廣州市軌道交通車輛車輪統(tǒng)型分析及研究

鄧 軍 賈朋磊

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部 廣東 廣州 510310)

廣州市軌道交通車輛車輪統(tǒng)型分析及研究

鄧 軍 賈朋磊

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部 廣東 廣州 510310)

根據(jù)廣州市軌道交通車輛車輪運(yùn)用現(xiàn)狀，從車輪外形、踏面形式、車輪材質(zhì)等方面開(kāi)展對(duì)比研究和分析，提出了車輪統(tǒng)型思路和具體方案。

車輪統(tǒng)型；踏面形式；車輪材質(zhì)；輻板型式

目前，廣州地鐵已運(yùn)營(yíng)的車輛車型主要包括A型車、B型車和L型車(APM和有軌電車不在本文分析范圍)，不同車輛生產(chǎn)廠家對(duì)于車輪材質(zhì)、踏面形式以及輻板型式選擇各不相同，給車輪采購(gòu)以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)了諸多不便，有必要對(duì)車輪材質(zhì)、踏面型式以及輻板型式進(jìn)行統(tǒng)一[1](以下簡(jiǎn)稱統(tǒng)型)。

1 目前各線車輛車輪形式

廣州市軌道交通各線車輛的車輪材質(zhì)、踏面型式以及輻板型式如表1所示。

表1 廣州市軌道交通各線車輪情況

R8T是UIC 812—3—1984標(biāo)準(zhǔn)中的R8鋼，該標(biāo)準(zhǔn)把鋼種分為R1～R9共9種,T表示輪輞淬火(踏面淬火)，該標(biāo)準(zhǔn)中R8的另一種熱處理方式為浸入淬火和回火(整體淬火)，踏面淬火既能保證踏面具有一定硬度，又能使輻板有足夠的韌性。

ER8是EN 13262標(biāo)準(zhǔn)中的一種鋼種，該標(biāo)準(zhǔn)把鋼種分為ER6、ER7、ER8、ER9四種。

CL60是TB/T 2817—1997《鐵道車輛用輾鋼整體車輪技術(shù)條件》規(guī)定的唯一車輪鋼種。車輪熱處理方式為輪輞進(jìn)行淬火和回火處理。

2 車輪統(tǒng)型的分析

2.1 車輪統(tǒng)型總體思路

(1)按車型統(tǒng)型，比如A、B、L型車各自統(tǒng)一成1種輪型。A型車都為踏面制動(dòng)方式，輪徑范圍相同，只是輻板型式不同，可以研究能否對(duì)輻板型式進(jìn)行統(tǒng)一；B型車(除廣佛線外)為輪盤制動(dòng)，輻板采用直輻板以安裝制動(dòng)盤，目前輪型已經(jīng)統(tǒng)一，廣佛線為80 km/h的B型車，采用踏面制動(dòng)，S形輻板，無(wú)法與其他B型車統(tǒng)一；L型車為軸盤制動(dòng)，直徑為660～730 mm，輪型也已統(tǒng)一。

(2)按直徑范圍和制動(dòng)方式統(tǒng)型。主要有3種：①車輪直徑在770～840 mm且采用踏面制動(dòng)的車輪(即一、二、八號(hào)線和廣佛線車輛統(tǒng)型)；②車輪直徑在770～840 mm且采用輪盤制動(dòng)的車輪(即120 km/h的三號(hào)線和機(jī)場(chǎng)線車輛統(tǒng)型)；③車輪直徑在660～730 mm且采用軸盤制動(dòng)的車輪(即四、五、六號(hào)線L型車車輪統(tǒng)型)。

通過(guò)比較，認(rèn)為按第2種統(tǒng)型思路更適用于廣州市軌道交通車輛，有利于更多線路車輪的統(tǒng)一，后續(xù)新車采購(gòu)也可按該統(tǒng)型方法選型。

2.2 車輪輻板型式及尺寸的統(tǒng)一

廣州市軌道交通車輛車輪目前有直輻板和S形輻板2種型式，對(duì)于采用輪盤制動(dòng)的車輪，考慮到制動(dòng)盤的安裝，必須采用直輻板型式。對(duì)于采用踏面制動(dòng)或者軸盤制動(dòng)的輪對(duì)，可以對(duì)車輪的輻板型式進(jìn)行選擇。如按直徑范圍和制動(dòng)方式進(jìn)行統(tǒng)型，則只需要對(duì)車輪直徑范圍770～840 mm、踏面制動(dòng)的車輪(即：一、二、八號(hào)線和廣佛線)的輻板型式及尺寸統(tǒng)一，這類型存在直輻板和S形輻板2種形式(且S形輻板樣式也不一樣)，尺寸多樣。

目前國(guó)內(nèi)地鐵車輛車輪普遍采用3種輻板型式，即直輻板、S形輻板和雙S形輻板，S形輻板具有較大的承載能力和良好的抗熱裂性能。通過(guò)對(duì)各種輻板型式的抗熱裂性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明各類型輻板車輪的抗熱裂性能強(qiáng)弱序列為：(1)S形輻板；(2)圓弧輻板；(3)雙S形輻板；(4)直輻板。對(duì)于地鐵車輛車輪而言，運(yùn)行區(qū)間短，需要頻繁地施加制動(dòng)，S形輻板優(yōu)良的抗熱應(yīng)力和抗熱裂性能更適合使用閘瓦的地鐵車輛，同時(shí)S形輻板比直輻板車輪更具降噪作用。

據(jù)了解，上海申通地鐵集團(tuán)有限公司已聯(lián)合車輪生產(chǎn)廠家和相關(guān)科研院校研制了上海地鐵A型車統(tǒng)型車輪，采用了S形輻板和DIN 5573-E標(biāo)準(zhǔn)中的踏面形狀[2]。從國(guó)內(nèi)城軌車輛車輪統(tǒng)一角度考慮，廣州市軌道交通車輛采用直徑范圍770～840 mm、踏面制動(dòng)的車輪可參考上海地鐵A型車的統(tǒng)型車輪。

2.3 車輪踏面外形的統(tǒng)一

車輪踏面外形的選擇，需要與鋼軌軌道的形狀相配合，才能減緩輪軌間的磨耗，降低車輛運(yùn)行過(guò)程中的噪音，提高車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性。目前，廣州市軌道交通普遍在車輛段內(nèi)使用50 kg/m的鋼軌，在正線以及試車線使用60 kg/m的鋼軌，50 kg/m和60 kg/m鋼軌軌頭的形狀如圖1、圖2以及圖3所示。相對(duì)于50 kg/m的鋼軌，60 kg/m鋼軌軌頭在軌肩部位增加了R=80 mm的圓弧，從軌頂?shù)絺?cè)面，過(guò)渡較為平緩，且軌側(cè)為1∶20的斜線，其余外形尺寸有所增大。

圖1 50 kg/m鋼軌軌頭形狀

圖2 60 kg/m鋼軌軌頭形狀

圖3 2種鋼軌軌頭外形比較

目前廣州市軌道交通各線采用了3種磨耗型踏面，分別為歐洲ORES1002磨耗型、DIN 5573以及LM型磨耗型踏面，3種踏面的外形如圖4、圖5以及圖6所示，從圖示中可以看出， 三者雖然均為磨耗型踏面，但ORES1002以及DIN 5573踏面形狀基本一致，LM型磨耗型踏面與上述2種踏面的各段弧度以及直線都不相同。

圖4 ORES1002磨耗型踏面

圖5 DIN 5573 磨耗型踏面

圖6 LM型磨耗型踏面

LM型磨耗型踏面是在TB型錐形踏面的基礎(chǔ)上，由青島四方車輛研究所有限公司相關(guān)人員對(duì)我國(guó)不同鐵路上運(yùn)用的磨耗輪對(duì)踏面外形進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)整理以及分析，得出在我國(guó)鐵路上運(yùn)行的車輪踏面的“穩(wěn)定形狀”，是適合我國(guó)鐵路的磨耗型踏面，該磨耗型踏面自1984年起已經(jīng)在鐵路上推廣使用。

相關(guān)文獻(xiàn)資料中明確說(shuō)明“50 kg/m的標(biāo)準(zhǔn)鋼軌與TB型錐型踏面配合使用，60 kg/m鋼軌與LM型磨耗型踏面配合使用”，從列車輪軌接觸關(guān)系、平穩(wěn)性的影響、曲線通過(guò)性能方面對(duì)比分析LM型磨耗型踏面和DIN 5573磨耗型踏面，得出以下結(jié)論：

(1)LM型磨耗型踏面和DIN 5573磨耗型踏面與60 kg/m鋼軌的接觸關(guān)系存在明顯差異，DIN 5573比LM型磨耗型踏面的等效錐度明顯要?。?/p>

(2)不同踏面對(duì)列車的垂向平穩(wěn)性影響不大，但是對(duì)列車橫向平穩(wěn)性有一定的影響，DIN 5573磨耗型踏面比LM型磨耗型踏面的橫向平穩(wěn)性略好；

(3)DIN 5573磨耗型踏面，其最大的輪軌橫向力、脫軌系數(shù)以及輪軌磨耗指數(shù)都比LM型磨耗型踏面的大，即DIN 5573磨耗型踏面通過(guò)性能差。

雖然LM型磨耗型踏面在運(yùn)行橫向平穩(wěn)性方面略差于DIN 5573磨耗型踏面，但是其輪軌磨耗和曲線通過(guò)性能均優(yōu)于DIN 5573磨耗型踏面，因此車輪踏面外形宜向LM型磨耗型踏面統(tǒng)一。后續(xù)可以將既有線路采用ORES1002或DIN 5573型踏面的車輪加工成LM型磨耗型踏面，進(jìn)一步對(duì)比車輛運(yùn)行性能和輪軌磨耗情況。

2.4 車輪材質(zhì)的統(tǒng)一

2.4.1 各條線軌道材質(zhì)

中國(guó)鐵路使用的鋼軌鋼種主要有：U71Mnk、U71Mn 、U75V、PG4、U77MnCr、貝氏體鋼軌以及相應(yīng)的熱處理鋼軌。廣州市軌道交通各條線使用的軌道材質(zhì)均為PD3型(U75V)，該種軌道的硬度一般為280～320 HB(非淬火)。

2.4.2 輪軌硬度的匹配關(guān)系

根據(jù)相關(guān)資料記載，軌輪硬度比1.13是2類不同類型鋼軌(淬火與非淬火)與車輪匹配的交匯點(diǎn)，對(duì)淬火鋼軌匹配系統(tǒng)而言，這是系統(tǒng)總磨耗率最低的最佳比值，而對(duì)非淬火鋼軌系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，則是匹配失衡的臨界點(diǎn)[3]。非淬火鋼軌匹配比值在1.0～1.13時(shí)，系統(tǒng)處在軌、輪磨耗和總磨耗都呈低值平緩特征的合理低耗區(qū)段；軌輪硬度比大于1.13時(shí)2類系統(tǒng)的車輪磨耗和總磨耗都迅速上升，如圖7所示。

圖7 磨損率與軌/輪硬度比關(guān)系

目前常用幾種材質(zhì)中，CL60材質(zhì)的硬度最高，R9T/ER9和R8T/ER8材質(zhì)硬度適中，R7T/ER7材質(zhì)硬度最低。軌輪硬度比在1.0～1.13是較好的硬度匹配關(guān)系，對(duì)于車輪材質(zhì)而言，R8T和R9T是較佳選擇。但車輪磨耗也與線路曲線條件、轉(zhuǎn)向架過(guò)曲線性能有關(guān)，通過(guò)實(shí)際運(yùn)用也發(fā)現(xiàn)，線路曲線越多、曲線半徑越小，即使選用CL60材質(zhì)的車輪，輪緣磨耗也較嚴(yán)重,軌道磨耗率相對(duì)也高；而線路較直，曲線半徑較大，使用R8T或ER8材質(zhì)的車輪，輪緣磨耗較低。因此，建議后續(xù)選擇車輪硬度時(shí)，綜合線路曲線條件、列車轉(zhuǎn)向架過(guò)曲線性能考慮，優(yōu)先選擇R9T或ER9的材質(zhì)，在線路條件特別好的情況下，可選擇R8T或ER8 材質(zhì)的車輪。

3 結(jié)論

(1)車輪統(tǒng)型總體思路按直徑范圍和制動(dòng)方式進(jìn)行統(tǒng)型分為3種：直徑為770～840 mm，踏面制動(dòng)的車輪；直徑為770～840 mm，輪盤制動(dòng)的車輪；直徑為660～730 mm，軸盤制動(dòng)的車輪。

(2)對(duì)于車輪輻板型式的選擇，直徑為770～840 mm、踏面制動(dòng)的車輪，統(tǒng)一為S形輻板，且可參考上海地鐵A型車統(tǒng)型車輪的統(tǒng)一。直徑為770～840 mm、輪盤制動(dòng)的車輪和直徑為660～730 mm、軸盤制動(dòng)的車輪仍采用原直輻板型式。

(3)對(duì)于車輪踏面外形的選擇，統(tǒng)一為L(zhǎng)M型磨耗型踏面。后續(xù)可以將既有線路采用ORES1002或DIN 5573型踏面的車輪加工成LM型磨耗型踏面，進(jìn)一步對(duì)比車輛運(yùn)行性能和輪軌磨耗。

(4)對(duì)于車輪材質(zhì)的選擇，綜合線路曲線條件、列車轉(zhuǎn)向架過(guò)曲線性能考慮，優(yōu)先選擇R9T或ER9的材質(zhì)，在線路條件特別好的情況下，可選擇R8T或ER8 材質(zhì)的車輪。

[1] 黃運(yùn)華，李 芾，傅茂海，等.踏面形狀對(duì)地鐵車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2007(1):39-41.

[2] 朱小娟，高偉明，王生華.上海地鐵車輛統(tǒng)型車輪強(qiáng)度及熱力學(xué)計(jì)算分析[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2008(4):1-3.

[3] 劉高坤，羅世輝，馬衛(wèi)華，等.直線電機(jī)地鐵車輛輪軌外形匹配選型分析[J].鐵道機(jī)車車輛，2014(3):47-51.□

(編輯：繆 媚)

2095-5251(2016)01-0018-03

2015-07-17

鄧 軍(1981-)，男，本科學(xué)歷，工程師，從事地鐵車輛維修技術(shù)管理工作。

U270.33

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