地鐵車輛車輪偏磨現(xiàn)象及其原因分析

摘要：車輪偏磨現(xiàn)象嚴(yán)重影響地鐵運(yùn)營的安全和舒適性。為掌握國內(nèi)某地鐵線路車輛車輪偏磨特性及其產(chǎn)生的主要原因，通過大量現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)詳細(xì)分析了車輪和鋼軌的磨耗分布特性，發(fā)現(xiàn)該地鐵列車車輪普遍存在偏磨現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為右側(cè)車輪輪緣磨耗明顯大于左側(cè)車輪。這種偏磨現(xiàn)象從鏇后2萬公里到下一次鏇修一直存在，且隨著鏇后運(yùn)營里程的增加輪緣偏磨現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重。當(dāng)鏇后運(yùn)營里程達(dá)到20萬公里時，輪緣偏磨達(dá)到2.57 mm。線路曲線段尤其是小半徑曲線多，其中半徑小于400 m的曲線占總里程的14.4%，且左右曲線分布不均勻，左曲線長度是右曲線的近2倍，以及車輛長期不掉頭運(yùn)營等是導(dǎo)致車輪出現(xiàn)輪緣偏磨的主要原因。最后基于車輪偏磨原因提出一種減緩車輪偏磨的車輪鏇修改進(jìn)方案。改進(jìn)鏇修方案的輪緣磨耗速率僅為0.10 mm/萬公里，較傳統(tǒng)鏇修方案輪緣磨耗速率的0.18 mm/萬公里降低了45%。

關(guān)鍵詞：地鐵；車輪偏磨；現(xiàn)場測試；小半徑曲線

中圖分類號：U279 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.08.004

文章編號：1006-0316 （2024） 08-0025-06

Asymmetrical Wear of Metro Vehicle Wheels and Cause Analysis

ZHU Jia1，YIN Yansong1，CHI Fenggong1，XIA Huixing2，HUA Hongbin2，LIN Chuanqi3，LI Jun3

（ 1. Qingdao Metro Operation Co.， Ltd.， Qingdao 266000， China; 2. Jiangsu Jiangling Measurement and Control Technology Stock Co.， Ltd.， Jiangyin 214422， China; 3. State Key Laboratory of Rail Transit Vehicle System， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

Abstract：The phenomenon of asymmetrical wear of wheel in subway trains has a serious impact on the safety and comfort of subway operations. In order to understand the characteristics and main causes of asymmetrical wheel wear of subway train， this paper presents a detailed analysis of the wear distribution on the wheels and rails of a domestic subway line through extensive field test data. The results show that wheel wear exists commonly in the subway trains， with significantly greater wear on the right wheel flange compared to the left wheel flange. The phenomenon of asymmetrical wear appears from 20，000 kilometers after wheel lathing and lasts until next wheel lathing. With the increase of the operating mileage， the phenomenon of asymmetrical wear becomes more and more serious. When the operating mileage after wheel lathing reaches 200，000 km， the wheel flange asymmetrical wear reaches 2.57 mm. The main causes for the occurrence of wheel flange asymmetrical wear include （1） the high number of curved sections， particularly those with sharp curves， in which the curve radius less than 400m accounts for 14.4% of the total mileage; （2） the uneven distribution of left and right curves， with the left curve nearly 2 times the length of the right curve; and （3） the long-term operation of the vehicles without changing directions. Finally， a wheel truing modification program has been proposed to reduce the asymmetrical wheel wear. The wear rate of the wheel lathing modification program is only 0.10 mm/10，000 km， which is 45% lower than that of the traditional wheel lathing program of 0.18 mm/10，000 km.

Key words：metro；asymmetrical wheel wear；field tests；sharp curves

地鐵得益于其能耗低、載客量大、環(huán)境污染低、安全準(zhǔn)時等優(yōu)點，已成為人們出行的重要交通工具。地鐵在城市軌道交通中占比最大，在鋪設(shè)地鐵線路時，為實現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)效益，需要串聯(lián)主要交通站點，但在城市空間結(jié)構(gòu)的影響下，往往需要通過設(shè)置曲線來規(guī)避地下建筑物、管線等設(shè)施。相較于在直線上行駛，在曲線上行駛時輪軌之間的蠕滑力和蠕滑率會更大，這種現(xiàn)象在小半徑曲線上表現(xiàn)得尤為明顯。由于地鐵小半徑曲線較多、啟停頻繁等特點，其車輪異常磨耗現(xiàn)象，如車輪偏磨、車輪多邊形磨耗等日趨嚴(yán)重[1-3]。車輪偏磨是指車輪的輪緣長時間貼靠鋼軌，導(dǎo)致輪緣磨耗異常劇烈的現(xiàn)象[4]，其會改變輪軌接觸狀態(tài)，帶來脫軌隱患，嚴(yán)重威脅地鐵列車運(yùn)營安全。此外，正常狀態(tài)下輪緣磨耗到限需經(jīng)歷較長的運(yùn)行里程，而偏磨車輪輪軌間接觸狀態(tài)惡化，輪緣磨耗速率較高，導(dǎo)致很快磨耗到限。為解決車輪偏磨問題，地鐵養(yǎng)護(hù)部門通常采用車輪鏇修對車輪廓形進(jìn)行修復(fù)，從而改善輪軌關(guān)系。但鏇修時需要犧牲較大車輪直徑才能恢復(fù)輪緣，不僅影響車輛上線率，車輪壽命的縮短也顯著增加了車輛與線路的維護(hù)成本[5]，帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失。有文獻(xiàn)表明，車輪偏磨是目前制約地鐵輪對使用壽命的關(guān)鍵因素[8]，因此，找到地鐵車輛車輪偏磨的原因，對保證車輛安全運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)鏇修非常重要。

針對車輪偏磨，許多科研人員從現(xiàn)場和理論開展了大量研究[6-10]。李霞等[6]在分析地鐵車輪踏面非正常磨損形成的因素時發(fā)現(xiàn)，閘瓦制動是其中的關(guān)鍵要素，并使用CONTACT和磨耗功模型來分析地鐵車輛車輪輪緣磨耗的成因。于春廣等[7]進(jìn)行了實地跟蹤測試研究，發(fā)現(xiàn)某地鐵線路輪緣磨耗突出并且產(chǎn)生了輪緣偏磨現(xiàn)象，闡述了輪緣潤滑不足等造成輪緣偏磨的原因，結(jié)合CONTACT理論研究了一系縱向剛度及摩擦系數(shù)對車輪磨耗的影響，并提出了相應(yīng)的車輪磨耗減緩措施。肖國放等[8]基于非橢圓接觸計算模型Kik-Piotrowiski模型建立了車輪磨耗預(yù)測模型，在計算得到仿真踏面之后，利用跟蹤測試的地鐵車輪磨耗實測結(jié)果證明了模型的可信度，對輪對偏磨提出掉頭運(yùn)行等解決措施，利用模型對偏磨解決措施進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，車輛掉頭行駛可以有效減緩偏磨，且左、右曲線百分比差值小于3%時和采取掉頭措施的效果相當(dāng)。為明確車輪鏇修的里程限值，陶功權(quán)等[9]使用車輛動力學(xué)模型、輪軌非Hertz滾動接觸模型和Archard材料摩擦磨損模型創(chuàng)建了車輪磨耗計算模型，發(fā)現(xiàn)車輪型面磨耗隨運(yùn)營里程而變化，且隨著運(yùn)營里程的增加，車輪磨損會降低車輛的臨界速度，因此為確保行駛安全，建議車輛運(yùn)行一定里程后進(jìn)行車輪鏇修。現(xiàn)有研究大多通過數(shù)值仿真的方法來對車輛系統(tǒng)進(jìn)行分析和優(yōu)化，以改善車輛的動力學(xué)性能和輪軌接觸關(guān)系[10-12]，減少車輪磨損程度，延長車輛使用壽命，提高運(yùn)行效率和安全性，然而很少有文獻(xiàn)從現(xiàn)場測試的角度對車輪偏磨開展系統(tǒng)研究。

本文以國內(nèi)某條地鐵線路為研究對象，通過現(xiàn)場跟蹤測試車輪磨耗特征及發(fā)展規(guī)律，結(jié)合車輛、線路及軌道狀態(tài)，深入分析車輪偏磨的主要原因，并有針對性地提出改進(jìn)措施。

1 車輪磨耗現(xiàn)場測試

為掌握車輪磨耗特征，以某地鐵線路為研究對象。該線路向左和向右的曲線數(shù)量及里程有一定差異，導(dǎo)致線路整體呈現(xiàn)“C字形”，即電客車在運(yùn)行時一側(cè)車輪經(jīng)歷的曲線段高軌會多于另一側(cè)。如圖1所示，所運(yùn)行的列車為6編組。

為方便分析統(tǒng)計，定義Tc1車（拖車）為1車，M1車（動車）為2車，以此類推，Tc2車為6車，且站在6車面向1車，將電客車左側(cè)的車輪定義為左側(cè)車輪，電客車右側(cè)的車輪定義為右側(cè)車輪，其中右側(cè)車輪是在運(yùn)行過程中經(jīng)歷曲線高軌較多的一側(cè)車輪。在1、2、3車中，奇數(shù)編號的車輪（如1-1、1-3等）屬于右側(cè)，偶數(shù)編號的車輪（如1-2、1-4等）屬于左側(cè)；4、5、6車則相反，奇數(shù)編號的車輪為左側(cè)車輪，偶數(shù)編號的車輪為右側(cè)車輪。并在該地鐵線路選擇5列鏇修后運(yùn)營里程分別為2、6、8、10和20萬公里的電客車為研究對象，編號依次為C1～C5，利用Miniprof測試車輪廓形并對其進(jìn)行長期跟蹤測試，分析其磨耗規(guī)律。

2 車輪偏磨現(xiàn)象

C1列車同一軸左右側(cè)車輪磨耗實測結(jié)果如圖2所示，其中坐標(biāo)原點（0，0）為車輪踏面名義滾動圓位置，每張圖均包含了所測試車輪的踏面外形和磨耗量分布。由于復(fù)雜的線路條件和眾多的小半徑曲線，車輪磨耗區(qū)域較寬，磨耗分布在車輪踏面?44～38 mm范圍。且所有測試車輛均出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象，兩側(cè)車輪的踏面磨耗并無太大差異，而右側(cè)車輪的輪緣磨耗大于左側(cè)，長期偏磨不利于車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性、穩(wěn)定性、曲線通過性能和車輪保持正常的服役周期。

統(tǒng)計計算了不同里程下左右側(cè)車輪的踏面和輪緣磨耗，得到其發(fā)展曲線，如圖3所示?？梢钥闯?，車輪踏面磨耗量和輪緣磨耗量均隨著鏇后運(yùn)營里程的增加而增加。在鏇后運(yùn)營10萬公里之前，左右側(cè)車輪踏面磨耗接近，右側(cè)車輪的踏面磨耗量略比左側(cè)車輪大；在鏇后里程數(shù)大于10萬公里之后，右側(cè)車輪的踏面磨耗量明顯比左側(cè)車輪高；當(dāng)鏇后運(yùn)營達(dá)到20萬公里時，兩者間的踏面磨耗量差異最大，約為24%。從鏇后2萬公里開始，右側(cè)車輪始終比左側(cè)車輪的輪緣磨耗量大，且隨著鏇后行駛里程的增加，兩者差距整體上呈增加趨勢；左右側(cè)輪緣磨耗差在20萬公里時達(dá)到最大，此時右側(cè)輪緣磨耗量為4.21 mm，左側(cè)輪緣磨耗量為1.64 mm，兩者相差2.57 mm。這也說明輪緣偏磨在鏇后2～20萬公里一直存在，且隨著運(yùn)營里程的增加，這種輪緣偏磨現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重。鏇修時，1 mm的輪緣恢復(fù)量往往伴隨著3～4 mm的踏面損失量，這會造成兩側(cè)車輪鏇修量大幅增加，不利于車輪的維護(hù)保養(yǎng)，且大大降低車輪的生命周期。

3 車輪偏磨原因分析

為找到車輪偏磨的主要原因，統(tǒng)計計算了不同里程下動拖車車輪的踏面和輪緣磨耗，得到其發(fā)展曲線如圖4所示?？梢钥闯?，動拖車車輪無論是踏面還是輪緣，其磨耗發(fā)展基本一致。因此，偏磨現(xiàn)象與動拖車無關(guān)。

結(jié)合該地鐵線路“C字形”的特點，推測該車輪偏磨可能與曲線有關(guān)，測試了該線路不同曲線半徑下高軌側(cè)的鋼軌廓形。其中，R350與R800所選測點的部分鋼軌高軌廓形的測量結(jié)果如圖5所示，圖中實測廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形的對齊基準(zhǔn)為鋼軌非工作邊?？梢钥闯?，高軌廓形存在明顯磨耗，磨耗量隨線路曲線半徑的減小而增大。這是由于車輛過曲線時，高軌側(cè)鋼軌更易和車輪輪緣接觸，且線路曲線半徑越小，車輪與高軌間的作用力越大，導(dǎo)致小半徑曲線高軌磨耗，尤其軌距角位置發(fā)生較嚴(yán)重的磨損。

由車輪、鋼軌磨耗測試結(jié)果可知，造成車輪輪緣偏磨的原因與線路的曲線段，特別是小半徑曲線相關(guān)。為探明偏磨發(fā)展的原因，對各種不同半徑線路的曲線分布進(jìn)行統(tǒng)計，如圖6所示。可以看出，線路的曲線段占總里程的比例為42.2%。其中，小半徑曲線（R400以下）占14.4%，半徑等于或小于R350的曲線占11.2%，半徑為R400的曲線占3.3%；中等半徑曲線（R450～800）占22.2%，R450～500的曲線占5.7%，R600～700的曲線占6.0%，R800的曲線占10.5%；大半徑曲線（R1000以上）僅占5.6%，R1000～1200的曲線占2.7%，R1500～2000的曲線占2.9%。小半徑曲線在所有曲線段中占據(jù)主要比例。

所有半徑、小半徑曲線中左曲線和右曲線的分布比例如圖7所示?？梢钥闯?，小半徑曲線的分布存在明顯的不對稱現(xiàn)象，左曲線比例是右曲線的近2倍。電客車通過半徑較小的曲線時，更易發(fā)生車輪輪緣與鋼軌軌距角位置貼靠的現(xiàn)象，這會加劇車輪輪緣與鋼軌的劇烈摩擦，使得右輪輪緣磨耗較左輪大，這是造成輪緣偏磨的主要原因。整條線路左右曲線對稱分布，使得左右側(cè)車輪的踏面磨耗相近。而由于線路小半徑曲線不對稱分布，左曲線更多，加上車輛采用不掉頭往返運(yùn)行方式，使得車輛右側(cè)車輪輪緣與鋼軌作用時間比左側(cè)長，因此右側(cè)車輪輪緣磨耗比左輪大，產(chǎn)生了輪緣偏磨，由于線路設(shè)置和車輛運(yùn)營方式固定，偏磨得不到緩解，會隨車輛運(yùn)營里程的增長持續(xù)發(fā)展，對行車安全造成隱患。

基于上述測試和分析結(jié)果，在探明車輪輪緣偏磨產(chǎn)生的主要原因的基礎(chǔ)上，對發(fā)生偏磨現(xiàn)象的車輪鏇修方案提出改進(jìn)措施，具體為：減少輪緣位置的鏇修量，盡可能保留輪緣位置的硬化材料。

對改進(jìn)鏇修方案（B車）下的輪緣磨耗進(jìn)行跟蹤測試，并與傳統(tǒng)鏇修方案（A車）進(jìn)行對比，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，兩車的輪緣磨耗速率均呈現(xiàn)先減小后趨于平穩(wěn)的趨勢，傳統(tǒng)鏇修方案下的輪緣磨耗速率大于本文所提改進(jìn)方案，尤其在鏇后初期，改進(jìn)鏇修方案的輪緣磨耗速率僅為0.10 mm/萬公里，較傳統(tǒng)鏇修方案輪緣磨耗速率的0.18 mm/萬公里降低了45%，驗證了本文所提出的改進(jìn)鏇修方案對輪緣偏磨改善的有效性。

4 結(jié)論

對地鐵線路的車輪和鋼軌磨耗進(jìn)行了測試，得到了輪軌磨耗的變化規(guī)律，結(jié)合線路特點分析了車輪偏磨產(chǎn)生和發(fā)展的原因，主要結(jié)論如下：

（1）對某地鐵線路進(jìn)行車輪磨耗測試，發(fā)現(xiàn)車輪普遍存在輪緣偏磨現(xiàn)象，右側(cè)車輪的輪緣磨耗大于左側(cè)車輪，這種現(xiàn)象從鏇后2萬公里開始一直持續(xù)到結(jié)束，且隨著鏇后運(yùn)營里程的增加，車輪偏磨現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，左右側(cè)磨耗差在20萬公里時達(dá)到最大，為2.57 mm。導(dǎo)向輪與非導(dǎo)向輪的輪緣磨耗在測試的2～20萬公里均無明顯差異，說明偏磨與曲線通過有關(guān)。

（2）分析了線路的曲線分布情況，探明了小半徑曲線多且不對稱是車輪輪緣磨耗產(chǎn)生的主要原因。線路的曲線段占總里程的42.2%，其中小半徑曲線（R400以下）占比高達(dá)14.4%，同時，小半徑曲線的分布存在明顯的不對稱現(xiàn)象，左曲線長度是右曲線的近2倍，車輛長期不掉頭運(yùn)營造成了車輪出現(xiàn)輪緣偏磨，且在產(chǎn)生后持續(xù)發(fā)展惡化。

（3）基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，在探明車輪輪緣偏磨的基礎(chǔ)上，提出一種減緩車輪偏磨的車輪鏇修改進(jìn)措施，即減少輪緣位置的鏇修量、盡可能保留輪緣位置的硬化材料。改進(jìn)鏇修方案的輪緣磨耗速率僅為0.10 mm/萬公里，較傳統(tǒng)鏇修方案降低了45%。

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