北京地鐵1#線車輪異常磨耗分析及解決措施

任志剛

(北京市地鐵運營二分公司，北京 100043)

1 車輪異常磨耗基本情況

2019年8月至2020年8月，1#線DKZ4型車車輪的異常磨耗現(xiàn)象明顯，鏇修任務量明顯增大，從以往每年25次左右突然增大到43次，鏇修任務量增加70%。對31組車這一年的月修測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計得知，車輪輪緣萬公里平均磨耗為0.53 mm，踏面萬公里平均磨耗為0.62 mm。車輪的異常磨耗情況導致鏇修完的車輛，經(jīng)過半年多的時間就又面臨再次鏇修，且經(jīng)過兩三次鏇修后的車輪大多數(shù)已接近半磨耗狀態(tài)，極大地降低了車輪的使用壽命。以S425車組走行公里為2 145 842 km時測量的1#(動車)和2#(拖車)車輪徑與輪緣值為例(見表1)，拖車車輪的踏面萬公里平均磨耗大于動車車輪，動車的1、4軸導向輪輪緣磨耗情況比較嚴重，而且測量時還發(fā)現(xiàn)部分車輪的踏面上有2道溝槽，溝槽之間的寬度與閘瓦寬度基本一致，其中拖車車輪踏面上出現(xiàn)溝槽的情況比動車多，而且比動車車輪更為嚴重。

表1 S425車組車輪直徑與輪緣 厚度數(shù)值對比 單位：mm

2 車輪異常磨耗原因分析

2.1 線路情況復雜

由于北京地鐵1#線是全國第一條建成通車的地鐵線，建設時間較早，線路上有多處小半徑曲線的彎道，其中最小處彎道的曲線半徑僅有195 m。另外，為了保證車輛進站時能夠快速降低車速，減少制動力實現(xiàn)平穩(wěn)可靠停車，進站前的線路被設計為上坡加彎道的形式，加上線路道岔多，車輛單向運營里程長等都會對車輪磨耗產(chǎn)生不利影響。

鋼軌與車輪接觸時，摩擦系數(shù)除了與兩者的材質(zhì)、尺寸等有關外，還取決于相互接觸部位的表面狀態(tài)。鋼軌與車輪接觸部位表面狀況差、潤滑不及時也是造成車輪異常磨耗的原因之一。

2.2 調(diào)頭周期紊亂

在對31組車車輪兩側輪緣磨耗情況和輪徑差值進行匯總統(tǒng)計時發(fā)現(xiàn)，多數(shù)車輛車輪輪緣出現(xiàn)偏磨較嚴重的時期為2019年8月至2019年10月。因為在此期間，正在對1#線車輛調(diào)頭所用的線路區(qū)間進行信號升級改造工作(由于該線路區(qū)間位于蘋果園站至53#站之間并不影響車輛的正常運營)，導致車輛不能按計劃進行調(diào)頭，造成了車輛一側車輪輪緣長期處于異常磨耗狀態(tài)。通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比，當車輛單向運營時間超過2個月后，其偏磨現(xiàn)象開始明顯(見圖1)，其中S405車組輪緣偏磨現(xiàn)象最為嚴重，單向運營時間達到了4個月(正常調(diào)頭周期為1.5個月左右)，車輛左右兩側車輪輪緣萬公里平均磨耗分別為1.25 mm和0.25 mm，磨耗比高達5∶1?？梢姡囕v調(diào)頭周期紊亂是造成車輪輪緣偏磨的主要原因之一。

圖1 車輛單向運營時間與磨耗比的關系

2.3 左右車輪輪徑差超限

1#線DKZ4型車檢修規(guī)程規(guī)定，正線運營車輛的同一根車輪左右輪徑差不大于3 mm。車輛經(jīng)過一段時間的運行，車輪都會出現(xiàn)一定的輪徑差，當同一根車輪輪徑差超過1 mm時，車輛在運行中就要通過車輪踏面的傾斜度來調(diào)整，保證左右車輪同徑，導致車輪輪徑小的一側輪緣靠近鋼軌，致使輪緣偏磨。通過月修測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比發(fā)現(xiàn)，當同一根車輪左右兩側的輪徑差大于2 mm時，由于輪徑小的一側車輪承受較大的摩擦力，會加快輪緣的異常磨耗現(xiàn)象。如果不及時發(fā)現(xiàn)并鏇修，當左右輪徑差大于3 mm時，輪緣的偏磨速度將明顯加快(見圖2)。

圖2 輪緣萬公里平均磨耗與輪徑差的關系

2.4 車輪輪緣與鋼軌軌頭游間大小不一

車輪輪緣與鋼軌軌頭之間留有一定的間隙量，是減少輪緣與軌頭發(fā)生異常磨耗的必要條件。根據(jù)《鐵路技術管理規(guī)程》，標準軌距的線路，在直線區(qū)段的最小軌距為1 433 mm，而標準車輪的最大輪背內(nèi)側距為1 355 mm。

當車輪輪緣最大厚度為32 mm時，輪緣與鋼軌間的最小游間δ可由下式求得：

δ=1 433-(1 355+32×2)=14 mm

(1)

由計算可知，每側輪緣與鋼軌之間的平均最小游間為7 mm，這樣的游間可以保證在正常狀態(tài)下、輪緣與鋼軌不會發(fā)生嚴重磨耗。另外適當增大游間可以分散踏面的受力位置，減少磨耗。但游間也不能過大，從車輛的運行品質(zhì)上考慮，游間過大將會增大蛇行運動的振幅。因此，從減少輪軌磨耗和提高車輛運行品質(zhì)兩方面綜合考慮，游間不能過大也不能過小。

由上述公式可知，當軌距一定時，不論改變內(nèi)側距還是輪緣厚度，都會導致游間的變化。修程工藝要求單根車輪內(nèi)側距標準值為(1 353±2)mm，但沒有對同一轉(zhuǎn)向架前后輪內(nèi)側距之差的要求。當前輪內(nèi)側距為1 355 mm、后輪內(nèi)側距為1 351 mm時，那么同一轉(zhuǎn)向架的兩根車輪的游間將相差2 mm。若此時前輪輪緣厚度為32 mm，后輪輪緣厚度為28 mm時，那么前后兩根車輪的游間差值將擴大到6 mm。游間不統(tǒng)一會增大車輛行駛中的左右擺動，使作用于鋼軌的橫向力加大，加劇車輪磨耗。而且車輛通過彎道時，游間小的車輪起到的導向作用更大，受到的橫向力也更大，磨耗也就更大。

2.5 制動力分配

北京地鐵1#線電動客車制動系統(tǒng)采用電制動和空氣制動相結合的方式。正常情況下，當車輛速度超過25 km/h時，車輛首先采用電制動，此時牽引電機轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機，將車輛的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芡ㄟ^接觸軌反饋給電網(wǎng)，即實施高效再生電制動。當電制動不足時，先由拖車空氣制動進行補充，當拖車實施空氣制動且制動力達到粘著極限時仍不能滿足制動要求(如圖速度低于V1時)，動車才會實施空氣制動進行補足。此時施加的空氣制動力較小，不會造成動車踏面過度磨耗。但是，由于拖車只能施加空氣制動，而且站間距離短(平均站間距僅有1.3 km)，車輛加速和降速快，制動十分頻繁，所以拖車車輪踏面磨耗大于動車車輪。

另外，由于閘瓦安裝托的結構為中空結構，只有兩側約10 mm的部位和閘瓦是實體接觸，車輛施加空氣制動時，閘瓦托將閘瓦與踏面壓緊，由于兩側實體接觸部位所傳遞的壓力相對較大，所以導致踏面上出現(xiàn)兩道溝槽狀磨耗。

由于DKZ4型車沒有安裝制動電阻，當同一區(qū)段內(nèi)多列車輛同時施加電制動發(fā)電時，會導致電網(wǎng)電壓超過1 000V。當電壓超過1 000V時，車輛會自動取消電制動，通過增加相應空氣制動力以保證車輛足夠的總制動力，導致電制動不能得到充分的利用，只能靠增加空氣制動來彌補，加重了車輪踏面的磨耗和溝槽的形成。而且拖車優(yōu)先施加空氣制動進行補足，施加的制動力比動車大且頻繁，所以拖車車輪踏面上出現(xiàn)溝槽的情況比動車多。對10組上線運營車輛的240根車輪統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，有176根車輪踏面有不同程度的溝槽狀磨耗，其中動車車輪僅有14根，其余162根均為拖車車輪，而且磨耗程度比動車車輪更為嚴重。

3 措 施

3.1 加裝輪緣潤滑裝置

輪緣潤滑裝置安裝于轉(zhuǎn)向架上，采用固體潤滑方式，將潤滑劑涂抹于輪緣根部，通過輪軌間的相互傳遞，使其在輪緣與鋼軌接觸的軌距面上形成一層固體薄膜，從而降低輪軌間的摩擦系數(shù)，可有效降低輪緣磨耗。且只要安裝一定比例的輪緣潤滑裝置就能起到保護整列車輪的作用，效果明顯。

2020年3月對六組車加裝了輪緣潤滑裝置。根據(jù)對這六組車一年多的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計得知，加裝輪緣潤滑裝置后比沒有加裝前車輪輪緣磨耗有了明顯的好轉(zhuǎn)，輪緣萬公里平均磨耗由0.46 mm降低到了0.18 mm，輪緣的萬公里平均磨耗降低了61%。

3.2 采用合理的車輛調(diào)頭周期

車輛在正線運行過程中，由于離心力的作用，在曲線外側軌道上的車輪輪緣受到的橫向力遠大于內(nèi)側車輪輪緣，特別是通過小曲率半徑彎道時磨耗更為嚴重，外側車輪輪緣磨耗明顯高于內(nèi)側車輪。因此，車輛在運營一段時間后，左右兩側車輪輪緣厚度會產(chǎn)生一定的差異，需定期通過調(diào)頭來平衡左右兩側車輪輪緣的磨耗，但車輛調(diào)頭不僅要按照距上一次調(diào)頭時間的先后順序進行，還應查看對比車輛的輪緣輪徑數(shù)據(jù)和走行公里數(shù)。如S408因客室電視和空調(diào)改造扣車1個月(車輛正常調(diào)頭周期為1.5個月左右)，那么實際其走行公里數(shù)只是正常運營車輛的1/3，相當于半個月就又將其調(diào)一次頭，反而加劇了一側車輪輪緣的磨耗。因此應結合車輛數(shù)據(jù)進行合理的調(diào)整，從而對車輛進行有方向性的運營，避免單側輪緣長期處于異常磨耗狀態(tài)，從而延長車輪的使用壽命。

3.3 對車輪采取保護性和經(jīng)濟性的鏇修方式

提高車輛上線運營標準，嚴格控制車輪的輪徑值。以S415車組1#、3#、5號車為試驗車，2#、4#、6#車為參照車。要求試驗車的每根車輪左右輪徑差不大于2 mm，參照車的每根車輪左右輪徑差不大于3 mm。經(jīng)過近一年的時間，運營里程達到100 000 km，期間對試驗車進行了1次保護性鏇修。通過跟蹤測量數(shù)據(jù)顯示試驗車輪緣的萬公里平均磨耗為0.27 mm，參照車輪緣的萬公里平均磨耗為0.45 mm。磨耗有了明顯的下降，而且兩側輪緣磨耗也比較均勻，沒有出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象。

輪緣在車輛行駛時起導向作用，是保證車輛安全運行的關鍵因素，保證車輛能夠安全運行的輪緣厚度最小值為23 mm。但通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當輪緣厚度一旦低于26 mm，磨耗量將接近輪緣厚度為27～30 mm時的2倍。

另外，鏇輪時還應考慮鏇修的經(jīng)濟性，即輪徑與輪緣的切削補償關系(見圖3)，目前輪緣厚度的恢復都是以減小車輪直徑為前提的。由圖3可知，車輪直徑減少量與鏇修后輪緣厚度增加量的比值是隨輪緣厚度不同而變化的。當輪緣厚度為27 mm時，上述比值最小，每恢復1 mm輪緣厚度，踏面直徑減少量約為4 mm。

圖3 輪徑切削量和輪緣補償量比值與鏇修前輪緣厚度的關系

因此，在輪緣厚度為27 mm左右時鏇輪不僅能減少車輪直徑的切削量而且還能避免因輪緣厚度過低導致的輪緣異常磨耗。

3.4 合理匹配車輪，減少游間差

以S412車組3#車前后兩臺轉(zhuǎn)向架的4根車輪為例進行對比試驗，試驗前車輪已進行鏇修并記錄數(shù)值，在車輛經(jīng)過兩個月修(40 000 km)后再次測量數(shù)值(見表2)，對比前后兩臺轉(zhuǎn)向架的4根車輪試驗前后輪緣的磨耗情況，1臺轉(zhuǎn)向架1、2軸輪緣的萬公里平均磨耗分別為0.60 mm和0.31 mm，2臺轉(zhuǎn)向架3、4軸輪緣的萬公里平均磨耗分別為0.25 mm和0.26 mm。對比得出，減少同臺轉(zhuǎn)向架2根車輪的游間差能夠有效降低車輪輪緣的異常磨耗情況。另外，車輛修程時將動車1、4軸的導向車輪分別與2、3軸互換，這樣可以避免同一根車輪長期處于高磨耗狀態(tài)，從而減少同一轉(zhuǎn)向架兩車輪之間的游間差，進一步降低輪緣磨耗。

表2 試驗前后測量數(shù)值 單位：mm

3.5 調(diào)整車輛制動力的分配

2020年11月，聯(lián)系廠家對其制動控制系統(tǒng)的電子芯片程序再次進行了更新和優(yōu)化，當電制動力不能完全滿足整列車的制動力需求時，使拖車和動車平均分擔補足的空氣制動力。

車輛最大常用制動力約為300 kN，而車輛在70 km/h施加最大常用制動時的電制動力約為180 kN，剩余的120 kN制動力需要空氣制動來補足。調(diào)整后的制動控制系統(tǒng)將會把整列車需要補足的空氣制動力平均分配給每節(jié)動車和拖車，這種分配方式有效地降低了拖車的空氣制動力，減小閘瓦壓力。另外車輛加裝了制動電阻，當同一區(qū)段內(nèi)多列車輛同時施加電制動時，電網(wǎng)電壓達到1 000 V后車輛將會通過制動電阻自行消耗剩余部分電能，不會影響電制動的施加。相比之前，電制動能得到更充分的利用，可降低補足部分的空氣制動力，從而減少車輪踏面磨耗和溝槽的形成。

通過調(diào)整制動力的分配和加裝制動電阻后，降低了車輪踏面的磨耗，尤其是對減少溝槽狀磨耗效果十分明顯，目前經(jīng)過鏇修后的車輛車輪踏面均未出現(xiàn)溝槽狀磨耗現(xiàn)象。

4 結 論

通過以上措施，北京地鐵1#線DKZ4型車輛車輪的異常磨耗情況得到了很大改善。2021年上半年的鏇修任務量減少到了8次，僅為去年同期的1/3，車輪輪緣萬公里平均磨耗由0.53 mm下降到了0.18 mm，車輪踏面萬公里平均磨耗由0.62 mm下降到了0.21 mm。有效延長了車輪的使用壽命，降低了車輛鏇輪的頻次和對生產(chǎn)運營的影響，同時也大大降低了維修成本。至此，北京地鐵1#線車輪異常磨耗情況得到了有效控制。