哈尔滨地铁1号线车轮踏面异常磨耗原因分析

齐万明 慕光远 胡建成

哈尔滨地铁1号线车轮踏面异常磨耗原因分析

齐万明 慕光远 胡建成

（哈尔滨地铁集团有限公司运营分公司，150050，哈尔滨∥第一作者，工程师）

哈尔滨地铁1号线运营初期，车轮踏面普遍发生了W型沟槽磨耗和闸瓦磨耗过快的问题。通过系统分析和试验，得出产生该问题的多种因素，并提出了相应的改进措施：修正电空混合制动方案解决了闸瓦磨耗过快的问题；调整闸瓦材质解决了车轮踏面W型沟槽磨耗问题；采用周期性换端的方式对车轮磨耗状态进行了优化。

地铁；车轮踏面；异常磨耗；W型沟槽

车轮踏面的沟槽、擦伤、剥离等异常磨耗是地铁开通运营初期常常会遇到的情况，如北京、上海、广州、深圳和南京等城市的地铁列车均出现了不同程度的车轮踏面异常磨耗［1-5］。车轮踏面的异常磨耗对列车运行的安全性、稳定性及舒适性等方面有着重要的影响，同时也缩短了车轮与闸瓦的使用寿命，增加了运营成本。因此，对车轮的异常磨耗进行研究分析有着重要的意义。

从各城市地铁运营中出现的车轮踏面异常磨耗情况来看，国内地铁车辆的车轮踏面异常磨耗主要原因有：调头周期紊乱［1］；电空制动时空气制动的切入点设置不合理，闸瓦选型不合理［6］；列车制动时在高速区段存在大量空气制动补偿［7］；线路、轨道情况复杂（轨道缺少润滑，钢轨表面毛糙，地面有铁屑，此情况出现在小半径曲线则更为严重）、轮轨接触不均匀［8］；闸瓦压力过大，压力不均匀，闸瓦晃动量大，频繁制动等因素容易导致滚动圆内侧和踏面外侧的双凹槽磨耗［9］等等。

本文依据引起车轮踏面异常磨耗的这些因素和哈尔滨地铁1号线车辆、线路的实际情况，对运营初期车轮踏面异常磨耗情况进行了分析，着重从修正电空混合制动方案及调整闸瓦材质这两个方面对车轮踏面异常磨耗问题展开研究。同时，采用周期性列车换端对车轮踏面磨耗状态进行优化。

1 车轮异常磨耗情况调查

哈尔滨地铁1号线于2013年9月26日载客试运营，经过近4个月的载客运营后，2014年1月，列车车轮踏面普遍出现不同程度的异常磨耗，磨耗现象均为W型沟槽，且部分沟槽深度已超过2 mm，如图1所示。对于此类沟槽只能通过轮对镟修作业进行修复。同时，普遍存在闸瓦磨耗过快的现象。车轮的频繁镟修及闸瓦磨耗过快会使轮对和闸瓦的使用寿命降低，从而增加整个车辆寿命周期内更换新轮对和闸瓦的次数，再加上每次镟修的成本，使得车辆整体寿命周期内的维护成本会急剧增加。

图1 异常磨耗的踏面

2 车轮踏面异常磨耗分析

经调查，哈尔滨地铁1号线轨道磨耗情况相对较好，故本文主要研究车辆自身的原因。首先依据TB/T 2817—1997《铁道车辆用辗钢整体车轮技术条件》对轮对进行了检测分析，结果见表1和表2。

表1 轮辋断面硬度、表面硬度检测结果 HB

表2 车轮的化学成分（质量分数）检验结果

从表1、表2可以看出，轮对硬度及化学成分的检测结果均符合标准要求。在车轮满足标准要求的基础上，本文重点从电空混合制动方案优化和闸瓦材质变化两方面进行具体的分析和试验。

2.1 电空混合方案

电空混合制动的目的是为了最小限度地使用空气制动，以减小闸瓦对车轮的磨损。在黏着允许的条件下，通过最大限度使用动车转向架上的电制动力来获得制动减速度，从而使空气制动的使用最小。

为排查电空混合制动的问题，哈尔滨地铁公司组织进行了电空制动配合专项试验。试验选取运营正常的列车，此列车轮对踏面正常，所装配闸瓦磨合完毕，摩擦面已100%与轮对贴合，在地铁车辆空载、定员载荷、超员载荷条件下，在试车线（平直干燥轨道）进行试验。当列车速度达到预定速度时，操纵司控器惰行3~5 s，然后立即施加最大常用制动，直到速度为零。预定速度分别为40 km/h、60 km/h、80 km/h，每个速度等级最少进行2次试验。试验过程中通过TCMS（列车控制和管理系统）及制动系统监控软件实时监测电空混合制动数据。

正常情况下，对AW2（定员载荷）以下载荷列车施加常用制动，在电空转换点速度值以上时制动力应全部由电制动提供，空气制动只需实施预压力。但在试验时发现，在电空转换点速度值以上存在空气制动与电制动同时施加的现象，实际空气制动压力值在50～70 kPa之间，大于哈尔滨地铁1号线制动系统预压力设定值34 kPa，此空气制动属于不正常施加。

试验结果显示，空气制动及电制动正常，但各工况下仍存在空气制动不正常施加现象。分析发现，哈尔滨地铁制动力计算为牵引系统和制动系统分别进行，最终由制动系统对制动力施加进行统一管理的方案。制动力计算的依据是保证相同的平均制动减速度。由于是分别计算，故牵引系统和制动系统分别采用了不同的等效反应时间来进行计算，牵引系统根据电制动的特性确定等效反应时间，制动系统根据空气制动的特性确定等效反应时间，而空气制动的等效反应时间要大于电制动的等效反应时间。

图2给出了等效减速度公式曲线。图中，a为减速度，t为时间，t10为延迟时间，t90为反应时间，te为等效反应时间，v0为初始速度，s3为停车距离，ae为等效减速度。

图2 确定等效反应时间和等效减速度计算方法［10］

从图 2 等效减速度公式 ae=v02/2（s3-v0te）［10］可以看出，等效反应时间te越大，ae就越大，得出的制动力需求值就越大。以上理论分析结果与车辆实际状态吻合。故确认，空气制动不正常施加的原因为在相同制动参考值条件下，空气制动系统监控到电制动施加值低于空气制动要求而主动投入空气制动进行补偿。

调查发现制动系统等效减速度为1.12 m/s2，电制动等效减速度为1.02 m/s2。考虑到哈尔滨地铁已按照空气制动系统的制动减速度值完成了电空制动配合试验和ATO（列车自动驾驶）对标调试，所以通过增加电制动力修正系数的优化方案使牵引和制动的制动力相互匹配，即在常用制动指令给出后，列车实际发出的电制动力值会自动乘以修正系数1.09（为空气制动等效减速度除以电制动等效减速度），避免了空气制动补充。方案优化后又重新进行了电空制动配合试验，通过数据监测发现，在常用制动时空气制动无异常施加。

后续进行了近1年的运营验证。实际运营情况表明，在选用相同型号闸瓦的情况下，电空混合制动优化前后踏面沟槽异常磨耗依然存在；因减少了部分空气制动的施加，使踏面沟槽发生的速度有所减缓；闸瓦和车轮踏面磨耗数据发生了较大的变化。修正电空混合制动前后磨耗对比如表3所示。

表3 修正电空混合制动前后磨耗对比mm/万km

从试验数据来看，空气制动（摩擦制动）提前投入是闸瓦和踏面磨耗过快的主要原因，但这不是产生沟槽磨耗的主要原因。

2.2 闸瓦材质的比较

经了解，同一品牌、型号的闸瓦在不同地铁项目上使用的状况也会存在较大差异。闸瓦的工作效果受环境条件、线路条件、混合制动工况等多方面因素的影响。因此，在参考以上因素和哈尔滨地铁车轮实测材质的基础上，在解决了空气制动提前投入的前提下，选用了3种不同性能参数的闸瓦装车进行对比试验，闸瓦的材料性能参数详见表4。

表4 试验闸瓦性能参数表

试验准备前首先对所有闸瓦的可替换性进行了验证，这些闸瓦的安装接口、接触面积、热容量、摩擦稳定性、制动距离以及紧急制动时的减速度等均满足替换要求。在试验准备阶段，将3种闸瓦分别装于3列状态一致的列车进行磨合，从而使其在统一的试验标准下进行测试。在以上条件下对这3种闸瓦进行了近1年的同步跟踪测试，定期对闸瓦厚度、轮径值等数据进行跟踪记录。试验结束后，经过对测试期内每列车的各个车轮、闸瓦磨耗量进行测量取平均差值，以及观测踏面表面状态，得到试验结果见表5。

表5 闸瓦、踏面磨耗及踏面形态跟踪试验结果

从试验结果来看，闸瓦1仍然出现了W型磨耗且每万公里闸瓦和车轮的磨耗量较大；闸瓦2出现了较浅的沟槽且闸瓦磨耗量较小；闸瓦3无沟槽且闸瓦磨耗量最小。

理论上，闸瓦弹性模量过大，意味着在同样的压力情况下变形量小，在制动时闸瓦与车轮踏面的贴合面积不够理想，容易产生局部摩擦，在制动中车轮踏面表面会产生局部瞬时高温，容易造成热损伤，加上闸瓦材料硬度过大，易造成局部异常磨耗。从哈尔滨地铁试验情况可以看出，合理的闸瓦材质、硬度和弹性模量，能够改善闸瓦和车轮踏面的磨耗状态。因使用不同材质闸瓦的车辆本身以及外部轨道、气候等条件完全相同，根据现阶段的观察，可推断哈尔滨地铁1号线列车车轮踏面的W型磨耗主要是由闸瓦造成的，可以通过更换闸瓦解决。

3 减少车轮踏面磨耗的优化措施

哈尔滨地铁1号线属于半圆形线路，列车始终以一个方向在线路上行驶必然会对轮对造成影响，使轮缘的磨耗情况存在差异。本文采用了周期性换端的方式来弥补这种磨耗状态，使列车两侧车轮的磨耗状态保持一致，从而延长车轮的使用寿命。

4 结语

从哈尔滨地铁现阶段试验数据看，本文找出了车轮踏面、闸瓦磨耗过快以及踏面W型磨耗的原因，并最终采取相应的措施解决了这些问题。

对于哈尔滨地铁1号线出现的车轮踏面磨耗过快及异常磨耗的现象，通过研究和试验发现，电空混合制动时制动力计算与分配不合理引起的空气制动过早投入，是造成车轮及闸瓦磨耗过快的主要原因；闸瓦材质是造成踏面W型磨耗的主要原因。

［1］ 邬春晖.北京地铁1号线车轮异常磨耗分析及其解决措施［J］.铁道车辆，2013，51（1）：40.

［2］ 方宇，穆华东，朱祺.上海地铁3号线车轮踏面异常磨耗分析［J］.机车电传动，2010（2）：45.

［3］ 邓军.广州地铁车辆轮对损伤形式及其原因浅析［J］.机车电传动，2008（1）：70.

［4］ 李洪，宗清泉，吴井冰，等.南京地铁列车车轮踏面非正常磨耗初析［J］.城市轨道交通研究，2007，10（7）：54.

［5］ 程永谊.城市轨道交通制动模式对车轮踏面非正常磨耗影响的研究［D］.北京：铁道科学研究院，2007.

［6］ 乔青峰.地铁车辆车轮踏面异常磨耗原因分析［J］.铁道机车车辆，2011，31（2）：27.

［7］ 周欣.上海轨道交通8号线车辆车轮踏面磨耗原因及改进分析［J］.电力机车与城轨车辆，2015，38（3）：89.

［8］ 邱伟明，朱永波.广州地铁三号线车辆轮缘异常磨耗原因分析及解决措施［J］.电力机车与城轨车辆，2011，34（4）：80.

［9］ 李霞，温泽峰，金学松.地铁车轮踏面异常磨耗原因分析［J］.机械工程学报，2010，46（16）：60.

［10］ 欧洲标准化委员会.铁路应用-制动-轨道交通制动系统 第1部分：性能要求：BS EN 13452-1-2003［S］.布鲁塞尔：欧洲标准化委员会，2003：11.

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）