广州市轨道交通车辆车轮统型分析及研究

2016-03-21贾朋磊

轨道交通装备与技术 2016年1期

关键词：踏面型式轮轨

邓军贾朋磊

(广州地铁集团有限公司运营事业总部广东广州 510310)

广州市轨道交通车辆车轮统型分析及研究

邓军贾朋磊

(广州地铁集团有限公司运营事业总部广东广州 510310)

根据广州市轨道交通车辆车轮运用现状，从车轮外形、踏面形式、车轮材质等方面开展对比研究和分析，提出了车轮统型思路和具体方案。

车轮统型；踏面形式；车轮材质；辐板型式

目前，广州地铁已运营的车辆车型主要包括A型车、B型车和L型车(APM和有轨电车不在本文分析范围)，不同车辆生产厂家对于车轮材质、踏面形式以及辐板型式选择各不相同，给车轮采购以及运营维护带来了诸多不便，有必要对车轮材质、踏面型式以及辐板型式进行统一[1](以下简称统型)。

1 目前各线车辆车轮形式

广州市轨道交通各线车辆的车轮材质、踏面型式以及辐板型式如表1所示。

表1 广州市轨道交通各线车轮情况

R8T是UIC 812—3—1984标准中的R8钢，该标准把钢种分为R1～R9共9种,T表示轮辋淬火(踏面淬火)，该标准中R8的另一种热处理方式为浸入淬火和回火(整体淬火)，踏面淬火既能保证踏面具有一定硬度，又能使辐板有足够的韧性。

ER8是EN 13262标准中的一种钢种，该标准把钢种分为ER6、ER7、ER8、ER9四种。

CL60是TB/T 2817—1997《铁道车辆用辗钢整体车轮技术条件》规定的唯一车轮钢种。车轮热处理方式为轮辋进行淬火和回火处理。

2 车轮统型的分析

2.1 车轮统型总体思路

(1)按车型统型，比如A、B、L型车各自统一成1种轮型。A型车都为踏面制动方式，轮径范围相同，只是辐板型式不同，可以研究能否对辐板型式进行统一；B型车(除广佛线外)为轮盘制动，辐板采用直辐板以安装制动盘，目前轮型已经统一，广佛线为80 km/h的B型车，采用踏面制动，S形辐板，无法与其他B型车统一；L型车为轴盘制动，直径为660～730 mm，轮型也已统一。

(2)按直径范围和制动方式统型。主要有3种：①车轮直径在770～840 mm且采用踏面制动的车轮(即一、二、八号线和广佛线车辆统型)；②车轮直径在770～840 mm且采用轮盘制动的车轮(即120 km/h的三号线和机场线车辆统型)；③车轮直径在660～730 mm且采用轴盘制动的车轮(即四、五、六号线L型车车轮统型)。

通过比较，认为按第2种统型思路更适用于广州市轨道交通车辆，有利于更多线路车轮的统一，后续新车采购也可按该统型方法选型。

2.2 车轮辐板型式及尺寸的统一

广州市轨道交通车辆车轮目前有直辐板和S形辐板2种型式，对于采用轮盘制动的车轮，考虑到制动盘的安装，必须采用直辐板型式。对于采用踏面制动或者轴盘制动的轮对，可以对车轮的辐板型式进行选择。如按直径范围和制动方式进行统型，则只需要对车轮直径范围770～840 mm、踏面制动的车轮(即：一、二、八号线和广佛线)的辐板型式及尺寸统一，这类型存在直辐板和S形辐板2种形式(且S形辐板样式也不一样)，尺寸多样。

目前国内地铁车辆车轮普遍采用3种辐板型式，即直辐板、S形辐板和双S形辐板，S形辐板具有较大的承载能力和良好的抗热裂性能。通过对各种辐板型式的抗热裂性能进行对比试验，结果表明各类型辐板车轮的抗热裂性能强弱序列为：(1)S形辐板；(2)圆弧辐板；(3)双S形辐板；(4)直辐板。对于地铁车辆车轮而言，运行区间短，需要频繁地施加制动，S形辐板优良的抗热应力和抗热裂性能更适合使用闸瓦的地铁车辆，同时S形辐板比直辐板车轮更具降噪作用。

据了解，上海申通地铁集团有限公司已联合车轮生产厂家和相关科研院校研制了上海地铁A型车统型车轮，采用了S形辐板和DIN 5573-E标准中的踏面形状[2]。从国内城轨车辆车轮统一角度考虑，广州市轨道交通车辆采用直径范围770～840 mm、踏面制动的车轮可参考上海地铁A型车的统型车轮。

2.3 车轮踏面外形的统一

车轮踏面外形的选择，需要与钢轨轨道的形状相配合，才能减缓轮轨间的磨耗，降低车辆运行过程中的噪音，提高车辆运行的平稳性和舒适性。目前，广州市轨道交通普遍在车辆段内使用50 kg/m的钢轨，在正线以及试车线使用60 kg/m的钢轨，50 kg/m和60 kg/m钢轨轨头的形状如图1、图2以及图3所示。相对于50 kg/m的钢轨，60 kg/m钢轨轨头在轨肩部位增加了R=80 mm的圆弧，从轨顶到侧面，过渡较为平缓，且轨侧为1∶20的斜线，其余外形尺寸有所增大。

图1 50 kg/m钢轨轨头形状

图2 60 kg/m钢轨轨头形状

图3 2种钢轨轨头外形比较

目前广州市轨道交通各线采用了3种磨耗型踏面，分别为欧洲ORES1002磨耗型、DIN 5573以及LM型磨耗型踏面，3种踏面的外形如图4、图5以及图6所示，从图示中可以看出，三者虽然均为磨耗型踏面，但ORES1002以及DIN 5573踏面形状基本一致，LM型磨耗型踏面与上述2种踏面的各段弧度以及直线都不相同。

图4 ORES1002磨耗型踏面

图5 DIN 5573 磨耗型踏面

图6 LM型磨耗型踏面

LM型磨耗型踏面是在TB型锥形踏面的基础上，由青岛四方车辆研究所有限公司相关人员对我国不同铁路上运用的磨耗轮对踏面外形进行测量，经过整理以及分析，得出在我国铁路上运行的车轮踏面的“稳定形状”，是适合我国铁路的磨耗型踏面，该磨耗型踏面自1984年起已经在铁路上推广使用。

相关文献资料中明确说明“50 kg/m的标准钢轨与TB型锥型踏面配合使用，60 kg/m钢轨与LM型磨耗型踏面配合使用”，从列车轮轨接触关系、平稳性的影响、曲线通过性能方面对比分析LM型磨耗型踏面和DIN 5573磨耗型踏面，得出以下结论：

(1)LM型磨耗型踏面和DIN 5573磨耗型踏面与60 kg/m钢轨的接触关系存在明显差异，DIN 5573比LM型磨耗型踏面的等效锥度明显要小；

(2)不同踏面对列车的垂向平稳性影响不大，但是对列车横向平稳性有一定的影响，DIN 5573磨耗型踏面比LM型磨耗型踏面的横向平稳性略好；

(3)DIN 5573磨耗型踏面，其最大的轮轨横向力、脱轨系数以及轮轨磨耗指数都比LM型磨耗型踏面的大，即DIN 5573磨耗型踏面通过性能差。

虽然LM型磨耗型踏面在运行横向平稳性方面略差于DIN 5573磨耗型踏面，但是其轮轨磨耗和曲线通过性能均优于DIN 5573磨耗型踏面，因此车轮踏面外形宜向LM型磨耗型踏面统一。后续可以将既有线路采用ORES1002或DIN 5573型踏面的车轮加工成LM型磨耗型踏面，进一步对比车辆运行性能和轮轨磨耗情况。

2.4 车轮材质的统一

2.4.1 各条线轨道材质

中国铁路使用的钢轨钢种主要有：U71Mnk、U71Mn 、U75V、PG4、U77MnCr、贝氏体钢轨以及相应的热处理钢轨。广州市轨道交通各条线使用的轨道材质均为PD3型(U75V)，该种轨道的硬度一般为280～320 HB(非淬火)。

2.4.2 轮轨硬度的匹配关系

根据相关资料记载，轨轮硬度比1.13是2类不同类型钢轨(淬火与非淬火)与车轮匹配的交汇点，对淬火钢轨匹配系统而言，这是系统总磨耗率最低的最佳比值，而对非淬火钢轨系统来说，则是匹配失衡的临界点[3]。非淬火钢轨匹配比值在1.0～1.13时，系统处在轨、轮磨耗和总磨耗都呈低值平缓特征的合理低耗区段；轨轮硬度比大于1.13时2类系统的车轮磨耗和总磨耗都迅速上升，如图7所示。

图7 磨损率与轨/轮硬度比关系

目前常用几种材质中，CL60材质的硬度最高，R9T/ER9和R8T/ER8材质硬度适中，R7T/ER7材质硬度最低。轨轮硬度比在1.0～1.13是较好的硬度匹配关系，对于车轮材质而言，R8T和R9T是较佳选择。但车轮磨耗也与线路曲线条件、转向架过曲线性能有关，通过实际运用也发现，线路曲线越多、曲线半径越小，即使选用CL60材质的车轮，轮缘磨耗也较严重,轨道磨耗率相对也高；而线路较直，曲线半径较大，使用R8T或ER8材质的车轮，轮缘磨耗较低。因此，建议后续选择车轮硬度时，综合线路曲线条件、列车转向架过曲线性能考虑，优先选择R9T或ER9的材质，在线路条件特别好的情况下，可选择R8T或ER8 材质的车轮。