论文部分内容阅读
摘要：介绍了天津地铁1号线车辆车轮的两种异常磨耗情况，分析了造成动车和拖车的两种车轮异常磨耗的原因，提出应对措施。
关键词：地铁车辆；车轮；异常磨耗；
中图分类号：U231文献标识码： A
天津地铁1号线，线路总长为26.1km。目前上线运营列车25列，前期运营有4、6节编组列车。为满足乘客的出行要求，2011年后全部改编为6节编组列车，为3动3拖形式编组。随着运营总里程的的增加及日益增长的客流量，受到车辆自身因素及线路等多方面的影响，车轮出现了车轮异常磨耗的现象，影响了车轮的使用寿命。因此，分析出异常磨耗的原因，找到相应的解决措施，不仅可以提高车轮的使用寿命，还能确保行车安全，具有显著的经济及社会效益。
1.异常磨耗概况
1.1动车轮缘异常磨耗
天津地铁1号线自2006年开通运营至今已运行70余万公里，在2009年出现了动车轮缘磨耗异常的现象。2009年所有动车轮缘的平均磨耗率为0.31mm/万km，其中4节动车轮缘的平均磨耗率为0.27mm/万km，6节动车轮缘的平均磨耗率为0.34mm/万km。2007、2008年所有动车轮缘的平均磨耗率分别为0.18、0.21mm/万km，磨耗率分别上升74.6%、48.5%，增长速率迅速，动车轮缘出现了厚度过薄、锋芒、垂直磨耗的现象，处于异常磨耗状态。
另外，对2009年1至12月期间全线25列车车轮的磨耗率进行统计分析，发现在1月和12月动车轮缘磨耗率达到峰值（图1），基本是其他月份轮缘磨耗率的2-3倍，这与前两年同一时间内轮缘磨耗情况大致相同。
图1
1.2拖车轮径异常磨耗
2010年1号线车辆出现了拖车轮缘厚度突增的现象，接连出现因拖车轮缘过厚而需要进行镟修的状况。2010年所有拖车轮径的平均磨耗率为0.72mm/万km，其中4节车轮径的平均磨耗率为0.75mm/万km，6节车轮径的平均磨耗率为0.69mm/万km。而2009年所有拖车轮径的平均磨耗率为0.25mm/万km，轮径磨耗率增加2倍，較多拖车车轮踏面出现了明显的沟槽状磨损（图2），按照磨耗统计，拖车轮对约3年需要换轮（正常换轮周期超过6 年），与此同时，拖车的闸瓦也磨耗过快，更换周期不足3 个月。而且由于拖车车轮踏面磨耗过快，导致轮缘测量基准点变化，部分轮缘的测量厚度不但不减少，反而增大，如不及时镟修，车轮踏面上将形成一个凹面，对行车安全造成威胁,处于异常磨耗状态。
图2
2.原因分析
2.1动车异常磨耗分析
轮缘厚度磨耗的产生是由于列车在运行过程中，由于各种因素的影响轮对会出现横向摆动蛇行运动，导致轮缘外侧与钢轨内侧面发生冲撞和磨耗。尤其是通过道岔和曲线时磨耗更加加剧，这种磨耗是不能避免的。轮缘厚度磨耗超限后，其根部变薄、强度下降，易在轮缘根部产生裂纹以至缺损，并且增大轮缘与钢轨间的游隙，使车辆发生过分的摆动特别是车轮通过道岔时容易爬上轨尖，导致列车发生脱轨事故。
2.1.1线路情况复杂
天津地铁1号线是在原有的老线路上分别向南、北延伸扩建而成，全线分为既有线路和新建线路。有着线路复杂，曲线线路多，曲线半径小的特点。线路情况复杂，既有线路和段场线路钢轨规格为50kg/m，新建线路钢轨规格为60kg/m。线路中有许多小半径曲线，其中半径小于300m的曲线段有14处，车轮运行工况较为恶劣。在通过曲线时外侧车轮轮缘紧靠钢轨内侧，不可避免的发生轮缘磨耗。当曲线欠超高过大，当速度继续增大时，曲线半径小、导向力即正压力值也大，与冲角的乘积越大，最终导致车轮轮缘的磨耗越严重。
2.1.2轮轨的硬度匹配关系
大量的统计和试验证明，当车轮硬度小于钢轨，车轮接触钢轨时，钢轨表面变形小，车轮的变形大，车轮接触面被压平，这时车轮与钢轨接触面接近平面，车轮与钢轨只能靠表面的粗糙程度来防止打滑，增加磨耗及擦伤；当车轮硬度大于钢轨，车轮接触钢轨时，车轮表面的变形小，而钢轨的变形大，车轮“嵌入”钢轨中，这种情况下车轮钢轨接触面是曲面，轮轨不易打滑，磨耗相对较小。
通过对车轮硬度检测结果的统计，1号线的车轮硬度范围在270~319HB，发现有40个车轮的硬度小于280HB，占以测量总轮数的8.93%，而60kg/m钢轨的硬度为280~300HB，这是导致轮缘磨耗增加的一个原因。
2.1.3摩擦系数的影响
运用环境和接触表面状况指标，都可归结为摩擦系数的影响。轨道和车轮属于一副摩擦副，随着轮轨的接触，轮轨界面磨合接触面积增大，充当磨料的材料逐步被排除，此时摩擦系数急剧上升，完全磨合后，轮轨间达到一个平衡状态，摩擦系数稳定。经过了磨合期，磨耗率却没有稳定，主要原因是轮轨的接触状态被外界因素改变了，在每年的季节变换的时间段内，钢轨表面的状态发生了变化，在夏秋季节，空气湿润，轮轨的摩擦系数相对较小；而在春冬季节，空气干燥，轮轨间的摩擦系数就相对增加。轮轨间的摩擦副在一年内反复进行磨合，造成车轮磨耗异常，并出现随季节变化的趋势。
2.2拖车异常磨耗分析
车轮踏面磨耗是由于车轮沿钢轨运行时，踏面与钢轨接触面是很小的椭圆面，故踏面单位面积上承受的接触应力很大，因而踏面会产生塑性变形，生成一层很薄的白硬层。在制动过程中，由于闸瓦与车轮的摩擦，使踏面表面温度升得很高，受冷风雨雪等急冷后也会生成脆硬的淬火组织。这两种组织在轮对通过轨道接头承受冲击的过程中易剥落。踏面磨耗后，影响车辆运行的平稳性，轮缘高度相应增高，运行中可能撞击鱼尾板或轮缘槽底面，引起车辆颠覆事故。
2.2.1制动系统的影响
2010年初，车辆统计中发现闸瓦消耗增加明显，车轮与闸瓦是一对摩擦副，摩擦系数的稳定才能保证车轮与闸瓦的正常磨耗。由于再生制动的取消，电制动力功率一定，不足的制动力需要空气制动弥补，导致空气制动量增大。而空气制动主要作用于拖车上，导致轮对与闸瓦的磨耗增大，而闸瓦在与车轮踏面作用时对车轮的挤压造成车轮踏面产生沟槽，轮缘得到补偿增厚，轮径磨耗增加。
2.2.2驾驶模式的因素
2010年初，正线使用ATP驾驶模式，比照以往的EUM(人工驾驶)模式，在各个区段内都增加限速，司机在驾驶过程中制动和牵引次数增加，减少了惰行量，频繁的制动也是导致轮径磨耗增加的因素。另外，在ATP模式中，进站速度提高了，相同的制动距离内，提高了制动的初速度，就要增大制动的加速度，这就需要增大制动力，以保证列车的制动效果。制动力增加导致空气制动量增加，增大轮径磨耗。
3.应对措施
3.1改善轮轨关系
对正线弯道、折返线、小半径曲线轨道等容易造成轮轨磨耗的部位重点维护，进行涂油润滑。车辆加装轮缘润滑装置，从而改善轮轨接触情况，降低轮轨磨耗。
3.2选配车轮与闸瓦的材质
选用相对与车轮硬度低、对踏面有修复作用的闸瓦。有条件的情况下，在新线筹备时，选用车轮、闸瓦及钢轨硬度相匹配的硬度值。
3.3调整制动系统参数
调整拖车空气制动力和动车电制动力的分配比例。在保证列车相同制动率的前提下，提高动车电制动力，降低拖车空气制动力，减小拖车闸瓦压力。降低电制动力消失点速度，低速下的制动能量远低于高速下的制动能量，闸瓦压力也小，可明显减少车轮踏面磨耗。
3.4合理的镟修模式
当轮缘厚度磨耗到27-28mm时就进行旋修，做到早发现早修复，避免易造成异常磨耗的损伤扩大。最大限度地减少车轮的镟修量，延长车轮的寿命。
参考文献：
[1].严隽耄.车辆工程[Ｍ].北京:中国铁道出版社,1992.
[2].王锡伟.上海地铁车轮轮缘非正常磨耗的初步分析[J].铁道车辆,1997,(3):36-38,49
[3].冀祖卿,刘忠俊.天津地铁1号线车轮运用现状分析[J].现代城市轨道交通,2009,(4):43-45.
关键词：地铁车辆；车轮；异常磨耗；
中图分类号：U231文献标识码： A
天津地铁1号线，线路总长为26.1km。目前上线运营列车25列，前期运营有4、6节编组列车。为满足乘客的出行要求，2011年后全部改编为6节编组列车，为3动3拖形式编组。随着运营总里程的的增加及日益增长的客流量，受到车辆自身因素及线路等多方面的影响，车轮出现了车轮异常磨耗的现象，影响了车轮的使用寿命。因此，分析出异常磨耗的原因，找到相应的解决措施，不仅可以提高车轮的使用寿命，还能确保行车安全，具有显著的经济及社会效益。
1.异常磨耗概况
1.1动车轮缘异常磨耗
天津地铁1号线自2006年开通运营至今已运行70余万公里，在2009年出现了动车轮缘磨耗异常的现象。2009年所有动车轮缘的平均磨耗率为0.31mm/万km，其中4节动车轮缘的平均磨耗率为0.27mm/万km，6节动车轮缘的平均磨耗率为0.34mm/万km。2007、2008年所有动车轮缘的平均磨耗率分别为0.18、0.21mm/万km，磨耗率分别上升74.6%、48.5%，增长速率迅速，动车轮缘出现了厚度过薄、锋芒、垂直磨耗的现象，处于异常磨耗状态。
另外，对2009年1至12月期间全线25列车车轮的磨耗率进行统计分析，发现在1月和12月动车轮缘磨耗率达到峰值（图1），基本是其他月份轮缘磨耗率的2-3倍，这与前两年同一时间内轮缘磨耗情况大致相同。
图1
1.2拖车轮径异常磨耗
2010年1号线车辆出现了拖车轮缘厚度突增的现象，接连出现因拖车轮缘过厚而需要进行镟修的状况。2010年所有拖车轮径的平均磨耗率为0.72mm/万km，其中4节车轮径的平均磨耗率为0.75mm/万km，6节车轮径的平均磨耗率为0.69mm/万km。而2009年所有拖车轮径的平均磨耗率为0.25mm/万km，轮径磨耗率增加2倍，較多拖车车轮踏面出现了明显的沟槽状磨损（图2），按照磨耗统计，拖车轮对约3年需要换轮（正常换轮周期超过6 年），与此同时，拖车的闸瓦也磨耗过快，更换周期不足3 个月。而且由于拖车车轮踏面磨耗过快，导致轮缘测量基准点变化，部分轮缘的测量厚度不但不减少，反而增大，如不及时镟修，车轮踏面上将形成一个凹面，对行车安全造成威胁,处于异常磨耗状态。
图2
2.原因分析
2.1动车异常磨耗分析
轮缘厚度磨耗的产生是由于列车在运行过程中，由于各种因素的影响轮对会出现横向摆动蛇行运动，导致轮缘外侧与钢轨内侧面发生冲撞和磨耗。尤其是通过道岔和曲线时磨耗更加加剧，这种磨耗是不能避免的。轮缘厚度磨耗超限后，其根部变薄、强度下降，易在轮缘根部产生裂纹以至缺损，并且增大轮缘与钢轨间的游隙，使车辆发生过分的摆动特别是车轮通过道岔时容易爬上轨尖，导致列车发生脱轨事故。
2.1.1线路情况复杂
天津地铁1号线是在原有的老线路上分别向南、北延伸扩建而成，全线分为既有线路和新建线路。有着线路复杂，曲线线路多，曲线半径小的特点。线路情况复杂，既有线路和段场线路钢轨规格为50kg/m，新建线路钢轨规格为60kg/m。线路中有许多小半径曲线，其中半径小于300m的曲线段有14处，车轮运行工况较为恶劣。在通过曲线时外侧车轮轮缘紧靠钢轨内侧，不可避免的发生轮缘磨耗。当曲线欠超高过大，当速度继续增大时，曲线半径小、导向力即正压力值也大，与冲角的乘积越大，最终导致车轮轮缘的磨耗越严重。
2.1.2轮轨的硬度匹配关系
大量的统计和试验证明，当车轮硬度小于钢轨，车轮接触钢轨时，钢轨表面变形小，车轮的变形大，车轮接触面被压平，这时车轮与钢轨接触面接近平面，车轮与钢轨只能靠表面的粗糙程度来防止打滑，增加磨耗及擦伤；当车轮硬度大于钢轨，车轮接触钢轨时，车轮表面的变形小，而钢轨的变形大，车轮“嵌入”钢轨中，这种情况下车轮钢轨接触面是曲面，轮轨不易打滑，磨耗相对较小。
通过对车轮硬度检测结果的统计，1号线的车轮硬度范围在270~319HB，发现有40个车轮的硬度小于280HB，占以测量总轮数的8.93%，而60kg/m钢轨的硬度为280~300HB，这是导致轮缘磨耗增加的一个原因。
2.1.3摩擦系数的影响
运用环境和接触表面状况指标，都可归结为摩擦系数的影响。轨道和车轮属于一副摩擦副，随着轮轨的接触，轮轨界面磨合接触面积增大，充当磨料的材料逐步被排除，此时摩擦系数急剧上升，完全磨合后，轮轨间达到一个平衡状态，摩擦系数稳定。经过了磨合期，磨耗率却没有稳定，主要原因是轮轨的接触状态被外界因素改变了，在每年的季节变换的时间段内，钢轨表面的状态发生了变化，在夏秋季节，空气湿润，轮轨的摩擦系数相对较小；而在春冬季节，空气干燥，轮轨间的摩擦系数就相对增加。轮轨间的摩擦副在一年内反复进行磨合，造成车轮磨耗异常，并出现随季节变化的趋势。
2.2拖车异常磨耗分析
车轮踏面磨耗是由于车轮沿钢轨运行时，踏面与钢轨接触面是很小的椭圆面，故踏面单位面积上承受的接触应力很大，因而踏面会产生塑性变形，生成一层很薄的白硬层。在制动过程中，由于闸瓦与车轮的摩擦，使踏面表面温度升得很高，受冷风雨雪等急冷后也会生成脆硬的淬火组织。这两种组织在轮对通过轨道接头承受冲击的过程中易剥落。踏面磨耗后，影响车辆运行的平稳性，轮缘高度相应增高，运行中可能撞击鱼尾板或轮缘槽底面，引起车辆颠覆事故。
2.2.1制动系统的影响
2010年初，车辆统计中发现闸瓦消耗增加明显，车轮与闸瓦是一对摩擦副，摩擦系数的稳定才能保证车轮与闸瓦的正常磨耗。由于再生制动的取消，电制动力功率一定，不足的制动力需要空气制动弥补，导致空气制动量增大。而空气制动主要作用于拖车上，导致轮对与闸瓦的磨耗增大，而闸瓦在与车轮踏面作用时对车轮的挤压造成车轮踏面产生沟槽，轮缘得到补偿增厚，轮径磨耗增加。
2.2.2驾驶模式的因素
2010年初，正线使用ATP驾驶模式，比照以往的EUM(人工驾驶)模式，在各个区段内都增加限速，司机在驾驶过程中制动和牵引次数增加，减少了惰行量，频繁的制动也是导致轮径磨耗增加的因素。另外，在ATP模式中，进站速度提高了，相同的制动距离内，提高了制动的初速度，就要增大制动的加速度，这就需要增大制动力，以保证列车的制动效果。制动力增加导致空气制动量增加，增大轮径磨耗。
3.应对措施
3.1改善轮轨关系
对正线弯道、折返线、小半径曲线轨道等容易造成轮轨磨耗的部位重点维护，进行涂油润滑。车辆加装轮缘润滑装置，从而改善轮轨接触情况，降低轮轨磨耗。
3.2选配车轮与闸瓦的材质
选用相对与车轮硬度低、对踏面有修复作用的闸瓦。有条件的情况下，在新线筹备时，选用车轮、闸瓦及钢轨硬度相匹配的硬度值。
3.3调整制动系统参数
调整拖车空气制动力和动车电制动力的分配比例。在保证列车相同制动率的前提下，提高动车电制动力，降低拖车空气制动力，减小拖车闸瓦压力。降低电制动力消失点速度，低速下的制动能量远低于高速下的制动能量，闸瓦压力也小，可明显减少车轮踏面磨耗。
3.4合理的镟修模式
当轮缘厚度磨耗到27-28mm时就进行旋修，做到早发现早修复，避免易造成异常磨耗的损伤扩大。最大限度地减少车轮的镟修量，延长车轮的寿命。
参考文献：
[1].严隽耄.车辆工程[Ｍ].北京:中国铁道出版社,1992.
[2].王锡伟.上海地铁车轮轮缘非正常磨耗的初步分析[J].铁道车辆,1997,(3):36-38,49
[3].冀祖卿,刘忠俊.天津地铁1号线车轮运用现状分析[J].现代城市轨道交通,2009,(4):43-45.