城市軌道交通電動客車輪對鏇修等級探討

摘" 要：城市軌道交通電動客車輪對狀態(tài)是電動客車運營安全性和平穩(wěn)性的保障。輪對支撐著整個車輛的載荷，隨著電動客車在軌道上的高速運行，還需要承受車體和鋼軌傳遞而來各種形式的動、靜作用力，其受力情況比較復雜。因此，在運營過程中，輪對必然會受到各種形式的損傷?；诖?，車輛輪對的檢修、參數(shù)測量、鏇修就顯得尤為重要。當前電動客車輪對的維修主要是利用輪對鏇修將其參數(shù)恢復到合格的幾何狀態(tài)，其中最為關(guān)鍵的一個因素就是制定鏇修等級。選用合適的等級和方式對輪對進行檢修，既要滿足電動客車高質(zhì)量運營的要求，又要延長輪對的使用壽命，減小頻繁更換輪對造成的經(jīng)濟損失。

關(guān)鍵詞：電動客車；輪對；磨耗；安全性；鏇修等級

中圖分類號：U279" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0149-05

Abstract： The wheelset state of electric bus in urban rail transit is the guarantee of the safety and stability of electric bus operation. The wheelsets support the load of the whole vehicle. As the high-speed operation of the electric bus on the track also needs to bear various forms of dynamic and static forces transmitted by the car body and rail， its force situation is more complex; therefore， in the process of operation， wheelsets are bound to be damaged in various forms. It is particularly important for the maintenance， parameter measurement and overhaul of vehicle wheelsets. At present， the maintenance of electric bus wheelset is mainly using wheelset repair to restore its parameters to a qualified geometric state， one of the most important factors is the establishment of repair grade. The selection of appropriate grades and methods for the maintenance of wheelsets not only meets the requirements of high-quality operation of electric buses， but also prolongs the service life of wheelsets and reduces the economic losses caused by frequent replacement of wheelsets.

Keywords： electric bus; wheelset; wear; safety; repair grade

隨著城市軌道交通的運營，結(jié)合電動客車的輪對鏇修測量數(shù)據(jù)，目前發(fā)生的輪對異常主要有徑向偏差過大、左右輪徑超差、輪緣垂直磨耗等。根據(jù)設(shè)備操作和電動客車運營里程的增加，輪對和鋼軌的磨耗會持續(xù)加劇，并且可能會出現(xiàn)輪對踏面擦傷、剝離[1]，踏面碾寬，輪對多邊形磨耗、輪緣偏磨、裂紋，圓周磨耗加劇、輪緣增厚、虛假輪緣等現(xiàn)象[2]，進而造成輪軌關(guān)系惡化影響列車運行的安全性、平穩(wěn)性、乘坐舒適性。為保障列車運行安全性和平穩(wěn)性，輪對鏇修是改善輪軌關(guān)系提高運營質(zhì)量的重要手段，但頻繁鏇修將會縮短輪對的使用壽命，故制定合適的鏇修策略，既保證列車的運營質(zhì)量，又確保輪對能夠滿足全壽命使用就顯得至關(guān)重要。針對電客車輪對的檢修在設(shè)備操作的層面進行了系統(tǒng)地分析，主要涉及鏇修數(shù)據(jù)、不落輪鏇床的使用、輪對運行的安全性等方面。對分析的結(jié)果作出合理的建議和處理措施，從設(shè)備操作層面保障輪對的使用壽命。

1" 輪對鏇修數(shù)據(jù)分析

根據(jù)2019—2022年以來所有鏇修過的輪對數(shù)據(jù)，對鏇修前后的輪徑、切削量、累計運行公里數(shù)和進刀次數(shù)，通過分析切削量、磨耗量、總的消耗量來判斷鏇修情況和輪對壽命，根據(jù)故障修和計劃修的數(shù)據(jù)對比分析，確定鏇修的方式。輪對故障性鏇修數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，其平均故障鏇修周期為8.187萬km，輪徑實際消耗量為0.24 mm/萬km，單純運行消耗量為0.21 mm/萬km。為進一步了解列車輪對尺寸現(xiàn)狀，現(xiàn)以計劃性鏇修后不落輪鏇床測量數(shù)據(jù)為依據(jù)（非同一時間段內(nèi)列車輪對數(shù)據(jù)），對其輪對磨耗情況進行分析研究[3]。

1.1" 現(xiàn)階段城市軌道交通輪對磨耗對比

現(xiàn)階段城市軌道交通標準輪對的可用輪徑范圍為840～770 mm，在完成第一輪計劃性鏇修后輪徑消耗量（每萬千米消耗量=消耗量/千米數(shù)）最大為A010車為0.521 mm/萬km，最小為A023車為0.341 mm/萬km，平均值約為0.430 mm/萬km?？紤]到輪徑越小輪對磨耗越快的特點，預留10 mm余量，輪徑可消耗厚度為60 mm。按照0.430 mm/萬km的平均消耗量計算，輪對可使用的千米數(shù)=60 mm÷0.430 mm/萬km=139.535萬km，滿足大修120萬km的使用需求。對1車至6車輪徑數(shù)據(jù)與整車數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，1車輪徑均值數(shù)據(jù)較整車數(shù)據(jù)偏大0.06%，其余車輪徑均值數(shù)據(jù)均小于整車數(shù)據(jù)，除2車偏小0.03%外，其余車均為0.01%，且4輛動車輪徑數(shù)據(jù)比較接近，2輛拖車輪徑數(shù)據(jù)之間偏差稍大，但沒有明顯輪徑消耗異常的位置。

對拖車和動車輪徑均值比較可以發(fā)現(xiàn)，17列車拖車輪徑值較動車輪徑值大，且平均拖車較動車輪徑值大0.314 mm，可能原因為電控混合制動控制優(yōu)化后，氣制動只在最后施加，起到停車的作用，大大減少了原有制動控制中先施加拖車氣制動造成的拖車輪對磨耗較快的問題，進而使拖車與動車輪對消耗相匹配。

1.2" 單純磨耗輪徑數(shù)據(jù)分析

1）以6列車進行第一輪計劃性鏇修的電客車鏇修前測量數(shù)據(jù)及運行里程數(shù)據(jù)為依據(jù)，計算目前單純運行輪徑消耗數(shù)據(jù)。就單純運行輪徑消耗中消耗量最大為0.279 mm/萬km，最小的為0.220 mm/萬km，均值為0.249 mm/萬km。其值明顯高于2020年11月之前的單純磨耗均值0.209 mm/萬km。

對比上述不同時間輪徑單純磨耗數(shù)據(jù)可以看出，隨著運行里程增長，6列車每萬千米輪徑消耗量均呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢。

2）輪徑每萬千米消耗量與運營里程關(guān)系如圖1所示。

將上述6列車12組數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析并進行指數(shù)性預測如圖1所示，可見就單純磨耗對輪徑的消耗而言，在列車新輪運行里程超過10萬km后，輪徑每萬千米磨耗會隨著千米數(shù)的增加呈現(xiàn)加速上升趨勢。

2" 輪對鏇修情況分析

截至2021年11月23日，共計鏇修26列車52列次762條輪對，總進刀數(shù)2 168次，進刀總量1 199.574 mm，具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析如下。不落輪鏇床每次正常鏇修需進刀2次，1刀為粗切，1刀為精切，當精切完后輪對踏面若還有缺陷，可增加精切次數(shù)直至達到消除缺陷為止，具體參考數(shù)值計算如下。

2.1" 平均計劃性鏇修千米數(shù)

計劃性鏇修合計千米數(shù)為526.554 3萬km，共26列電客車，平均計劃性鏇修千米數(shù)為526.554 3萬km÷26=20.252 1萬km。

2.2" 每次鏇修進刀數(shù)

合計762條輪對，總進刀數(shù)為2 168次，平均每次鏇修進刀數(shù)為2168次÷762=2.845次，較之前故障性鏇修的每次鏇修進刀數(shù)2.479次有所增加。

2.3" 每次進刀切削量

總進刀量為1 199.574 mm，總進刀數(shù)為2 168次，平均每次進刀量為1 199.574 mm÷2 168=0.553 mm，較之前故障性鏇修的每次進刀切削量0.374 mm有明顯增加。

2.4" 每次鏇修切削量

平均每次鏇修進刀數(shù)為2.845次，平均每次進刀量為0.553 mm，平均每次鏇修切削量為2.845×0.553 mm=1.574 mm，則每次鏇修輪徑消耗量為2×1.574 mm=3.148 mm。

3" 綜合情況分析

由上述內(nèi)容可知，目前26列車平均計劃性鏇修周期為20.252 1萬km，單純運行輪徑消耗均值為0.249 mm/萬km，完成首輪計劃性鏇修后輪徑消耗量均值為0.430 mm/萬km。

故在第一個計劃性鏇修周期內(nèi)：單純運行磨耗量為20.252 1萬km×0.249 mm/萬km=5.043 mm；輪徑消耗總量為20.252 1萬km×0.430 mm/萬km=8.708 mm；鏇修輪徑消耗量為8.708 mm-5.043 mm=3.665 mm；通過鏇修切削量計算的每次鏇修輪徑消耗量為3.148 mm，偏差為（3.665 mm-3.148 mm）÷3.148 mm×100%=16.42%；單純運行磨耗占輪徑消耗總量的比值為5.043 mm÷8.708 mm×100%=57.91%；鏇修占輪徑消耗總量比值為100%-57.91%=42.09%；相較于2020年11月單純磨耗占比75.12%，鏇修占比24.89%，此次由于執(zhí)行計劃性鏇修使鏇修量提高到原來的6.4倍（762條÷119條=6.40）；在輪徑消耗中鏇修占比42.09%，較原來提高了17.20%，占比偏高應(yīng)考慮改善鏇修方法。

根據(jù)現(xiàn)有的鏇修設(shè)備中鏇修程序規(guī)定，鏇修分為2刀加工，第一刀粗加工，第二刀精加工。第一刀加工完成后，若出現(xiàn)黑皮或踏面廓形不完整，需要增加刀數(shù)，精加工進刀不小于0.3～0.4 mm。鏇修設(shè)備現(xiàn)有廓形只有輪緣厚度為LM-32、LM-30、LM-28和LM-26這4種踏面廓形[4]。在實際運行過程中，由于輪對的磨耗，車輪形狀只能夠恢復到其中之一。例如，輪緣厚度為 31 mm時，需要鏇修時只能選擇切削使輪緣厚度達到32 mm或是30 mm，這在一定程度上就造成了浪費。因此，制定更多輪緣厚度的踏面曲線標準，或是給出一個推算公式并輸入數(shù)控系統(tǒng)，使輪對在保障運行安全的前提下，盡量減少切削量，從而大幅度地降低成本。

4" 輪對運行安全性指標

電動客車運行的安全性，主要涉及在運行過程中是否出現(xiàn)脫軌和傾覆的問題。電動客車的脫軌根據(jù)輪對運行過程的不同可分為爬軌脫軌、跳軌脫軌、掉道脫軌等。其中爬軌脫軌是隨著車輪的轉(zhuǎn)動，車輪輪緣逐漸爬上鋼軌頭部而引起的脫軌，其是電動客車運行中最為常見的脫軌形式。一般以脫軌系數(shù)、輪重減載率、傾覆系數(shù)等指標來評定車輛運行的安全性。目前，我國主要采用脫軌系數(shù)和輪重減載率2項指標[5]。

4.1" 脫軌系數(shù)

電動客車運行時，在車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)、線路狀態(tài)、運用條件等因素最不利的條件下，可能導致車輪脫軌。在測量和計算輪軌力中選用垂向力和橫向力同時發(fā)生作用，來計算兩者的比值，作為脫軌系數(shù)。在線路狀況、運用條件、車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)和裝載等因素最不利的組合條件下可能導致車輪脫軌。

目前，我國車輛車輪輪緣角為68～70°，目前城市軌道交通電動客車輪對踏面采用LM磨耗型踏面，輪緣角為70°。根據(jù)TB/T 449—2003《機車車輛車輪輪緣踏面外形》，車輪脫軌臨界狀態(tài)作用力關(guān)系、脫軌系數(shù)臨界值僅取決于輪緣角α和輪軌間的摩擦系數(shù)μ。所以，輪緣角越大，脫軌系數(shù)臨界值越大；摩擦系數(shù)越大，脫軌臨界值越小。根據(jù)以上輪廓外形和對比鏇床輪對廓形，廓形輪緣角不發(fā)生變化，但隨著輪對的磨耗，輪緣根部垂直磨耗（qR）加劇，輪緣角會發(fā)生變化[6]。

當qR值小于6.5 mm，輪緣垂直磨耗超限，輪對需要選修；當qR值大于12.7 mm，輪對踏面凹陷或輪緣厚度增大，出于運營安全考慮，輪對同樣需要鏇修。根據(jù)目前輪對測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)輪對橫向值小于6.5 mm、大于12.7 mm的情況沒有出現(xiàn)，因此，在目前電動客車運行累計20萬km的范圍內(nèi)，輪緣接觸角的變化不大，因此鏇修前后脫軌系數(shù)在合格范圍內(nèi)。

4.2" 輪重減載率

5" 結(jié)論

1）總消耗量會根據(jù)鏇修間隔累計運行數(shù)的增加而降低。鏇修間隔累計運行數(shù)低于10萬km時，切削量大于磨耗量，總磨耗量在不斷增加。高于10萬km時，切削量小于磨耗量，總磨耗量在不斷降低，在此之后的輪對鏇修作業(yè)由原來的故障性鏇修改為計劃性鏇修。

2）在計劃修時出現(xiàn)同架和同車輪徑匹配的情況，為滿足同架、同車輪徑差不超限，出現(xiàn)大輪追小輪過度切削情況。

3）規(guī)定廓形，切削增加刀數(shù)占比比推薦選修增加刀數(shù)占比低。車床自帶廓形計算公式，是經(jīng)過參數(shù)測量結(jié)果綜合推薦出來的。根據(jù)現(xiàn)有列車測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，鏇修后，仍然有輪緣厚度超過32.5 mm的情況。

4）鏇床現(xiàn)有廓形達不到最經(jīng)濟鏇修的目的，需要增加廓形。

5）關(guān)于輪對運行安全性，因脫軌系數(shù)的力學分析與輪緣接觸角相關(guān)，在鏇修時，按車床推薦廓形，輪緣接觸角是不變的，鏇修不會引起脫軌系數(shù)的變化。對于輪重減載率，是一個綜合因素。

6" 建議和措施

1）后期電動客車的鏇修，采用計劃修，結(jié)合現(xiàn)有列車計劃修的數(shù)據(jù)，結(jié)合檢修分析結(jié)果（13萬～15萬km）。綜合考慮，初步將計劃性鏇修周期定位為15萬～19萬km。

2）對不能滿足全壽命120萬km使用需求的，后期鏇修應(yīng)加大累計運行間隔，按計劃性鏇修周期的上限鏇修，技術(shù)部門應(yīng)給出合理的鏇修意見。

3）對于輪對廓形的選擇，應(yīng)考慮到輪徑、輪緣厚度和運行里程的綜合因素，全壽命把控原則如圖2所示（以下數(shù)據(jù)不是絕對值）。

鏇床廓形的推薦是車床自帶廓形計算公式，經(jīng)過參數(shù)測量結(jié)果，車床綜合推薦出來的。下一步，在進行輪對鏇修時，應(yīng)根據(jù)以下3大要素：輪徑、運行里程和車床，推薦綜合考慮給定合適的廓形進行加工。對于車床推薦切削深度，現(xiàn)場作業(yè)人員應(yīng)充分考慮切削深度與輪緣厚度的比例關(guān)系，原則上在輪徑優(yōu)先的前提下保證廓形[7]。

4）輪緣減小對輪對運行安全的影響，與脫軌系數(shù)和輪緣接觸角相關(guān)，在鏇修時，按車床推薦廓形，輪緣接觸角是不變的。要求設(shè)備做好鏇床精度把控，做好鏇后輪對各部參數(shù)狀態(tài)的檢查驗收。對于輪重減載率、車輛因素，要求車輛檢修人員對轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)一系、二系、地板面高度等各部尺寸要重點關(guān)注并做好統(tǒng)計、分析、處理。

參考文獻：

[1] 王文健，劉啟躍.車輪踏面剝離機理研究[J].機械，2004（6）：12-15.

[2] 李霞，溫澤峰，金學松.地鐵車輪踏面異常磨耗原因分析[J].機械工程學報，2010，46（16）：60-66.

[3] 周力.車輪踏面數(shù)控加工系統(tǒng)的研究[D].武漢：華中科技大學，2004.

[4] 邱春福.不落輪鏇床切削加工控制方式的對比分析[J].機電工程技術(shù)，2011，40（6）：156-158，164.

[5] 陳澤深，王成國.鐵道車輛動力學與控制[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[6] 朱士友，潘麗莎，員華.輪對等級鏇修對車輛平穩(wěn)性的影響分析[J].城市軌道交通研究，2006（7）：46-48.

[7] 員華，肖勝強，汪洋.基于磨耗量統(tǒng)計的輪對等級鏇修可行性分析論證[J].城市軌道交通研究，2006（1）：43-45，49.