基于踏面清掃裝置的地鐵車輪鏇修周期改善研究

伍安旭 陳 遜 吳 波 馮 暢 溫士明 汪冬冬

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司， 213011， 常州∥第一作者， 高級(jí)工程師)

車輛車輪非圓化磨耗現(xiàn)象一直是城市軌道交通行業(yè)未能徹底解決的難題[1]。車輪非圓化磨耗將引起車輛-軌道系統(tǒng)強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重影響車輛運(yùn)行品質(zhì)、旅客乘坐舒適度和車輛-軌道系統(tǒng)各個(gè)零部件的使用壽命[1-2]，甚至將會(huì)威脅到列車運(yùn)行安全。為確保列車安全運(yùn)行，需頻繁地鏇修車輪，以恢復(fù)車輪的初始廓形。而頻繁鏇修車輪縮短了車輪的鏇修周期，增加了地鐵公司維保工作的開支[3]。

確保車輪的相關(guān)參數(shù)尺寸始終處于安全的使用范圍內(nèi)，同時(shí)盡可能延長(zhǎng)車輪鏇修周期，減少車輪維護(hù)成本等問題，始終是地鐵公司關(guān)注的重點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]采用SIMPACK軟件建立了地鐵車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，從車輪橫向磨耗和周向磨耗兩個(gè)方面分析車輪的磨耗形成和發(fā)展規(guī)律，并基于動(dòng)力學(xué)性能提出不同車輪多邊形階次下不圓度的鏇修安全限值，給出了一種較為經(jīng)濟(jì)的車輪鏇修模板自動(dòng)匹配策略。文獻(xiàn)[5]通過車輪踏面和輪緣的幾何參數(shù)尺寸建立了基于高斯過程的車輪磨耗模型，并在此基礎(chǔ)上，以車輪期望最大使用壽命及期望最少鏇修次數(shù)為指標(biāo)，利用蒙特卡羅仿真方法，分析了不同鏇修策略的鏇修結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了鏇修維護(hù)策略的優(yōu)化。文獻(xiàn)[6]從安全性和經(jīng)濟(jì)性的角度對(duì)車輪的鏇修切削量進(jìn)行了分析，提出了經(jīng)濟(jì)型薄輪緣鏇修的車輪磨耗切削取值和擦傷取值，在保證車輛運(yùn)行安全性的前提下提高車輪切削的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[7]從車輪的磨耗形式入手，針對(duì)原有鏇修策略的經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行分析，對(duì)等級(jí)鏇修策略的切削取值進(jìn)行了探討，提出車輪等級(jí)鏇修的檢修標(biāo)準(zhǔn)，以保證在車輛運(yùn)行安全的前提下降低車輪維護(hù)成本。

本文基于踏面清掃裝置在線實(shí)時(shí)研磨車輪踏面的功能，保持車輪踏面相關(guān)幾何參數(shù)不變，對(duì)地鐵車輪鏇修周期的改善效果開展試驗(yàn)研究。

1 踏面清掃裝置簡(jiǎn)介

踏面清掃裝置由機(jī)械結(jié)構(gòu)踏面清掃器和摩擦體研磨子組成，如圖1所示。研磨子是由樹脂、纖維和填料組成的復(fù)合材料。踏面清掃裝置動(dòng)作時(shí)活塞桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)研磨子，實(shí)現(xiàn)研磨子與車輪踏面的貼合，從而達(dá)到在線實(shí)時(shí)研磨車輪踏面的功能。

圖1 踏面清掃裝置Fig.1 Tread cleaning device

研磨子的長(zhǎng)度為125 mm，寬度為83 mm，硬度為120 HRR(塑料洛氏硬度)，作用壓力為0.3 MPa。研磨子動(dòng)作加載方式為車輛到站開始制動(dòng)時(shí)，以一定節(jié)拍間歇施加研磨子動(dòng)作。

2 車輪相關(guān)幾何參數(shù)檢測(cè)方法

2.1 車輪非圓化磨耗檢測(cè)

本文采用接觸式測(cè)試設(shè)備直接檢測(cè)車輪非圓化磨耗。該設(shè)備的使用方法及數(shù)據(jù)采集原理見文獻(xiàn)[8]。

為量化評(píng)價(jià)車輪非圓化磨損程度，車輪粗糙度水平Lr,k定義如下：

(1)

式中：

rk——車輪非圓化數(shù)據(jù)f(x)的均方根值在1/3倍頻程k中進(jìn)行的量化[9]；

rref——車輪粗糙度的參考值。

2.2 車輪橫向廓形檢測(cè)

車輪輪緣踏面采用LM型面。引入控制參數(shù)FH、FT和QR來評(píng)價(jià)車輪的磨耗情況，F(xiàn)H、FT和QR分別表示輪緣高度、輪緣厚度和輪緣綜合值，如圖2所示。這3個(gè)控制參數(shù)的定義如下：

1)定義距離輪背70 mm的踏面處為P0點(diǎn)，P1點(diǎn)為輪緣最高點(diǎn)向下2 mm處，P2點(diǎn)為距離P0點(diǎn)垂向向上12 mm 處。

2)輪緣高度FH為輪緣最高點(diǎn)與P0點(diǎn)之間的垂向距離，輪緣厚度FT為輪背與P2點(diǎn)之間的水平距離，輪緣綜合值QR為P1點(diǎn)與P2點(diǎn)之間的水平距離。

車輪踏面磨耗量定義為P0位置的實(shí)測(cè)廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形的法向距離。

地鐵列車車輪采用LM型面，其標(biāo)準(zhǔn)型面FH、FT和QR的值分別為27.0 mm、32.0 mm和9.2 mm。

圖2 車輪磨耗控制參數(shù)的定義Fig.2 Definition of wheel wear control parameters

3 某地鐵列車車輪幾何參數(shù)檢測(cè)

3.1 工程概況

以國(guó)內(nèi)某條地鐵線路為例，該線路共有24列列車，選用6節(jié)編組 B型車，車輛設(shè)計(jì)速度為100 km/h，采用盤形制動(dòng)方式，車輪材質(zhì)為ER9。該線路全長(zhǎng)約36 km，共19個(gè)車站。

據(jù)地鐵運(yùn)營(yíng)公司統(tǒng)計(jì)，該線路自開通運(yùn)營(yíng)2年半以來，車輛平均鏇修周期為5萬km，鏇修原因主要為車輛振動(dòng)較大。選取某列鏇修較為頻繁的車輛為試驗(yàn)車進(jìn)行全列鏇修，使車輪恢復(fù)到初始狀態(tài)，以便與后續(xù)試驗(yàn)對(duì)比分析。鏇后的車輪圓度見圖3。

a) 1車1軸右輪

b) 6車4軸右輪圖3 鏇后的車輪圓度Fig.3 Rear wheel roundness after reprofiling

全列列車均已安裝踏面清掃裝置，如圖4所示。為了對(duì)試驗(yàn)效果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，1車、2車、3車啟用踏面清掃裝置，4車、5車、6車不啟用踏面清掃裝置，如圖5所示。

試驗(yàn)期間車輛正常載客運(yùn)營(yíng)，并定期跟蹤測(cè)試車輪的相關(guān)幾何參數(shù)。

3.2 地鐵列車車輪運(yùn)用狀態(tài)調(diào)查

3.2.1 車輪非圓化磨耗分布

試驗(yàn)車鏇后運(yùn)行5.5萬km時(shí)，對(duì)車輪非圓化磨耗進(jìn)行調(diào)查。為方便測(cè)量與管理，一般采用車輪徑跳值表征車輪非圓化的嚴(yán)重程度。車輪徑跳值是指車輪非圓化引起的車輪最大半徑與最小半徑的差值。圖6為試驗(yàn)車運(yùn)用5.5萬km時(shí)的車輪徑跳值統(tǒng)計(jì)。由圖6可見，1車—3車車輪徑跳值均小于0.1 mm;4車—6車大部分車輪徑跳值超過0.3 mm，且其最大值為0.8 mm。由此可見，4車—6車車輪徑跳平均值為0.4 mm，是1車—3車的7倍。

圖4 踏面清掃裝置裝車示意圖Fig.4 Schematic diagram of tread cleaning device loading

注：Tc1、Tc2為帶司機(jī)室的拖車；M1、M2為無受電弓的動(dòng)車；Mp1、Mp2為有受電弓的動(dòng)車;①、②、③、④分別為1軸、2軸、3軸和4軸。

圖6 試驗(yàn)車運(yùn)行里程達(dá)5.5萬km時(shí)的車輪徑跳值

圖7給出了1車1軸右輪和6車4軸右輪的非圓化形態(tài)，并與ISO 3095—2013規(guī)定的車輪表面粗糙度限值進(jìn)行對(duì)比。圖7 a)中車輪圓度較好，與其鏇后的初始狀態(tài)相比，其圓度基本未發(fā)生變化，且所有階次下的車輪表面粗糙度均位于ISO 3095—2013規(guī)定的限值下方。圖7 b)中車輪較其鏇后已出現(xiàn)明顯的非圓化磨耗，主要表現(xiàn)為12階，該階次的車輪表面粗糙度為30 dB/μm，超過ISO 3095—2013規(guī)定的限值。

a) 1車1軸右輪

b) 6車4軸右輪圖7 試驗(yàn)車部分車輪不圓度幅值Fig.7 Out-of-roundness wear range of some test vehicle wheels

圖8所示為試驗(yàn)車所有車輪的非圓化磨耗。由圖8可見，1車—3車車輪的所有階次下的車輪表面粗糙度均位于ISO 3095—2013規(guī)定限值下方；4車—6車不同車輪的非圓化磨耗主要表現(xiàn)階次存在差異，且大部分車輪的部分階次超過ISO 3095—2013規(guī)定的限值，存在嚴(yán)重的非圓化現(xiàn)象。

a) 1車—3車所有車輪

b) 4車—6車所有車輪圖8 試驗(yàn)車所有車輪表面粗糙度Fig.8 Surface roughness of all test vehicle wheels

3.2.2 車輪非圓化磨耗對(duì)軸箱振動(dòng)的影響

為了研究車輪非圓化磨耗對(duì)其軸箱振動(dòng)的影響，對(duì)車輛軸箱振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試過程中車輛空載運(yùn)行?？紤]試驗(yàn)條件的同等性，選取對(duì)稱分布且同側(cè)鋼軌上的1車1軸右輪和6車4軸右輪軸箱為測(cè)試對(duì)象，以便對(duì)比分析。

采用三向加速度計(jì)測(cè)量軸箱處的振動(dòng)加速度。三向加速度計(jì)量程為±200g，采樣頻率為5 000 Hz。整個(gè)測(cè)試過程中，車輛運(yùn)行、操作與正常載客運(yùn)營(yíng)一致。

圖9為1車1軸右軸箱和6車4軸右軸箱測(cè)點(diǎn)處垂向和橫向的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線。全線路共19個(gè)車站，分別對(duì)應(yīng)圖9中振動(dòng)加速度為0的時(shí)刻，一般車輛到站停車時(shí)長(zhǎng)為30 s。由圖9可見，6車4軸右軸箱的振動(dòng)加速度明顯高于1車1軸右軸箱的振動(dòng)加速度。

a) 垂向

b) 橫向圖9 1車1軸和6車4軸右軸箱振動(dòng)加速度Fig.9 Vibration acceleration at right axle box of vehicle 1 axle 1 and vehicle 6 axle 4

采用全線路加速度總有效值對(duì)車輛的振動(dòng)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。加速度有效值作為線路不平順狀態(tài)和列車振動(dòng)響應(yīng)關(guān)系規(guī)律的評(píng)判依據(jù)，反映了列車在運(yùn)行過程中軸箱的振動(dòng)規(guī)律。

考慮到車輛到站停車30 s時(shí)的振動(dòng)加速度為0，不能反映輪軌振動(dòng)狀態(tài)，因此計(jì)算整條線路上車輛軸箱振動(dòng)加速度有效值時(shí)，剔除了到站停車30 s的軸箱振動(dòng)加速度，見表1。由表1可知，6車4軸右軸箱垂向和橫向振動(dòng)加速度有效值比1車1軸右軸箱分別高50.2%和63.0%。

表1 車輛軸箱振動(dòng)加速度有效值

結(jié)合上述兩輪的非圓化磨耗情況可知，車輪非圓化磨耗將產(chǎn)生強(qiáng)烈的軸箱振動(dòng)。

3.2.3 車輪非圓化發(fā)展規(guī)律

通過上述對(duì)試驗(yàn)車車輪運(yùn)用狀態(tài)的調(diào)查，4車—6車車輪運(yùn)用5.5萬km后，大部分車輪的軸箱振動(dòng)較大?？紤]列車振動(dòng)限制及運(yùn)行安全，地鐵運(yùn)營(yíng)公司對(duì)4車—6車車輪進(jìn)行了鏇修。為探討踏面清掃裝置對(duì)車輪鏇修周期的改善效果，持續(xù)跟蹤并統(tǒng)計(jì)1車—3車車輪的運(yùn)用狀態(tài)。

圖10為1車1軸右輪非圓化跟蹤測(cè)試結(jié)果。圖10 a)和圖10 b)車輪徑跳值分別為0.04 mm和0.03 mm。由圖10可知，隨著車輛運(yùn)行里程的增加，車輪圓度基本未發(fā)生改變；車輛運(yùn)行里程達(dá)12萬km后，車輪徑跳值為0.03 mm，與鏇后車輪初始圓度基本相同。由此可推斷，隨著車輛運(yùn)行里程的增加，踏面清掃裝置仍可保持鏇后車輪的圓度基本不變。由此可見，踏面清掃裝置可有效解決車輛在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的車輪非圓化磨耗現(xiàn)象的發(fā)生。

a) 車輛運(yùn)行里程為7.1萬km

b) 車輛運(yùn)行里程為12.0萬km圖10 1車1軸右輪不圓度幅值

4 地鐵車輪鏇修周期分析

4.1 車輪鏇修的影響因素

上述試驗(yàn)研究表明，車輛運(yùn)行過程中在踏面清掃裝置的作用下，車輪基本不會(huì)產(chǎn)生非圓化磨耗，即非圓化磨耗不再是車輪鏇修的影響因素。但這并不意味著車輪鏇修周期無限長(zhǎng)。影響車輪鏇修的因素較多，如車輪踏面磨耗、擦傷、硌傷、輪緣高度、輪緣厚度等。其中，車輪擦傷和硌傷為鏇修的隨機(jī)因素，無法用于估算車輪的鏇修周期。因此，本文在研究踏面清掃裝置對(duì)車輪鏇修周期的改善效果時(shí)，忽略隨機(jī)因素對(duì)其的影響。

表2 地鐵車輪鏇修標(biāo)準(zhǔn)

目前，我國(guó)地鐵車輛暫無統(tǒng)一的鏇修標(biāo)準(zhǔn)，本文將參考表2所示的鏇修標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 車輪橫向磨耗分布

定期跟蹤1車—3車車輪的橫向廓形，并分析車輪橫向磨耗分布。由于測(cè)試車輪較多，圖11選取了1車1軸右輪的車輪磨耗結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。圖11中的5條實(shí)線分別為4次車輪鏇后實(shí)測(cè)廓形，以及LM-32標(biāo)準(zhǔn)廓形。此外，圖11中的4條虛線為車輪磨耗量，該磨耗量為車輪實(shí)測(cè)廓形與LM-32標(biāo)準(zhǔn)廓形的法向距離。

注：坐標(biāo)原點(diǎn)位于LM-32標(biāo)準(zhǔn)型面廓形的名義滾動(dòng)圓處。圖11 1車1軸右輪廓形磨耗測(cè)試結(jié)果Fig.11 Test results of vehicle 1 axle 1 right wheel profile wear

由圖11可見，車輪磨耗主要分布在踏面橫向-25～40 mm的范圍內(nèi)，主要表現(xiàn)為踏面磨耗；且該范圍內(nèi)的踏面磨耗較為均勻，未出現(xiàn)明顯的橫向凹坑磨耗。車輪踏面橫向凹坑磨耗是輪軌滾動(dòng)摩擦接觸中的一種自然磨耗現(xiàn)象。車輪踏面出現(xiàn)凹坑磨耗會(huì)對(duì)車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性產(chǎn)生不利影響[10]。車輛鏇后運(yùn)行12萬km后的等效錐度為0.13，與LM-32標(biāo)準(zhǔn)型面的等效錐度0.10相近。

4.3 車輪橫向磨耗與運(yùn)行里程的關(guān)系

對(duì)測(cè)試的1車—3車車輪橫向廓形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。圖12～14為車輪踏面磨耗量、輪緣厚度和QR與鏇后運(yùn)行里程的關(guān)系。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，踏面磨耗量、輪緣厚度和QR與鏇后運(yùn)行里程呈線性增長(zhǎng)關(guān)系；平均踏面磨耗速率為0.22 mm/萬km，平均輪緣厚度和QR增長(zhǎng)速率相同，均為0.13 mm/萬km，主要原因是車輛運(yùn)行過程中車輪輪緣幾乎未產(chǎn)生磨耗，如圖11所示。結(jié)合表2中各參數(shù)的鏇修限值，通過踏面磨耗量、輪緣厚度及QR隨車輛運(yùn)行里程的發(fā)展規(guī)律，可獲得各參數(shù)達(dá)到鏇修限值時(shí)車輛的運(yùn)行里程。考慮車輪磨耗具有離散性，采用圖12～14中函數(shù)表達(dá)式計(jì)算時(shí)將鏇修限值降低0.5 mm。

踏面磨耗量超限時(shí)，車輛運(yùn)行里程為16萬km。輪緣幾乎未發(fā)生磨耗，且輪緣厚度隨車輛運(yùn)行里程增加而增大，因此輪緣厚度不會(huì)超出鏇修限值。QR值超限時(shí)，車輛運(yùn)行里程為14.6萬km。由此可見，鏇修周期受QR的制約，取為14.6萬km。由圖12可見，鏇后車輪踏面的初始QR為10.3 mm，而標(biāo)準(zhǔn)LM-32型踏面的QR約為9.2 mm。若要提高車輪鏇修質(zhì)量，保證鏇后QR處于9.2 mm附近，則QR到限時(shí)，車輛運(yùn)行里程為23.1萬km，此時(shí)，車輪鏇修周期受踏面磨耗量制約，可取為16萬km。

圖12 車輪踏面磨耗與鏇后運(yùn)行里程的關(guān)系

圖13 輪緣厚度與鏇后運(yùn)行里程的關(guān)系

圖14 QR與鏇后運(yùn)行里程的關(guān)系

5 結(jié)論

1)踏面清掃裝置可解決車輛運(yùn)行過程中產(chǎn)生的非圓化磨耗現(xiàn)象，從而降低車輛軸箱處的振動(dòng)。

2)踏面清掃裝置作用下車輪踏面磨耗隨車輛運(yùn)行里程基本呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。

3)在一定程度上踏面清掃裝置可使車輪初始等效錐度不隨車輛運(yùn)行里程發(fā)生較大變化。

4)在車輪非圓化磨耗發(fā)展迅猛的情況下，采用踏面清掃裝置可有效提高車輪鏇修周期。