíng)安全。

6 國(guó)內(nèi)其他城市軌道交通車輛車輪磨耗情況

6.1 北京市軌道交通1號(hào)線

北京市軌道交通1號(hào)線全長(zhǎng)31.3 km，有SFM04/SFM04A及DKZ兩大類車型。為滿足乘客的出行需求，北京市軌道交通1號(hào)線將高峰時(shí)段列車最小運(yùn)營(yíng)間隔縮短至125 s，最高單日客流量接近160萬(wàn)人次。隨著運(yùn)營(yíng)間隔時(shí)間的進(jìn)一步縮短，受車輛及線路等因素的影響，出現(xiàn)了車輪踏面異常磨耗、輪緣異常磨耗、車輪踏面擦傷與剝離等情況。對(duì)此異常磨耗的應(yīng)對(duì)措施主要有：①改進(jìn)現(xiàn)有車輛的基礎(chǔ)制動(dòng)結(jié)構(gòu)；②選用與車輪踏面材質(zhì)匹配度高且有修復(fù)作用的閘瓦；③減小車輪鏇修的切削量，以延長(zhǎng)車輪使用壽命；④合理分配車輛制動(dòng)力；⑤選擇合理的車輛調(diào)頭周期等。

6.2 廣州市軌道交通

在廣州市軌道交通車輪鏇修技術(shù)要求中，將LM 型踏面車輪輪緣鏇修厚度等級(jí)分為L(zhǎng)M-26、LM-28、LM-30、LM-32 共4個(gè)偶數(shù)等級(jí)，并規(guī)定鏇輪時(shí)可根據(jù)車輪尺寸和鏇修要求進(jìn)行輪緣厚度選擇。原鐵道部2013年發(fā)布的《鐵路客車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》中規(guī)定，車輪輪緣踏面分為10種類型，輪緣厚度不但存在偶數(shù)等級(jí)，也存在奇數(shù)等級(jí)。但奇數(shù)輪緣厚度等級(jí)在廣州市軌道交通中尚未應(yīng)用。

為減少恢復(fù)輪緣厚度造成的車輪直徑浪費(fèi)，延長(zhǎng)車輪使用壽命，降低車輪維修成本，提高車輪鏇修經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)效率，廣州市軌道交通通過(guò)理論研究和實(shí)際鏇修驗(yàn)證，在原有4個(gè)輪緣厚度等級(jí)的基礎(chǔ)上，提出增設(shè)LM-27、LM-29、LM-31共3個(gè)奇數(shù)輪緣鏇修厚度等級(jí)。

6.3 上海市軌道交通4號(hào)線

上海市軌道交通4號(hào)線是一條全長(zhǎng)33.77 km的環(huán)行線，于2005年12月31日通車，在開(kāi)通不到1個(gè)月時(shí)間便出現(xiàn)了多個(gè)車輪輪緣嚴(yán)重磨耗的現(xiàn)象。其中環(huán)線外側(cè)方向的國(guó)產(chǎn)車輪輪緣磨耗尤為嚴(yán)重。經(jīng)分析，國(guó)產(chǎn)車輪材料ER7硬度偏低是出現(xiàn)車輪輪緣異常磨耗的主要原因。對(duì)環(huán)行線路外側(cè)車輪定期換端運(yùn)營(yíng)在一定程度上能改善車輪偏磨現(xiàn)象，同時(shí)安裝輪緣潤(rùn)滑裝置能有效提高車輪使用壽命，而優(yōu)化轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)對(duì)改善輪軌關(guān)系、降低車輪磨耗有較明顯作用。

6.4 對(duì)比分析

因重慶市軌道交通線路條件在國(guó)內(nèi)的特殊性和唯一性，無(wú)法在相同線路條件下直接對(duì)比車輪磨耗情況，下面針對(duì)車輪以及車輪檢修的差異性進(jìn)行對(duì)比分析：①車輪選型及材質(zhì)：國(guó)內(nèi)城市軌道交通車輛車輪一般分為進(jìn)口DIN車輪和國(guó)產(chǎn)TB車輪，重慶市軌道交通1號(hào)線車輪采用的是CL60國(guó)產(chǎn)車輪，對(duì)比國(guó)內(nèi)選用相同車輪的城市軌道交通項(xiàng)目，其材質(zhì)和機(jī)械性能無(wú)差異；②檢修規(guī)程：國(guó)內(nèi)城市軌道交通車輛都根據(jù)各自的車輛設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)備配置制定了相應(yīng)的車輛檢修規(guī)程，車輪檢修項(xiàng)目和測(cè)量項(xiàng)目基本都是參考《鐵路客車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》的規(guī)定項(xiàng)目，日常檢修的測(cè)量項(xiàng)目主要包括車輪直徑、輪緣厚度、踏面圓周磨耗深度等參數(shù)，重慶市軌道交通1號(hào)線車輪檢修規(guī)程與其他城市基本保持一致；③車輪踏面鏇修外形：國(guó)內(nèi)城市軌道交通車輛車輪踏面鏇修外形基本參照TB/T 449-2016 ，其中LM類型中共計(jì)10種踏面外形，各城市軌道交通運(yùn)營(yíng)單位出于車輪鏇修經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)效率的考慮，踏面鏇修外形不盡相同，重慶市軌道交通1號(hào)線車輪鏇修外形選用LM-28即輪緣厚度28 mm及以上的踏面外形。

7 提高車輪使用壽命的措施

通過(guò)與國(guó)內(nèi)其他城市軌道交通線路對(duì)比，針對(duì)重慶市軌道交通1號(hào)線的特殊線路條件及車輛輪對(duì)的運(yùn)用現(xiàn)狀，經(jīng)過(guò)分析，在保證運(yùn)用安全性的基礎(chǔ)上，可以采取以下方式提高車輪壽命。

7.1 定期開(kāi)展預(yù)防性鏇修

根據(jù)重慶市軌道交通1號(hào)線輪緣厚度磨耗速率的測(cè)算，列車運(yùn)營(yíng)30～40萬(wàn)km（2.5～3年）時(shí)，開(kāi)展一次車輪預(yù)防性鏇修，恢復(fù)車輪輪緣厚度，從而減緩輪緣厚度的磨耗速率，延長(zhǎng)車輪使用壽命。并且通過(guò)車輪鏇修工作，消除踏面熱裂紋等損傷，保持車輪踏面外形和一定的輪緣厚度，達(dá)到保障車輪運(yùn)營(yíng)安全性、經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)。

7.2 車輪故障鏇修采取 LM 薄型輪緣踏面外形

根據(jù)重慶市軌道交通1號(hào)線車輛車輪鏇修的要求，鏇修后的車輪踏面外形須符合TB/T 449-2016 中規(guī)定的LM原型踏面外形。在消除個(gè)別車輪踏面的某個(gè)缺陷或不良狀況時(shí)，若鏇修標(biāo)準(zhǔn)僅采用LM原型踏面外形將導(dǎo)致故障車輪鏇修量的增加。例如，需要鏇修的車輪輪緣厚度為28 mm，為消除某個(gè)缺陷或不良狀況將踏面外形恢復(fù)至LM原型踏面外形，即將車輪輪緣厚度恢復(fù)至32 mm，預(yù)計(jì)鏇修后輪徑將減少18 mm，導(dǎo)致單個(gè)車輪鏇修工作效率不高。

單個(gè)車輪鏇修恢復(fù)LM原型踏面外形，也會(huì)導(dǎo)致車輛輪徑差超限的情況。按照《重慶市軌道交通B型地鐵車輛日常檢修規(guī)程》的要求，同一輪對(duì)、同一轉(zhuǎn)向架、同一輛車的輪徑差要求分別為不大于2 mm、不大于4 mm、不大于8 mm。若因?yàn)楣收宪囕嗘浶迣?dǎo)致輪徑減小，造成與其他車輪的輪徑差不匹配，則需對(duì)其他車輪進(jìn)行鏇修，造成浪費(fèi)。

因此，對(duì)于車輪缺陷或不良狀況鏇修，我們針對(duì)鏇修作業(yè)的踏面外形要求進(jìn)行了調(diào)整，采用TB/T 449-2016中規(guī)定的LM薄型輪緣踏面外形，例如LM-31、LM-30、LM-29、LM-28等，外形輪廓選擇更加靈活，車輪鏇修量控制可以更加精確。

7.3 運(yùn)營(yíng)列車定期換向

因城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的特殊性，其運(yùn)營(yíng)線路以及參與運(yùn)營(yíng)的列車都十分固定，基本不存在跨線使用列車的情況，運(yùn)營(yíng)列車無(wú)論在運(yùn)營(yíng)線路的上行線路還是下行線路，在經(jīng)過(guò)同一區(qū)段時(shí)，上、下行通過(guò)的曲線方向和參數(shù)都基本一樣，導(dǎo)致列車通過(guò)曲線時(shí)總是同一側(cè)車輪輪緣與外軌產(chǎn)生接觸壓力，造成同一列車的兩側(cè)車輪輪緣厚度差異加大。

因此，定期對(duì)所有列車開(kāi)展換向?qū)ｍ?xiàng)工作是非常必要的，各個(gè)城市的軌道交通線路可根據(jù)正線線路設(shè)置的轉(zhuǎn)換區(qū)段或車輛段內(nèi)設(shè)置的環(huán)形線路完成列車換向工作。同時(shí)還需根據(jù)車輪的磨耗情況制定合理的換向周期，避免列車輪緣單側(cè)磨耗加劇的情況。根據(jù)重慶市軌道交通1 號(hào)線車輪輪緣的磨耗情況及運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，每年進(jìn)行一次列車換向是合理且必要的。

7.4 加強(qiáng)輪緣潤(rùn)滑設(shè)備維護(hù)與跟蹤

重慶市軌道交通1號(hào)線50%的運(yùn)營(yíng)列車上安裝有濕式輪緣潤(rùn)滑裝置，該裝置采用時(shí)間加彎道的控制方式，能夠在列車通過(guò)曲線時(shí)，將油脂噴灑至輪緣與鋼軌的接觸面上，改善輪軌磨耗關(guān)系。在車輛維護(hù)過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)該裝置維護(hù)、補(bǔ)油及功能試驗(yàn)，確保該設(shè)備正常工作。并且在今后的工作中需對(duì)運(yùn)營(yíng)列車的輪噴指數(shù)（輪噴指數(shù)=所有帶輪噴車總的噴油次數(shù)÷正線運(yùn)行的總列車數(shù)）進(jìn)一步跟蹤統(tǒng)計(jì)，通過(guò)調(diào)整合適的輪噴指數(shù)改善輪緣磨耗速率。同時(shí)，加強(qiáng)與專業(yè)的供應(yīng)商技術(shù)交流，尋找潤(rùn)滑效果更好、更適用于本線路運(yùn)營(yíng)車輛的潤(rùn)滑油脂。

7.5 做好軌道維護(hù)工作

相關(guān)工務(wù)專業(yè)單位應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注重慶市軌道交通1號(hào)線運(yùn)營(yíng)線路中小曲線半徑區(qū)間等容易造成輪軌磨耗的軌道維護(hù)工作，針對(duì)有鋼軌波磨和剝落掉塊區(qū)段進(jìn)行修復(fù)性打磨，消除鋼軌波磨和剝落掉塊，研究小半徑曲線的鋼軌修形周期及標(biāo)準(zhǔn)，并且在正線小曲線半徑區(qū)間增加自動(dòng)軌道涂油設(shè)備，提高輪軌潤(rùn)滑水平。

8 結(jié)束語(yǔ)

基于以上輪軌關(guān)系研究和分析，為進(jìn)一步改善輪軌關(guān)系、延長(zhǎng)車輪使用壽命，還應(yīng)從以下幾方面開(kāi)展研究工作。

（1）由于城市軌道交通輪軌關(guān)系的復(fù)雜性，單獨(dú)分析車輪的磨耗情況存在一定的局限性。在今后的工作中，工務(wù)、車輛專業(yè)須共同長(zhǎng)期跟蹤車輪、鋼軌磨耗情況，為研究城市軌道車輛車輪的使用壽命提供更多的數(shù)據(jù)和更全面的對(duì)比分析，系統(tǒng)性的分析、改善輪軌關(guān)系。

（2）加強(qiáng)車輪運(yùn)用檢修的信息化管理，依托既有智能運(yùn)維平臺(tái)下的檢修信息管理系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出合適的車輪全壽命管理系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)車輪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集、分析，摸索出車輪磨耗趨勢(shì)及異常磨耗，制定合理的鏇輪方法與工藝。同時(shí)，通過(guò)車輪全壽命管理系統(tǒng)，加強(qiáng)日常維護(hù)與架大修的聯(lián)系，為架大修過(guò)程的車輪檢修提供數(shù)據(jù)支撐，減少非必要鏇修，提高車輪使用壽命。

（3）加強(qiáng)與專業(yè)廠家、高校、設(shè)計(jì)院的合作，開(kāi)展輪對(duì)、軌道運(yùn)用情況的調(diào)研，優(yōu)化車輪踏面設(shè)計(jì)，及時(shí)分析、處理鋼軌的病害，改善輪軌關(guān)系，降低車輪非正常磨耗。

（4）必要時(shí)可引入專業(yè)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)輪軌關(guān)系進(jìn)行專業(yè)的測(cè)試與評(píng)估，城市軌道交通運(yùn)營(yíng)單位可根據(jù)第三方的測(cè)試數(shù)據(jù)、評(píng)估報(bào)告開(kāi)展有針對(duì)性的專項(xiàng)治理工作或調(diào)整檢修規(guī)程。