地鐵車輛車輪偏磨原因分析與對策研究

地鐵車輛車輪偏磨原因分析與對策研究摘要：近年來，我國的交通工程建設(shè)有了很大進展，隨之地鐵車輛越來越多，輪對偏磨是鐵道車輛常見的車輪磨耗形式。本文針對地鐵車輛的車輪偏磨和制動梁緩解不良等問題相對突出，分析問題產(chǎn)生的原因，并提出改進的措施與建議。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；車輪磨耗；偏磨；數(shù)值仿真；小半徑曲線

引言

隨著車輛運行速度的提高，輪軌傷損日趨嚴重，其表現(xiàn)形式也更為復(fù)雜。車輪鏇修是各地鐵公司廣泛采用的車輪維修方法，但盲目的鏇修必將導(dǎo)致高額的維修成本。為減少運營成本，必須對輪軌傷損形式及其對車輛系統(tǒng)動力學(xué)性能的影響進行研究，從而制定合理的車輪鏇修策略。

1車輪不均勻磨耗原因分析

1.1傾斜杠桿的排布方式

為適應(yīng)車輛制動系統(tǒng)的排布要求，轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置采用傾斜式杠桿系統(tǒng)。傾斜式杠桿系統(tǒng)勢必會在車輛制動和緩解過程中產(chǎn)生橫向分力，雖然隨著車輛空重車狀態(tài)不同車體上拉條對轉(zhuǎn)向架游動杠桿作用力的方向會發(fā)生一定的變化，但轉(zhuǎn)K2和轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)制動裝置結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了上拉條的拉力方向只能是向轉(zhuǎn)向架縱向中心線傾斜，所以，轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置所受橫向力也只能是同一方向，即指向轉(zhuǎn)向架縱向中心。轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置杠桿系統(tǒng)采用傾斜方式排布可同時導(dǎo)致游動端和固定端制動梁產(chǎn)生橫向位移，與車輪實際表現(xiàn)出來的不均勻磨耗狀態(tài)存在一定的差異，且該因素只能導(dǎo)致車輪輪緣偏磨而與踏面偏磨無關(guān)，因此僅是原因之一，而非主要原因。

1.2制動梁緩解不良

依靠轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置自身重力在側(cè)架滑槽斜面上的分力和運行過程中的振動產(chǎn)生垂向加速度使制動梁的緩解力增大，當(dāng)緩解力大于緩解阻力時，制動梁緩解，閘瓦脫開輪緣。但在緩解過程中，在扭矩和基礎(chǔ)制動裝置自身重力的作用下，制動梁滑塊在側(cè)架滑槽斜面上產(chǎn)生的摩擦阻力以及各桿件間鉸結(jié)處始終存在的摩擦、卡滯導(dǎo)致緩解阻力上升，造成緩解不良導(dǎo)致抱閘或“虛抱”（閘瓦與車輪之間沒有間隙，但閘瓦壓力實際比制動時小或者為零），加劇了閘瓦和輪緣的磨耗。

1.3固定杠桿支點座位置偏差

在設(shè)計過程中確定轉(zhuǎn)向架固定杠桿支點座的位置是以車輛半空半重狀態(tài)下的彈簧撓度為依據(jù)的，就傾斜式杠桿系統(tǒng)而言，此方法是合理的，否則在轉(zhuǎn)向架自由狀態(tài)下杠桿系統(tǒng)無法組裝。而從轉(zhuǎn)向架制動裝置所受附加外力的角度來分析，此方法存在一定的不足，會導(dǎo)致固定杠桿在空車和重車狀態(tài)下都承受壓力但方向相反?？哲嚑顟B(tài)下固定杠桿所受壓力及其產(chǎn)生的橫向分力能夠平衡一部分中拉桿偏斜所產(chǎn)生的橫向力，且向上的分力有利于固定端制動梁緩解退讓，因此是有利的。而重車狀態(tài)下固定杠桿所受壓力及其產(chǎn)生的橫向分力與中拉桿偏斜所產(chǎn)生的橫向力方向一致，但向下的分力不利于固定端制動梁緩解，此時固定杠桿受力狀態(tài)以及可能導(dǎo)致的不利影響與現(xiàn)場表現(xiàn)一致，因此，可以認為該因素也是導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架固定端輪對輪緣和踏面不均勻磨耗的主要原因之一。

2車輪偏磨解決對策

對國內(nèi)某條地鐵線路的車輪磨耗進行了大量測試，獲得了13列地鐵車輛(本文對其編號T1至T13)所有車輪的磨耗狀態(tài)，測試時車輪均未進行鏇修。車輛在該線路為不掉頭運行，車輪磨耗測試時車輛的運行里程從5*104km到15*104km不等。由于測試車輛運行線路復(fù)雜，小半徑曲線眾多，導(dǎo)致磨耗區(qū)域較寬，磨耗分布在-45～45mm范圍內(nèi)。左右側(cè)車輪磨耗位置存在較大差異，左側(cè)車輪輪緣磨耗非常明顯，-33～-43mm范圍內(nèi)的磨耗明顯大于右側(cè)車輪；右側(cè)車輪踏面區(qū)域(-20～20mm范圍內(nèi))磨耗比左側(cè)車輪至少高出1mm。該線路車輛輪對出現(xiàn)典型的偏磨現(xiàn)象，且這種磨耗狀態(tài)普遍存在于所有測試車輛中。

2.1掉頭對車輪磨耗的影響

受城市規(guī)劃建設(shè)的限制，地鐵線路條件無法改變，小半徑曲線占比高及左右曲線比例不均等因素依然存在。從車輛運營方面著手，定期掉頭是緩解車輪偏磨問題的有效措施。為研究掉頭對車輪磨耗的影響，確定合適的掉頭里程，由車輪磨耗預(yù)測模型及軌道線路模型，繼續(xù)進行數(shù)值仿真計算。車輛運行總里程20*104km不變，設(shè)置四種工況，使車輛掉頭行駛里程數(shù)分別為10*104km、5*104km、4*104km和2*104km，分析每種工況下左右側(cè)車輪的磨耗情況。仿真結(jié)果表明，車輛定期掉頭行駛能夠有效緩解左右側(cè)車輪偏磨現(xiàn)象。由車輪型面磨耗變化可知，車輛每進行一次掉頭行駛后，由于左右側(cè)車輪對應(yīng)的左右曲線比例的變化，車輪磨耗情況相應(yīng)改變，隨著車輛的不斷掉頭行駛，左右側(cè)車輪磨耗較為接近，車輪外形趨于一致。

2.2對于輪噴噴油不均勻的情況

我們對輪噴起噴時間進行調(diào)整，將原來統(tǒng)一的列車啟動15s起噴調(diào)整為將兩列車起噴時間變?yōu)?0s，確保在曲線處可以噴油，改善曲線處油潤狀態(tài)，降低鋼軌內(nèi)側(cè)與輪緣的摩擦系數(shù)。

2.3小半徑曲線占比對車輪磨耗的影響

由車輪磨耗測試及數(shù)值仿真結(jié)果可知，小半徑曲線的不對稱分布是造成車輪偏磨的重要原因，特別是半徑小于500m的曲線。為研究小半徑曲線占比對車輪磨耗的影響，對本文的小半徑曲線占比進行適當(dāng)調(diào)整，在保證累積量不變的情況下，改變左右曲線的比例。同時，其余半徑曲線及直線段比例保持不變，仿真計算過程及其他條件與前文相同。小半徑曲線占比不均對車輪磨耗影響較大，車輪磨耗差隨百分比差值的減小而減小，印證了小半徑曲線的不對稱分布是造成車輪偏磨的重要原因。該地鐵線路半徑小于500m的曲線中，左右曲線比例相差達6.61%，左曲線長度幾乎為右曲線兩倍之多，這是造成車輪偏磨的關(guān)鍵因素。當(dāng)百分比由6.61%減至5%時，偏磨得到較大緩解，輪緣磨耗差下降21.4%，踏面磨耗差下降27.9%，百分比由4%減至3%時，磨耗差下降比較明顯，且此時輪緣磨耗差與踏面磨耗差均不足0.5mm，磨耗速率差值小于0.025mm/104km，此時可不采取掉頭措施，對今后地鐵設(shè)計規(guī)劃提供參考建議。從車輪磨耗分布及外形可知，右側(cè)踏面磨耗依舊比左側(cè)高，這是因為整體線路左右曲線的不對稱分布所導(dǎo)致。若車輛運營不能做到經(jīng)常掉頭，建議對小半徑曲線段采取不同的潤滑措施，在裝置軌側(cè)潤滑設(shè)備時，適當(dāng)降低左側(cè)車輪輪緣與鋼軌接觸的摩擦因數(shù)，亦或在車輛左側(cè)加裝輪緣潤滑器，以減輕車輪偏磨。

2.4輪軌硬度匹配

具體措施是對于左右輪徑差超限情況，采用踏面鏇修，保留輪緣部分黑皮，將輪徑較小側(cè)輪徑作為加工基準(zhǔn)，將輪徑較大側(cè)輪對輪緣厚度作為給定鏇修輪緣厚度對輪徑較大的輪柄進行鏇修。對于圓跳動超限情況，采用該輪最小輪徑作為基準(zhǔn)輪徑，輪緣厚度作為給定輪緣厚度對該輪餅進行鏇修。以上兩種鏇修方式鏇修完畢后，輪緣部位曲線沒有改變，即QR值未變化，脫軌系數(shù)不變，鏇修方式是可靠的。

結(jié)語

綜上所述，本文分析了導(dǎo)致車輪磨損的根本原因，由此導(dǎo)致車輪踏面與鋼軌接觸位置發(fā)生變化，隨著運用里程的增加，在輪軌力的作用下最終導(dǎo)致偏磨加劇。本文研究方法和結(jié)果可為解決車輪偏磨問題和地鐵新線選線設(shè)計提供重要參考。

參考文獻

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