地鐵列車車輪不圓發(fā)展分析與優(yōu)化方案

彭漢操，霍浩翔

（佛山市地鐵運(yùn)營有限公司，廣東佛山 528010）

1 引言

佛山地鐵2 號線采用B1 型車、4 動(dòng)2 拖6 節(jié)編組，最高運(yùn)行速度可達(dá)100 km/h，開通初期的輪對鏇修主要采用故障性鏇修模式。至2022 年5 月，車輛檢修陸續(xù)發(fā)現(xiàn)車輪圓跳動(dòng)超差，以致列車因需上鏇床復(fù)測而扣車。為解決該問題，計(jì)劃對所有列車集中進(jìn)行一次預(yù)防性鏇修，并借此利用鏇床測量統(tǒng)計(jì)所有車輪對數(shù)據(jù)。除此以外，為研究車輪不圓成因，隨機(jī)抽樣某一節(jié)車對其進(jìn)行車輪不圓測試，以做進(jìn)一步分析研究。

本文以解決佛山地鐵2 號線車輪不圓問題為目的，對列車不圓情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及開展相關(guān)測試，綜合分析佛山地鐵2 號線車輪不圓發(fā)展特點(diǎn)，對車輪不圓問題進(jìn)行有針對性的優(yōu)化。

2 輪對運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)及運(yùn)用情況

2.1 輪對運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于輪對檢修與鏇修方面，佛山地鐵2 號線依據(jù)維修手冊制定一系列關(guān)于電客車輪對的運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)，輪對運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 輪對運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)

2.2 輪對運(yùn)用情況

輪對采用LM-32 踏面，制動(dòng)方式采用盤式制動(dòng)。從開通至2022 年5 月（列車公里數(shù)約為8.5 萬km），輪對磨耗情況如表2 所示。統(tǒng)計(jì)顯示，右輪磨耗相比于左輪磨耗略大，輪緣厚度一直維持在32 mm 左右。

表2 輪對磨耗情況 mm/萬km

關(guān)于故障情況，至2022 年5 月已出現(xiàn)9 起因檢查輪對不符合標(biāo)準(zhǔn)調(diào)車進(jìn)鏇輪庫復(fù)測或鏇修的情況。輪對故障多為車輪不圓，其次為踏面凹坑與電蝕，未發(fā)現(xiàn)同輪對同架同車輪徑差不達(dá)標(biāo)或輪緣尺寸不達(dá)標(biāo)的情況，輪對故障情況如表3 所示。

表3 輪對故障情況 起

鏇輪后，曾出現(xiàn)踏面凹坑及電蝕的輪對經(jīng)后續(xù)跟蹤觀察故障未再重現(xiàn)，且該類問題的出現(xiàn)并不存在規(guī)律性。而車輪不圓問題經(jīng)后續(xù)跟蹤觀察仍會(huì)發(fā)生且呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，因而車輪不圓問題需重點(diǎn)關(guān)注。

3 車輪不圓發(fā)展情況統(tǒng)計(jì)

針對車輪不圓問題，本次研究選取較具有代表性的035036、045046、049050 車作為分析對象。

3.1 跟蹤列車基本情況

在相同運(yùn)營環(huán)境下，該3 列列車較早暴露列車輪對問題，至2023 年2 月前均已經(jīng)歷2 次鏇床整車測量，均約行駛6 萬km 時(shí)進(jìn)行第一次復(fù)測鏇修，絕大部分輪對持續(xù)運(yùn)行達(dá)12 萬km 左右再進(jìn)行第二次測量鏇修。不同的是，045046 及049050 車第一次鏇修發(fā)生于2022 年5 月車輪不圓問題集中爆發(fā)前，此時(shí)為部分輪對故障性鏇修，故該2 列列車至第二次鏇修前絕大部分輪對未作修復(fù)。035036 車則作為在2022 年5 月車輪不圓問題集中爆發(fā)后安排整車鏇輪的代表，第一次鏇修時(shí)已將所有輪對修復(fù)，如表4 所示。

表4 跟蹤列車基本情況 km

3.2 不同列車不圓發(fā)展統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)該3 列車在行駛約6 萬km 及12 萬km 時(shí)的車輪徑向圓跳動(dòng)情況，如圖1、圖2 所示。取第一次鏇修所測數(shù)據(jù)作為約6 萬km 時(shí)的徑跳值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由于035036 車第一次鏇修為整車鏇輪，故到第二次鏇修時(shí)輪對可近似為持續(xù)行駛12 萬km。045046 與049050 車有極個(gè)別輪對在第一次鏇修時(shí)進(jìn)行過鏇修，作為近似取值，采用第一次測量的徑跳值外加第二次測量的徑跳值作為運(yùn)行約12 萬km 時(shí)的徑跳值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖1 運(yùn)行6 萬km 車輪徑跳值統(tǒng)計(jì)

圖2 運(yùn)行12 萬km 車輪徑跳值統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)顯示，3 列列車車輪徑跳值在運(yùn)行6 萬km 時(shí)數(shù)值相近，且集中在0.1～0.3 范圍內(nèi)，只有極少數(shù)輪對超過0.5 mm 的標(biāo)準(zhǔn)。然而，當(dāng)運(yùn)行公里數(shù)到達(dá)12萬km 時(shí)，3 列列車車輪不圓的發(fā)展呈現(xiàn)出截然不同的發(fā)展趨勢，其中049050 車輪不圓趨勢發(fā)展相對較快，035036 車輪不圓趨勢發(fā)展相對較慢。

3.3 同列車鏇修前后不圓發(fā)展對比

針對同列車，035036 車作為5 月份開始集中整車鏇修的典型，其48 個(gè)車輪不圓發(fā)展也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律特點(diǎn)，輪徑跳值發(fā)展如圖3 所示。該圖對列車在運(yùn)行至約6 萬km 后的車輪狀態(tài)與鏇修完后再運(yùn)行至約12 萬 km 的車輪狀態(tài)進(jìn)行對比，其中輪1 至輪8 代表了第一節(jié)車從前端至后端的8 個(gè)車輪，后車車輪標(biāo)號以此類推。

圖3 035036 車車輪徑跳值發(fā)展

對比列車48 個(gè)車輪，其不圓發(fā)展有著較大的差異，各節(jié)車之間并無明顯規(guī)律與關(guān)聯(lián)。而對比第一次測量與第二次測量，可以發(fā)現(xiàn)鏇輪后的車輪其不圓發(fā)展并沒有得到一致性的改善，而是保持了以往的態(tài)勢。前期曾出現(xiàn)徑跳值較大的車輪相比于其他車輪更容易發(fā)展成不圓。該特點(diǎn)為所有5 月起集中出現(xiàn)輪對問題的鏇修車共有，非035036 車獨(dú)有。

3.4 同車輪不同階段不圓發(fā)展情況

為觀察對比單個(gè)車輪不圓發(fā)展的速度，現(xiàn)統(tǒng)計(jì)045046 與049050 車2 次鏇床測量相較上一次測量時(shí)的車輪徑跳值增長幅度，并以第二次測量的各車輪徑跳值增長幅度進(jìn)行從小到大排序，同時(shí)為排除故障修的影響，將故障修的車輪進(jìn)行剔除，045046 與049050 車2車的輪徑跳值如圖4、圖5 所示。

圖4 045046 車車輪徑跳值變化

圖5 049050 車車輪徑跳值發(fā)展

統(tǒng)計(jì)顯示，車輪不圓的發(fā)展速度在后一階段普遍慢于前一階段，該方面主要考慮為新線因素，在運(yùn)營初期新輪與新鋼軌處于磨合階段，因而初期更容易產(chǎn)生車輪不圓問題。除此以外，初始不圓度有過較大發(fā)展的車輪，盡管在后一階段不圓發(fā)展速度有所降低，但其發(fā)展速度仍普遍大于初始不圓度較小的車輪。

3.5 車輪不圓發(fā)展特點(diǎn)總結(jié)

經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)分析，2 號線列車車輪不圓發(fā)展的主要特點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）同一時(shí)間段內(nèi)不同列車車輪不圓發(fā)展的速度不盡相同，初始有較大不圓的車輪，其后期不圓發(fā)展速度普遍較快；

（2）前期曾出現(xiàn)不圓的車輪，經(jīng)過鏇修后仍保留以往的發(fā)展趨勢；

（3）隨著公里數(shù)增加，車輪不圓發(fā)展速度有減緩趨勢。

4 車輪不圓發(fā)展分析

4.1 成因分析

衡量車輪不圓一般以2 個(gè)參數(shù)決定，1 個(gè)為車輪的徑跳幅值，定義為以輪軸為中心，車輪平均方向的最大變化量；另1 個(gè)為車輪多邊形階次信息[1]。通常運(yùn)營單位只以車輪徑跳值來判斷列車車輪是否應(yīng)該進(jìn)行鏇修，在此為研究2 號線車輪不圓的成因，選取1 列鏇后運(yùn)行公里數(shù)約為5 萬km 的列車，對其中1 節(jié)車的8 個(gè)車輪進(jìn)行車輪不圓測試。該測試選用成都智能交通科技（CSRT）車輪不圓度儀，采用接觸測量方法完成。測試過程中位移傳感器與車輪垂直接觸，以記錄車輪不圓度信息。另外旋轉(zhuǎn)傳感器用于測量車輪的周長信息，以便準(zhǔn)確記錄位移傳感器所測不圓度的相位信息。

在每個(gè)1/3 倍頻程中將所得窄帶頻譜幅值的平方再求和，并除以計(jì)算點(diǎn)數(shù)即可獲得在粗糙度的定義中，10 μm 粗糙度的有效幅值（均方根值）對應(yīng)20 dB的粗糙度等級，而1 μm 的粗糙度幅值則對應(yīng)0 dB 粗糙度等級。不圓度測試時(shí)測試點(diǎn)位于車輪踏面名義滾動(dòng)圓處。車輪不圓測試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 車輪不圓度測試結(jié)果

關(guān)于各車輪的具體測試情況做如下統(tǒng)計(jì)，具體如表5 所示。

表5 車輪不圓度測試統(tǒng)計(jì)

車輪不圓的表現(xiàn)形式可分為車輪多邊形化和車輪踏面局部凹陷[3]?？v觀所有車輪的高階不圓階次，可以看出列車車輪并沒有形成以某一階次為主導(dǎo)的車輪多邊形化。且各車輪高階不圓對應(yīng)的粗糙度并不存在個(gè)別突出，因而先排除可能形成車輪多邊形化的潛在因素，如原始制造過程中三角爪的車輪固定方式所致、輪對一階彎曲共振所致等[4-6]。

在測量的8 個(gè)車輪中，部分車輪如5-1L、5-4L、5-4R 其徑跳值相比于其他車輪較為突出，觀其對應(yīng)直角坐標(biāo)下或極坐標(biāo)下的車輪不圓度曲線可以看出該部分車輪普遍存在局部凹陷情況，波長范圍在200～1 000 mm不等。

關(guān)于車輪踏面局部凹陷，其成因通常與列車牽引制動(dòng)方面相關(guān)[7]。在這一點(diǎn)上，與2 號線列車正線運(yùn)營過程中常發(fā)生的空轉(zhuǎn)滑行問題有著較為密切的聯(lián)系。仙涌站—林岳西站區(qū)間為露天高架段，其間分布有多個(gè)坡度較大的上下坡段。當(dāng)雨天來臨時(shí)，露天濕滑的鋼軌導(dǎo)致輪軌之間的黏著系數(shù)下降，且列車日常運(yùn)營速度最高可達(dá)100 km/h，在該條件下較容易發(fā)生輪對的空轉(zhuǎn)滑行。

在空轉(zhuǎn)滑行的影響下，列車輪對踏面形成局部偏磨甚至擦傷，因而導(dǎo)致車輪不圓。因此解決下雨天列車的空轉(zhuǎn)滑行問題對于解決車輪不圓問題將有較大幫助。

4.2 鏇修后車輪不圓保留以往發(fā)展趨勢的分析

在統(tǒng)計(jì)中，鏇修后車輪不圓保留了以往發(fā)展趨勢的特點(diǎn)同樣值得關(guān)注。在該特點(diǎn)下，前期曾出現(xiàn)不圓度較大的車輪相比于其他車輪更容易發(fā)展成不圓，因而該部分車輛在未來將一直成為整列車的短板。由于車輪直徑受同車、同架、同輪對偏磨量的限制，該部分輪對的鏇修維護(hù)必將連帶其他車輪一同鏇修，從而增加了不必要的鏇修成本。

關(guān)于該問題的分析，主要考慮鏇修工藝、車輪材質(zhì)差異性2 方面。

（1）在鏇修工藝方面，曾有研究指出鏇床的加工定位方式將對鏇修質(zhì)量造成影響[8-10]。不落輪鏇床通常采用2 個(gè)摩擦驅(qū)動(dòng)輪的V 形結(jié)構(gòu)定位（圖7），在軸箱處缺少支撐固定，對輪對回轉(zhuǎn)中心不能形成有效約束。若車輪踏面在鏇修前存在較為嚴(yán)重的車輪多邊形或凹坑等踏面損傷，回轉(zhuǎn)中心將相對于車刀上下浮動(dòng)。因此，鏇修并不能完全消除車輪不圓痕跡。在后續(xù)運(yùn)營過程中，不圓將以原來的態(tài)勢發(fā)展。采用軸箱支撐以對車軸中心進(jìn)行固定，如圖8 所示，鏇修時(shí)可有效避免受車輪踏面狀態(tài)的影響。故鏇修工藝對于鏇修后車輪不圓保留以往發(fā)展趨勢的影響較小。

圖7 V 形結(jié)構(gòu)定位方式[12]

圖8 2 號線不落輪鏇床

（2）在車輪材質(zhì)方面，不同車輪踏面材質(zhì)具有一定的差異性，部分車輪相比于其他車輪更容易形成擦傷或踏面局部磨損，從而導(dǎo)致即便是鏇修完后，部分車輪仍然與往常一樣相比于其他車輪不圓發(fā)展更為迅速。而這也與上文中不圓度測試結(jié)果相吻合。

5 優(yōu)化措施

基于以上分析，結(jié)合佛山地鐵2 號線實(shí)際情況，考慮從以下方面進(jìn)行優(yōu)化。

（1）在高架上下坡段進(jìn)行降速處理。對于高架段，雨天時(shí)可通過司機(jī)人工控車或修改自動(dòng)駕駛模式（ATO）控車邏輯的方式適當(dāng)降低列車上下坡段時(shí)的行駛速度，使輪對不易產(chǎn)生空轉(zhuǎn)滑行行為[11]。

（2）增加車輪撒沙裝置。通過車輪撒沙的方式提高輪軌之間的黏著系數(shù)，以此增加輪軌摩擦力，降低車輪空轉(zhuǎn)滑行發(fā)生的可能性。

（3）提高鏇修工藝質(zhì)量。由于鏇修后車輪不圓將保持以往的趨勢發(fā)展，當(dāng)列車部分車輪出現(xiàn)較大徑向圓跳動(dòng)時(shí)，該部分車輪鏇修標(biāo)準(zhǔn)可從原來的鏇后徑跳值小于0.15 mm 修改為鏇后徑跳值小于0.1 mm，控制該部分車輪初始不圓處于一個(gè)較小的水平。

（4）調(diào)整鏇修模式。車輪不圓問題為普遍性問題，采用當(dāng)前故障性鏇修模式可能造成短期內(nèi)車輛再次返修，故障扎堆集中扣車。故后續(xù)主體采用計(jì)劃性整車鏇修模式以錯(cuò)開各列車鏇修時(shí)間，同時(shí)輔以故障性維修應(yīng)對突發(fā)情況[13-15]。

（5）優(yōu)化鏇修周期。因各車輪不圓發(fā)展速度不盡相同，而發(fā)展趨勢又具有較高的保持性。因此可制定各列車差異化鏇修周期，表現(xiàn)較差的列車可適當(dāng)縮減鏇修周期，表現(xiàn)較好的列車適當(dāng)增大鏇修周期。

6 優(yōu)化后現(xiàn)狀

自2022 年5 月車輪不圓問題集中式出現(xiàn)后，佛山地鐵2 號線已逐步開展相關(guān)優(yōu)化措施。首先，當(dāng)前鏇修模式已從原來的故障性維修轉(zhuǎn)換為計(jì)劃性整車鏇修模式輔以故障性維修的鏇修模式，故障扎堆集中扣車問題得以解決。其次，逐步提高鏇修工藝質(zhì)量，當(dāng)前鏇修后車輪徑跳值已基本控制在0.1 mm 以內(nèi)。最后，針對高架段雨天空轉(zhuǎn)滑行問題，現(xiàn)佛山地鐵2 號線已要求在列車滑行情況出現(xiàn)較為頻繁的區(qū)段進(jìn)行人工減速，以減少列車滑行行為。

為驗(yàn)證優(yōu)化后的效果，本次研究隨機(jī)抽取1 列047048 車進(jìn)行檢查。該車至今共計(jì)進(jìn)行2 次鏇修，鏇修時(shí)間分別為列車公里數(shù)11.2 萬km 及24 萬km，如圖9所示。結(jié)果表明各輪對在第二次鏇修前相比于第一次鏇修前車輪不圓度普遍更小，車輪不圓發(fā)展速度相比得以減緩。

圖9 047048 車2 次鏇修前車輪徑跳值對比

除此以外，考慮各車輪不圓發(fā)展速度不盡相同，在未來數(shù)據(jù)積累更為豐富以后，可制定各列車差異化鏇修周期，以進(jìn)一步減小鏇修成本。

7 結(jié)論

車輪不圓問題是目前制約佛山地鐵2 號線輪對使用壽命的關(guān)鍵因素，解決不圓問題意義重大。本文通過對佛山地鐵2 號線投入運(yùn)營的3 列列車車輪徑跳值進(jìn)行測量跟蹤對比，發(fā)現(xiàn)輪對不圓發(fā)展的3 個(gè)特點(diǎn) 。

（1）同一時(shí)間段內(nèi)不同列車車輪不圓發(fā)展的速度不盡相同，初始有較大不圓的車輪，其后期不圓發(fā)展速度普遍較快。

（2）前期曾出現(xiàn)不圓的車輪，經(jīng)過鏇修后仍保留以往的發(fā)展趨勢?？紤]其原因主要為車輪材質(zhì)差異性所致。

（3）考慮運(yùn)營初期新輪與新鋼軌處于磨合階段，隨著公里數(shù)增加，車輪不圓發(fā)展速度有減緩趨勢。

分析車輪不圓測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，車輪不圓的主要表現(xiàn)為踏面局部凹陷，與雨天發(fā)生的空轉(zhuǎn)滑行問題有著較為密切的聯(lián)系。

本研究結(jié)合該特點(diǎn)，提出了高架上下坡段降速、增加車輪撒沙裝置、提高鏇修工藝質(zhì)量、調(diào)整鏇修模式、優(yōu)化鏇修周期的優(yōu)化方案，為其他地鐵同行解決車輪不圓問題提供參考。