城市轨道交通车辆车轮轮缘严重磨耗分析

李 涛 刘志远 赵 卓 李晓峰 阴晓铭

(中车长春轨道客车股份有限公司工程研究中心转向架研发部， 130062， 长春//第一作者， 工程师)

目前，上海、北京、深圳等城市的轨道交通车辆在运用过程中均出现过轮缘严重磨耗现象。车轮轮缘的严重磨耗会加快轮缘磨耗，降低车轮使用寿命，同时会恶化轮轨工作环境，并加快轨道的磨耗，降低轨道寿命。

1 车轮轮缘磨耗原因分析

车辆在正常运用状态下，轮轨间接触形式主要有一点接触和两点接触两种情况。轮对相对钢轨的横向位移不大时，一般是车轮踏面与钢轨顶面相接触，为一点接触，一点接触时可以认为车轮全部载荷作用于同一点。当轮对相对钢轨的横移和摇头角较大时，就可能会引起车轮踏面和钢轨顶面、轮缘和钢轨侧面同时相接触的状态，即为两点接触。车辆在正常运行状态下，一点接触是常态。国内城市轨道交通车辆车轮踏面多以LM型踏面磨耗为主，当其与60kg型号钢轨匹配时，在新轮新轨状态下，多数不存在两点接触，只有当钢轨出现严重侧磨或踏面严重磨耗时会出现两点接触。当出现两点接触时，轮轨间会产生相对滑动，加速轮缘磨耗。

通过对轮对接触的简单分析，本文认为引起车辆车轮轮缘严重磨耗的原因有：

(1) 曲线左右方向线路不均：车辆单向运营，车辆无法调头，因此，在线路曲线区段左右方向线路条件不均情况下，车辆单向行驶会导致车辆外侧车轮轮缘比内侧车轮轮缘更容易磨耗。

(2) 曲线上外轨内侧的润滑不良：一般线路轨旁均设置轨旁润滑装置以降低轮轨摩擦力，当轨旁润滑装置设置数量不足或工作状态不良时，会增大轮缘磨耗。

(3) 轮轨磨合：对于新建线路，轮轨配合为新轮与新轨配合，处于轮缘和轨道磨合初期，轮缘及钢轨的磨耗均较大，可能会出现轮缘厚度方向磨耗较快的现象。

2 车轮轮缘磨耗调查过程

深圳地铁9号线列车运行至12万km左右时，车辆轮缘出现严重磨耗，针对这一问题进行了车轮实测分析。列车运行公里数等信息见表1，实测内容包括踏面磨耗、轮缘磨耗、平稳性。

2.1 踏面磨耗

踏面磨耗主要计算在踏面名义滚动圆处实测磨耗踏面与标准踏面的差值。根据不同镟后运行里程的磨耗统计结果(见图1)，一个镟修周期内踏面磨耗量约为2.5 mm，随镟后运行里程增加而逐渐增加，0～10万km内增长速率(1.8～2.0 mm/10万km)略大于10～20万km内的(0.7～0.5 mm/10万km)。动车和拖车踏面磨耗未见明显差异(见图2)。

图1 不同镟后运行里程下车轮踏面磨耗分布

图2 动车和拖车踏面磨耗情况对比

2.2 轮缘磨耗

计算轮缘磨耗时，根据轮缘最高点将实测磨耗踏面与标准踏面对齐，计算轮缘厚度测量位置的横向磨耗量。由于902、905、910、915号列车全列已进行了镟修，镟修时采用薄轮缘经济镟修方案，镟后各车轮的轮缘厚度不同，故在轮缘磨耗统计时不考虑上述车组。

如图3所示，镟后运行2.5万km轮缘磨耗量约为1.3～2.3 mm，后续随着镟后运行里程增加而略有增加，到达镟修周期时轮缘磨耗量约为2.5～3.5 mm。动车和拖车轮缘磨耗无明显差异(见图4)。图5 给出了不同镟后运行里程下左右侧轮缘磨耗的分布情况，利用盒装图统计的方法表示一列车左右侧车轮差异，发现按照25%～75%分位数统计，右侧车轮轮缘磨耗大于左侧，差值约为0.5～1.0 mm。

图3 不同镟后运行里程下车轮轮缘磨耗分布

图4 动车和拖车轮缘磨耗对比图

2.3 平稳性

选取运营里程接近20万km的908号列车的6车和5车进行平稳性测试，测试区间为深圳湾公园站至文锦站往返，运行状态为空载。深圳湾公园站至文锦站区间每站停车，返程时，由于线路维护仅部分车站停车。

图5 不同镟后运行里程下左右侧车轮轮缘磨耗情况对比

2.3.1 深圳湾公园站至文锦站平稳性

如图6所示，横向平稳性小于2.0，约为1.7～1.8，符合标准优秀评定，动车和拖车无明显差异；垂向平稳性指标基本小于2.0，仅个别区段(孖岭站—银湖站、红岭北站—园岭站)约为2.0～2.2，符合标准优秀评定，动车和拖车相当。上述局部区段拖车(作为尾车)的平稳性指标略大于动车的。

a) 横向平稳性状态

b) 垂向平稳性状态

2.3.2 文锦站至深圳湾公园站平稳性

如图7所示，横向平稳性指标基本小于2.0，部分区段约为2.0～2.5，符合标准优秀评定；垂向平稳性指标基本小于2.0，个别区段约为2.0～2.5，符合标准优秀评定。拖车的平稳性指标(作为头车)略大于动车。

a) 横向平稳性状态

b) 垂向平稳性状态

2.4 车轮踏面表面状态

如图8所示，车轮踏面表面未见严重剥离、疲劳裂纹、多边形磨耗等现象；在轮缘根部和踏面端部存在明显接触光带，这与运行线路曲线较多有关；由于通过小曲线贴靠钢轨，轮缘部分出现碾压堆积、掉皮等现象。

a) 光带 b) 掉皮c) 堆积

2.5 镟修质量

910号列车于2018年5月11日进行了全列镟修，5月18日对全列进行了踏面外形测试，镟后运行仅0.5万km。为减少轮径镟修量，镟修采用薄轮缘经济镟修外形，踏面部分(横向-20～60 mm)与标准LM型踏面外形基本一致(见图9)，偏差基本小于0.2 mm，镟修质量未见异常。

对深圳地铁9号线轮缘严重磨耗车辆的车轮状态进行了实测分析，现总结如下：

(1) 908号列车的5车、6车在上下行区间内平稳性指标基本小于2.0，个别区段约为2.0-2.2，均小于2.5，符合标准优秀评定要求。

图9 实测新镟修踏面与标准踏面对比

(2) 单镟修周期内踏面名义滚动圆处磨耗量约为2.5 mm，10万km前磨耗速率略大于10～20万km的，动车和拖车无明显差异；轮缘磨耗量约为2.5～3.5 mm，左右侧存在明显差异，与车辆长期同向运行有关。

3 结论

(1) 车轮轮缘中部仅有微细裂纹时可暂时不必处理，此时对车辆动力学性能等并无影响，但当出现连续剥离现象时则须进行镟轮处理。

(2) 考虑到深圳地铁9号线列车运行里程达到12万km左右时出现车轮轮缘严重磨耗现象，并伴有剥离现象，为确保列车的运行品质，暂时建议车辆运行里程达到12万km时，对车轮踏面进行镟修处理。

(3) 线路设计初期增加车辆掉头线，以防止列车因单向运行而增加车轮轮缘的严重磨耗。

(4) 车轮轮缘的严重磨耗现象，主要涉及轮轨的配合关系。在对车辆踏面状态检测的同时，需对线路的轨道半径、轨道超高等参数进行检查确认，以便进一步确认列车通过速度是否合适。同时比较列车实际通过曲线速度与限制速度间的差异。如有可能，建议考虑在小曲线区段适当降速运行，以降低曲线通过时轮轨间的横向力，或者设置轨旁润滑装置，以降低轮轨摩擦力。