地鐵列車輪對失圓問題分析以及應(yīng)對策略

卞 正，丁亦豐

（南京地鐵運營有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210039）

地鐵列車的空氣制動形式一般有踏面制動和盤形制動2 種，在客流較小、站間距較長的線路，地鐵車輛的運行速度較快，一般采用盤形制動。從目前的地鐵車輛運用經(jīng)驗來看，使用盤形制動的列車更容易產(chǎn)生輪對失圓問題。輪對失圓就是指輪對在短期運營后產(chǎn)生了較高的輪對徑向跳動，這種徑跳使得輪對成為不規(guī)則的多邊形，根據(jù)多邊形的邊數(shù)，可以分為高階多邊形與低階多邊形。

1 輪對失圓原因的探索

南京地鐵首次發(fā)現(xiàn)輪對失圓是在四號線的列車上，大約在運營3 個月內(nèi)，初次鏇修就發(fā)現(xiàn)輪對的徑跳值非常大。隨著對不同列車的測量，發(fā)現(xiàn)輪對失圓影響的列車眾多，而且徑跳值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出輪對鏇修標(biāo)準(zhǔn)。為了找出造成輪對失圓的原因，開始研究各方面可能的影響因素。

1.1 輪軌振動分析

如圖1 所示，同一個軸箱的振動頻率在鏇修前后明顯不同，對振動頻率分析，軸箱振動中50～100 Hz能量帶為其固有頻率，這可能來自軌下或者軸箱。而多邊形車輪使軸箱振動在鏇修前存在大量車輪轉(zhuǎn)頻倍頻，這些倍頻與軸箱的固有頻率帶共振而成為軸箱垂向的振動主頻。

圖1 輪對鏇修前后的振動對比

而車輪在鏇修前與鏇修后在不同區(qū)段上的振動表現(xiàn)，從振動頻譜來看，鏇修后的輪對，也就是消除了多邊形影響后，輪對軸箱振動中50～100 Hz 的固有頻率能量帶在不同形式的軌道板上存在差異，這說明該能量帶是來自于軌道。

從振動測試結(jié)果看，該特征頻帶內(nèi)軸箱的振動在普通道床與ZX2 型扣件配合的軌道上最惡劣，主頻約55 Hz。該特征頻率帶在不同速度下、不同路段內(nèi)以不同階次的轉(zhuǎn)頻倍頻為主頻，說明該振動并非由車輪失圓單一元素造成，而是車輪失圓與軸箱固有頻率帶的共振所致。

1.2 不同軌道下輪軌接觸P2 力響應(yīng)

通過測量不同軌道道床和扣件條件下的列車振動，發(fā)現(xiàn)在整體道床與ZX2 型扣件的組合中，其振動的主要頻率是58 Hz 左右，車輪多邊形頻率在55 Hz左右，兩者頻率接近，輪軌接觸系統(tǒng)產(chǎn)生P2 力共振，這也導(dǎo)致軸箱振動能量放大。不同道床和扣件組合下的鋼軌振動分析如圖2 所示。

圖2 不同道床和扣件組合下的鋼軌振動分析

1.3 運營數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

為了更好地評價輪對失圓的速率，在運營數(shù)據(jù)統(tǒng)計中，采用徑跳發(fā)展率作為主要的評價指標(biāo)。徑跳發(fā)展率是指每1萬km輪對徑跳變化的多少，所以有定義：徑跳發(fā)展率=2 次測量的徑跳值之差/千米數(shù)（萬km）。經(jīng)過統(tǒng)計所有列車的歷史數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)平均徑跳發(fā)展率的大小與輪徑有著明顯的關(guān)聯(lián)性。隨著輪徑的減小，徑跳發(fā)展率迅速下降（平均值能達(dá)到90%左右），并且在輪徑值降低至825 mm 之后，徑跳發(fā)展率趨于平穩(wěn)，變化幅度明顯減小。

1.4 輪對材質(zhì)的影響

為了找出失圓的根本原因，對發(fā)生失圓的輪對進(jìn)行了金相組織分析。最終發(fā)現(xiàn)，硬度較高的上貝氏體都分布在輪對的表面，然后統(tǒng)了其他地鐵與失圓線路的輪對和鋼軌的硬度，其結(jié)果如表1 所示。

表1 失圓和未發(fā)生失圓項目的鋼軌輪對硬度測量統(tǒng)計

從表1 的有限統(tǒng)計結(jié)果來看，在輪對的標(biāo)準(zhǔn)硬度范圍內(nèi)，取其下限比取其上限要更好，也就是輪對材質(zhì)越軟對控制輪對失圓來說越好。

2 輪對失圓帶來的實際問題與應(yīng)對策略

輪對失圓帶來的問題有很多，其中較為突出的問題就是列車振動問題和為了消除失圓過度鏇修導(dǎo)致輪對過快消耗的問題，而列車振動不僅僅帶來乘客的乘坐舒適度的降低，更重要的是這種振動有強(qiáng)大的破壞力，對轉(zhuǎn)向架的軸承、懸掛裝置、管路和構(gòu)架都會造成不可逆的損傷。從線路的維護(hù)經(jīng)驗來看，這種破壞性的問題是最難以預(yù)防和處理的，下面只從運營維護(hù)角度的幾個方面淺談這些問題的應(yīng)對措施。

2.1 失圓振動造成的次生問題的預(yù)防和處理

輪對失圓的次生問題是一個大類，其中轉(zhuǎn)向架方面主要有軸承問題、懸掛裝置問題、氣管路問題以及其他問題。

2.1.1 軸承問題

軸承的問題由于其隱蔽性，實際上很難在平時的檢修作業(yè)中被發(fā)現(xiàn)，對于軸承類故障，主要的方向還是希望能夠及時發(fā)現(xiàn)問題。輪對軸承的日常檢修，只需要關(guān)注軸承的油脂和溫度是否異常之類的常規(guī)檢查即可，想要達(dá)到早發(fā)現(xiàn)、早處理，必須借助于聲學(xué)軸承檢測設(shè)備。

目前的軌旁聲學(xué)檢測設(shè)備已經(jīng)達(dá)到了比較可靠的水平，經(jīng)過匹配相應(yīng)的特征頻率，聲學(xué)設(shè)備的檢測準(zhǔn)確率能在90%以上。然后根據(jù)檢測結(jié)果再進(jìn)行振動復(fù)測，基本上可以在軸承發(fā)生問題的前期將隱患消滅。

2.1.2 懸掛裝置

懸掛主要是一系懸掛的問題，一系懸掛包括垂向減振器和鋼彈簧。在發(fā)生失圓問題的線路，想要迅速地、一勞永逸地解決問題是非常困難的，主要方法還是依靠鏇修保持輪對廓形。但是鏇修還需要考慮列車數(shù)量以及經(jīng)濟(jì)性的問題，它無法完全解決問題，只能減小失圓的影響。一般在失圓線路減振器的滲油問題十分嚴(yán)重，甚至容易發(fā)生垂減的斷裂。在無法避免此類的問題的前提下，檢修人員必須十分關(guān)注減振器和鋼彈簧的狀態(tài)。車輛檢修應(yīng)在月修規(guī)程中要求檢修人員必須對懸掛裝置進(jìn)行觸摸檢查，防止出現(xiàn)減震器斷裂而未發(fā)現(xiàn)的問題。

2.1.3 氣管路問題

振動的影響無處不在，氣管路是深受其害。氣管路的接頭處比較脆弱，一些接頭在出廠連接時由于安裝位置的問題，在連接螺母的邊緣常常存在較高的應(yīng)力集中，振動放大了這些應(yīng)力的影響，時間一長容易造成管路崩斷或者裂紋漏氣。這在很多地鐵線路都出現(xiàn)過，預(yù)防這些問題除了要在設(shè)計時加強(qiáng)防護(hù)意識，在已運營的線路月檢時要加強(qiáng)力度檢查氣管路的狀態(tài)，利用測漏劑及時檢出問題加以處理。

2.1.4 其他問題

主要是失圓對轉(zhuǎn)向架上其他部件的問題，例如構(gòu)架。按照設(shè)計壽命，構(gòu)架實際上不容易出現(xiàn)問題，但是輪對失圓會明顯加速疲勞過程，使得曾經(jīng)不需要花費很多精力的地方必須加強(qiáng)檢查力度，以求在問題發(fā)生的早期發(fā)現(xiàn)它。還有一些掛載信號設(shè)備的橫梁、懸掛臂之類，由于設(shè)備在橫梁中間或者懸掛臂的端部，其振動會明顯加速端部的疲勞。在沒有失圓影響時，按照設(shè)計要求其強(qiáng)度是合理的，但是當(dāng)失圓放大了振動，并且長期放大這種振動時，材料的強(qiáng)度將受到很大的考驗。

2.2 輪對過快消耗的問題分析

發(fā)生失圓的線路一般輪軌關(guān)系較差，又因為失圓需要長期進(jìn)行鏇修修形，所以失圓線路的列車輪對消耗速率非常快，筆者做過一些統(tǒng)計，如表2 所示。

表2 失圓造成的輪徑消耗速率與正常輪徑消耗速率對比

可以發(fā)現(xiàn)，失圓線路的輪徑消耗速率可以達(dá)到正常線路的2.5 倍，相對而言，失圓線路的輪對壽命只有正常線路的40%，這對運營而言是一筆很高的成本支出。但是鏇修又是必須的，否則列車振動將會帶來更加難以預(yù)料的后果。所以，研究鏇修策略就非常有必要了，這是在既定條件下必須作出的選擇。一般正常的線路鏇修策略是故障鏇修，在發(fā)生失圓的線路，為了保證線路運營質(zhì)量以及緩解人員和設(shè)備的集中壓力，計劃鏇修是值得考慮的選項。

一些地鐵的鏇修模式采用的是早期的鐵路標(biāo)準(zhǔn)，鏇床的鏇修模式只有LM26、LM28、LM30、LM32 幾種偶數(shù)型。而通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)當(dāng)輪緣厚度大于32 mm 時，切削量基本維持不變，輪緣厚度在28～30 mm 以及31～32 mm 的區(qū)間時，鏇修切削量明顯較高，這剛好與我們的鏇修模式相對應(yīng)。

然后統(tǒng)計切削量與徑跳值之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)較大的徑跳帶來了較大的切削，但是由于徑跳變化導(dǎo)致切削增加的閾值在0.5 mm 以上，實際上輪對徑跳值在0.5 mm 之前大部分已經(jīng)被鏇修修復(fù)。所以綜上可以得出，我們的鏇修模式對輪對輪徑消耗有較大的影響。

鐵路的輪對鏇修標(biāo)準(zhǔn)近年也進(jìn)行了更新，踏面廓形增加了 6 種，分別為 LM27、LM27.5、LM29、LM29.5、LM31、LM31.5，這也為地鐵探索經(jīng)濟(jì)型鏇修提供了依據(jù)。這項工作在失圓發(fā)生的早期能體現(xiàn)出優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性，在失圓后期，由于徑跳發(fā)展率趨于平穩(wěn)，其能利用的空間逐漸收窄，經(jīng)濟(jì)性將顯著降低。在開展一段時間的經(jīng)濟(jì)性鏇修后，能明顯減少因適應(yīng)鏇修模式造成的無效鏇修，這為地鐵運營節(jié)約了成本。

3 總結(jié)

列車車輪失圓的主要原因：①部分軌道的固有頻率與多邊形輪對的頻率產(chǎn)生共振；②輪餅的硬度選擇偏向上限，造成硬度偏高，不利于失圓控制。失圓造成的主要問題：①降低乘客舒適度；②對轉(zhuǎn)向架部件造成難以預(yù)料的不可逆損傷；③輪對鏇修的成本壓力增加。針對以上問題的分析，失圓問題出現(xiàn)后的對策：①新線建設(shè)時要綜合考慮輪軌耦合振動的特性，選擇適合的軌道扣件，并且電客車可以選配輪對踏面清掃裝置，利用研磨子對輪對修形；②聯(lián)系車輪廠商，研究并控制車輪中有害材質(zhì)的含量和分布，增加車輪原胚尺寸以獲得性能更好的輪餅；③運營需要加強(qiáng)對轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的各類部件的檢查，引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，對部件的隱患進(jìn)行掃除，如走行部監(jiān)測系統(tǒng)、軌旁的軸承聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)等；④研究分析線路運營數(shù)據(jù)，選擇合適的鏇修策略，尤其是增加鏇修廓形選擇可以提高鏇修經(jīng)濟(jì)性。