哈爾濱地鐵1號線車輪踏面異常磨耗原因分析

齊萬明 慕光遠 胡建成

哈爾濱地鐵1號線車輪踏面異常磨耗原因分析

齊萬明 慕光遠 胡建成

（哈爾濱地鐵集團有限公司運營分公司，150050，哈爾濱∥第一作者，工程師）

哈爾濱地鐵1號線運營初期，車輪踏面普遍發(fā)生了W型溝槽磨耗和閘瓦磨耗過快的問題。通過系統(tǒng)分析和試驗，得出產(chǎn)生該問題的多種因素，并提出了相應(yīng)的改進措施：修正電空混合制動方案解決了閘瓦磨耗過快的問題；調(diào)整閘瓦材質(zhì)解決了車輪踏面W型溝槽磨耗問題；采用周期性換端的方式對車輪磨耗狀態(tài)進行了優(yōu)化。

地鐵；車輪踏面；異常磨耗；W型溝槽

車輪踏面的溝槽、擦傷、剝離等異常磨耗是地鐵開通運營初期常常會遇到的情況，如北京、上海、廣州、深圳和南京等城市的地鐵列車均出現(xiàn)了不同程度的車輪踏面異常磨耗［1-5］。車輪踏面的異常磨耗對列車運行的安全性、穩(wěn)定性及舒適性等方面有著重要的影響，同時也縮短了車輪與閘瓦的使用壽命，增加了運營成本。因此，對車輪的異常磨耗進行研究分析有著重要的意義。

從各城市地鐵運營中出現(xiàn)的車輪踏面異常磨耗情況來看，國內(nèi)地鐵車輛的車輪踏面異常磨耗主要原因有：調(diào)頭周期紊亂［1］；電空制動時空氣制動的切入點設(shè)置不合理，閘瓦選型不合理［6］；列車制動時在高速區(qū)段存在大量空氣制動補償［7］；線路、軌道情況復(fù)雜（軌道缺少潤滑，鋼軌表面毛糙，地面有鐵屑，此情況出現(xiàn)在小半徑曲線則更為嚴(yán)重）、輪軌接觸不均勻［8］；閘瓦壓力過大，壓力不均勻，閘瓦晃動量大，頻繁制動等因素容易導(dǎo)致滾動圓內(nèi)側(cè)和踏面外側(cè)的雙凹槽磨耗［9］等等。

本文依據(jù)引起車輪踏面異常磨耗的這些因素和哈爾濱地鐵1號線車輛、線路的實際情況，對運營初期車輪踏面異常磨耗情況進行了分析，著重從修正電空混合制動方案及調(diào)整閘瓦材質(zhì)這兩個方面對車輪踏面異常磨耗問題展開研究。同時，采用周期性列車換端對車輪踏面磨耗狀態(tài)進行優(yōu)化。

1 車輪異常磨耗情況調(diào)查

哈爾濱地鐵1號線于2013年9月26日載客試運營，經(jīng)過近4個月的載客運營后，2014年1月，列車車輪踏面普遍出現(xiàn)不同程度的異常磨耗，磨耗現(xiàn)象均為W型溝槽，且部分溝槽深度已超過2 mm，如圖1所示。對于此類溝槽只能通過輪對鏇修作業(yè)進行修復(fù)。同時，普遍存在閘瓦磨耗過快的現(xiàn)象。車輪的頻繁鏇修及閘瓦磨耗過快會使輪對和閘瓦的使用壽命降低，從而增加整個車輛壽命周期內(nèi)更換新輪對和閘瓦的次數(shù)，再加上每次鏇修的成本，使得車輛整體壽命周期內(nèi)的維護成本會急劇增加。

圖1 異常磨耗的踏面

2 車輪踏面異常磨耗分析

經(jīng)調(diào)查，哈爾濱地鐵1號線軌道磨耗情況相對較好，故本文主要研究車輛自身的原因。首先依據(jù)TB/T 2817—1997《鐵道車輛用輾鋼整體車輪技術(shù)條件》對輪對進行了檢測分析，結(jié)果見表1和表2。

表1 輪輞斷面硬度、表面硬度檢測結(jié)果 HB

表2 車輪的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢驗結(jié)果

從表1、表2可以看出，輪對硬度及化學(xué)成分的檢測結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在車輪滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，本文重點從電空混合制動方案優(yōu)化和閘瓦材質(zhì)變化兩方面進行具體的分析和試驗。

2.1 電空混合方案

電空混合制動的目的是為了最小限度地使用空氣制動，以減小閘瓦對車輪的磨損。在黏著允許的條件下，通過最大限度使用動車轉(zhuǎn)向架上的電制動力來獲得制動減速度，從而使空氣制動的使用最小。

為排查電空混合制動的問題，哈爾濱地鐵公司組織進行了電空制動配合專項試驗。試驗選取運營正常的列車，此列車輪對踏面正常，所裝配閘瓦磨合完畢，摩擦面已100%與輪對貼合，在地鐵車輛空載、定員載荷、超員載荷條件下，在試車線（平直干燥軌道）進行試驗。當(dāng)列車速度達到預(yù)定速度時，操縱司控器惰行3~5 s，然后立即施加最大常用制動，直到速度為零。預(yù)定速度分別為40 km/h、60 km/h、80 km/h，每個速度等級最少進行2次試驗。試驗過程中通過TCMS（列車控制和管理系統(tǒng)）及制動系統(tǒng)監(jiān)控軟件實時監(jiān)測電空混合制動數(shù)據(jù)。

正常情況下，對AW2（定員載荷）以下載荷列車施加常用制動，在電空轉(zhuǎn)換點速度值以上時制動力應(yīng)全部由電制動提供，空氣制動只需實施預(yù)壓力。但在試驗時發(fā)現(xiàn)，在電空轉(zhuǎn)換點速度值以上存在空氣制動與電制動同時施加的現(xiàn)象，實際空氣制動壓力值在50～70 kPa之間，大于哈爾濱地鐵1號線制動系統(tǒng)預(yù)壓力設(shè)定值34 kPa，此空氣制動屬于不正常施加。

試驗結(jié)果顯示，空氣制動及電制動正常，但各工況下仍存在空氣制動不正常施加現(xiàn)象。分析發(fā)現(xiàn)，哈爾濱地鐵制動力計算為牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)分別進行，最終由制動系統(tǒng)對制動力施加進行統(tǒng)一管理的方案。制動力計算的依據(jù)是保證相同的平均制動減速度。由于是分別計算，故牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)分別采用了不同的等效反應(yīng)時間來進行計算，牽引系統(tǒng)根據(jù)電制動的特性確定等效反應(yīng)時間，制動系統(tǒng)根據(jù)空氣制動的特性確定等效反應(yīng)時間，而空氣制動的等效反應(yīng)時間要大于電制動的等效反應(yīng)時間。

圖2給出了等效減速度公式曲線。圖中，a為減速度，t為時間，t10為延遲時間，t90為反應(yīng)時間，te為等效反應(yīng)時間，v0為初始速度，s3為停車距離，ae為等效減速度。

圖2 確定等效反應(yīng)時間和等效減速度計算方法［10］

從圖 2 等效減速度公式 ae=v02/2（s3-v0te）［10］可以看出，等效反應(yīng)時間te越大，ae就越大，得出的制動力需求值就越大。以上理論分析結(jié)果與車輛實際狀態(tài)吻合。故確認，空氣制動不正常施加的原因為在相同制動參考值條件下，空氣制動系統(tǒng)監(jiān)控到電制動施加值低于空氣制動要求而主動投入空氣制動進行補償。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)制動系統(tǒng)等效減速度為1.12 m/s2，電制動等效減速度為1.02 m/s2?？紤]到哈爾濱地鐵已按照空氣制動系統(tǒng)的制動減速度值完成了電空制動配合試驗和ATO（列車自動駕駛）對標(biāo)調(diào)試，所以通過增加電制動力修正系數(shù)的優(yōu)化方案使?fàn)恳椭苿拥闹苿恿ο嗷テヅ?，即在常用制動指令給出后，列車實際發(fā)出的電制動力值會自動乘以修正系數(shù)1.09（為空氣制動等效減速度除以電制動等效減速度），避免了空氣制動補充。方案優(yōu)化后又重新進行了電空制動配合試驗，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在常用制動時空氣制動無異常施加。

后續(xù)進行了近1年的運營驗證。實際運營情況表明，在選用相同型號閘瓦的情況下，電空混合制動優(yōu)化前后踏面溝槽異常磨耗依然存在；因減少了部分空氣制動的施加，使踏面溝槽發(fā)生的速度有所減緩；閘瓦和車輪踏面磨耗數(shù)據(jù)發(fā)生了較大的變化。修正電空混合制動前后磨耗對比如表3所示。

表3 修正電空混合制動前后磨耗對比mm/萬km

從試驗數(shù)據(jù)來看，空氣制動（摩擦制動）提前投入是閘瓦和踏面磨耗過快的主要原因，但這不是產(chǎn)生溝槽磨耗的主要原因。

2.2 閘瓦材質(zhì)的比較

經(jīng)了解，同一品牌、型號的閘瓦在不同地鐵項目上使用的狀況也會存在較大差異。閘瓦的工作效果受環(huán)境條件、線路條件、混合制動工況等多方面因素的影響。因此，在參考以上因素和哈爾濱地鐵車輪實測材質(zhì)的基礎(chǔ)上，在解決了空氣制動提前投入的前提下，選用了3種不同性能參數(shù)的閘瓦裝車進行對比試驗，閘瓦的材料性能參數(shù)詳見表4。

表4 試驗閘瓦性能參數(shù)表

試驗準(zhǔn)備前首先對所有閘瓦的可替換性進行了驗證，這些閘瓦的安裝接口、接觸面積、熱容量、摩擦穩(wěn)定性、制動距離以及緊急制動時的減速度等均滿足替換要求。在試驗準(zhǔn)備階段，將3種閘瓦分別裝于3列狀態(tài)一致的列車進行磨合，從而使其在統(tǒng)一的試驗標(biāo)準(zhǔn)下進行測試。在以上條件下對這3種閘瓦進行了近1年的同步跟蹤測試，定期對閘瓦厚度、輪徑值等數(shù)據(jù)進行跟蹤記錄。試驗結(jié)束后，經(jīng)過對測試期內(nèi)每列車的各個車輪、閘瓦磨耗量進行測量取平均差值，以及觀測踏面表面狀態(tài)，得到試驗結(jié)果見表5。

表5 閘瓦、踏面磨耗及踏面形態(tài)跟蹤試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果來看，閘瓦1仍然出現(xiàn)了W型磨耗且每萬公里閘瓦和車輪的磨耗量較大；閘瓦2出現(xiàn)了較淺的溝槽且閘瓦磨耗量較??；閘瓦3無溝槽且閘瓦磨耗量最小。

理論上，閘瓦彈性模量過大，意味著在同樣的壓力情況下變形量小，在制動時閘瓦與車輪踏面的貼合面積不夠理想，容易產(chǎn)生局部摩擦，在制動中車輪踏面表面會產(chǎn)生局部瞬時高溫，容易造成熱損傷，加上閘瓦材料硬度過大，易造成局部異常磨耗。從哈爾濱地鐵試驗情況可以看出，合理的閘瓦材質(zhì)、硬度和彈性模量，能夠改善閘瓦和車輪踏面的磨耗狀態(tài)。因使用不同材質(zhì)閘瓦的車輛本身以及外部軌道、氣候等條件完全相同，根據(jù)現(xiàn)階段的觀察，可推斷哈爾濱地鐵1號線列車車輪踏面的W型磨耗主要是由閘瓦造成的，可以通過更換閘瓦解決。

3 減少車輪踏面磨耗的優(yōu)化措施

哈爾濱地鐵1號線屬于半圓形線路，列車始終以一個方向在線路上行駛必然會對輪對造成影響，使輪緣的磨耗情況存在差異。本文采用了周期性換端的方式來彌補這種磨耗狀態(tài)，使列車兩側(cè)車輪的磨耗狀態(tài)保持一致，從而延長車輪的使用壽命。

4 結(jié)語

從哈爾濱地鐵現(xiàn)階段試驗數(shù)據(jù)看，本文找出了車輪踏面、閘瓦磨耗過快以及踏面W型磨耗的原因，并最終采取相應(yīng)的措施解決了這些問題。

對于哈爾濱地鐵1號線出現(xiàn)的車輪踏面磨耗過快及異常磨耗的現(xiàn)象，通過研究和試驗發(fā)現(xiàn)，電空混合制動時制動力計算與分配不合理引起的空氣制動過早投入，是造成車輪及閘瓦磨耗過快的主要原因；閘瓦材質(zhì)是造成踏面W型磨耗的主要原因。

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Analysis on Abnormal Wear of Wheel Tread on Harbin Metro Line 1

QI Wanming，MU Guangyuan，HU Jiancheng

In the initial operation，the fast W-type groove wear and brake block wear of the wheel tread on Harbin Metro Line 1 frequently occurred.In this paper，factors contributing to the wear problem are obtained through systematic analysis and experiments，corresponding improvements are proposed，including the correction of hybrid electro pneumatic braking scheme to solve fast break wear,the adjustment of brake block materials for W-type groove wear and the application of periodical terminal changing method to improve the wheel tread wear state.

subway；wheel tread；abnormal wear；W-type groove wear

U270.33+.1

10.16037/j.1007-869x.2017.11.004

Author′s address Harbin Metro Group Co.，Ltd.，Operation Branch Company，150050，Harbin，China

2016-03-09）