重庆市轨道交通 1 号线车轮使用寿命的探索分析

刘 洋，周珏凯

（重庆市轨道交通（集团）有限公司，重庆 401120）

1 引言

重庆市轨道交通1号线于2011年7月28日开通试运营，是重庆市建成通车的首条城市轨道交通线路，运营线路全长约45 km，采用6辆编组B2型地铁列车。初期投入运营列车的走行公里数已超100万km，运营车辆已经过第一个车辆架修周期，逐步进入列车大修修程。受重庆市特殊地理条件限制，重庆轨道交通1号线正线线路坡度超过30‰的区段有31 处，曲线半径小于300 m的区段有4处，曲线竖缓重叠的区段有102处，相当于85%的曲线段都存在竖缓重叠情况。线路条件的客观因素导致轮轨关系恶劣，加大了车轮的磨耗速率。因此，为达到延长车轮使用寿命与保证车轮安全使用的目标，对车轮磨耗及其运用安全性进行全面的研究和计算是非常必要的。

2 车轮技术条件及使用情况

重庆市轨道交通1号线车轮采用S型辐板直径φ840 mm整体辗钢车轮，符合TB/T 2817-1997《铁道车辆用辗钢整体车轮技术条件》及HDS型车轮的规定，踏面轮廓符合TB/T 449-2016《机车车辆车轮轮缘踏面外形》中规定的LM型外形轮廓，截面如图1所示。

图1 LM型外形轮廓 （单位：mm）

通过分析现有的车轮检修记录，重庆市轨道交通1 号线车轮在日常检修过程中出现踏面擦伤、剥离等不良状态的情况非常少，目前车轮存在的主要磨耗为车轮踏面磨耗以及轮缘厚度磨耗，其中轮缘厚度磨耗现象最为突出。由于运营线路弯道多、半径小、曲线竖缓重叠等实际因素，列车通过曲线时，外轨与车轮轮缘产生接触应力，导致车轮轮缘磨耗、钢轨侧磨情况加剧。

截止2020年12月，重庆市轨道交通1号线列车走行公里数约95～140万km。其中，走行公里数在130万km以上的列车占总数的43%，公里数在120～130万km以上的列车占总数的23%，公里数在110～120万km以上的列车占总数的11%，公里数在100～110万km以上的列车占总数的6%，公里数在100万km以下的列车占总数的17%。车轮直径φ820 mm以上约占58%，φ800 mm～φ820 mm约占32%，φ800 mm以下约占10%，其中最小的轮径值为775 mm。

根据目前的车轮磨耗速率推算，重庆市轨道交通1 号线车轮的平均使用寿命约为112～141万km，存在部分车轮在列车大修修程之前寿命到限的情况。因此，减缓车轮磨耗速率，延长车轮使用寿命对于重庆市特殊线路条件的运营具有重大意义。

3 线路情况

重庆市轨道交通1号线为典型的山地城市轨道交通线路，除具有坡道大、曲线半径小等特点，线路条件极其恶劣。另外，开通运营后，在日常线路维修养护中发现多段线路轨底坡不满足设计要求，钢轨光带严重偏离。同时发现该线路小什字至较场口上行区间曲线段波状磨耗（以下简称“波磨”）严重，波磨噪声与曲线啸叫同时发生，伴随车内有明显的异常高频振动。钢轨的异常病害也加剧了车轮的异常磨耗。经过与国内科研单位及施工单位的合作，调整了轨底坡设置。通过对波磨严重区段轨道加装阻尼降噪装置，减轻了轨道的波磨，总体上改善了轮轨磨耗关系。

4 影响车轮寿命的主要因素分析

车轮寿命主要指车轮踏面直径到达尺寸限制的时间。重庆市轨道交通1号线车轮原型直径φ840 mm，到限尺寸为φ770 mm。因此，将可能造成车轮踏面直径减小的因素列为重点分析对象，相关分析如下。

4.1 踏面磨耗

车轮踏面承受来自钢轨、道岔和线路不平顺等垂直和水平方向的作用力，车辆运营过程中，必然造成车轮滚动圆方向的磨耗损失。经测算，重庆市轨道交通1号线车辆的车轮踏面平均磨耗速率为0.07 mm/万km。

4.2 轮缘厚度磨耗

当车辆通过曲线时，外轨与车轮轮缘产生接触应力，将导致轮缘磨耗。根据《重庆市轨道交通B型地铁车辆日常检修规程》要求，车辆进行日常检修时轮缘厚度应为23～32 mm，通过对重庆市轨道交通1号线所有车轮的轮缘磨耗数据进行统计分析，得出当前车轮轮缘厚度磨耗平均速率约为0.18 mm/万km。虽然轮缘的磨耗不直接导致车轮直径的减少，但由于车轮轮缘厚度可以通过镟修车轮的方式恢复，根据镟轮情况测算每恢复1 mm轮缘厚度，车轮直径须减少4.5 mm，即轮缘厚度的恢复量与踏面直径减少量之比为1 : 4.5。因此，轮缘磨耗导致的车轮直径平均减少速率可转换计算为0.81 mm/万km。

4.3 车轮故障镟修

车辆运用过程中产生的踏面擦伤、剥离、失圆、碾宽等故障，均能通过车轮镟修的方式消除。重庆市轨道交通1号线车辆实际运用过程中故障镟修次数较少，只针对个别故障车轮进行了镟修，且故障情况发生存在偶然性，因此在分析车轮使用寿命时暂不考虑车轮故障导致的轮径消耗。

根据以上情况分析可以看出，因车轮踏面与钢轨的接触磨耗导致的轮径减小对车轮寿命影响非常小，真正影响车轮寿命的因素是轮缘厚度磨耗后，为恢复轮缘厚度而镟轮导致的轮径减小。因此，如何有效的控制车轮轮缘厚度磨耗速率和制定合理的车轮镟修方案将是延长车轮寿命的重点关注点。

5 车轮轮缘厚度磨耗速率分析

通过收集整理重庆市轨道交通1号线车轮轮缘厚度数据，我们发现不同的轮缘厚度在运用过程中呈现出不同的磨耗速率，典型的车轮轮缘磨耗速率的变化曲线如图2所示。从该曲线可以看出，列车走行近30万km时，进行了一次车轮镟修，车轮镟修为LM原型踏面外形，轮缘厚度恢复至32 mm，随后近30万km运行期间，轮缘磨耗速率相对比较平稳。当走行公里数超过30 万km后，未开展车轮镟修工作，保持当前的踏面情况继续运营，车轮轮缘的磨耗速率呈现出较之前有所增加的情况，特别是轮缘厚度从28 mm磨耗至25 mm期间，磨耗速率变化更加明显，速率进一步增加。

图2 车轮轮缘厚度磨耗曲线

由此可见，根据重庆市轨道交通1号线的实际运营情况，定期开展预防性镟轮工作、保持踏面标准外形和一定的轮缘厚度，对减缓车轮轮缘磨耗速率是有效的，从而延长车轮使用寿命，保障列车运营安全。

6 国内其他城市轨道交通车辆车轮磨耗情况

6.1 北京市轨道交通1号线

北京市轨道交通1号线全长31.3 km，有SFM04/SFM04A及DKZ两大类车型。为满足乘客的出行需求，北京市轨道交通1号线将高峰时段列车最小运营间隔缩短至125 s，最高单日客流量接近160万人次。随着运营间隔时间的进一步缩短，受车辆及线路等因素的影响，出现了车轮踏面异常磨耗、轮缘异常磨耗、车轮踏面擦伤与剥离等情况。对此异常磨耗的应对措施主要有：①改进现有车辆的基础制动结构；②选用与车轮踏面材质匹配度高且有修复作用的闸瓦；③减小车轮镟修的切削量，以延长车轮使用寿命；④合理分配车辆制动力；⑤选择合理的车辆调头周期等。

6.2 广州市轨道交通

在广州市轨道交通车轮镟修技术要求中，将LM 型踏面车轮轮缘镟修厚度等级分为LM-26、LM-28、LM-30、LM-32 共4个偶数等级，并规定镟轮时可根据车轮尺寸和镟修要求进行轮缘厚度选择。原铁道部2013年发布的《铁路客车轮轴组装检修及管理规则》中规定，车轮轮缘踏面分为10种类型，轮缘厚度不但存在偶数等级，也存在奇数等级。但奇数轮缘厚度等级在广州市轨道交通中尚未应用。

为减少恢复轮缘厚度造成的车轮直径浪费，延长车轮使用寿命，降低车轮维修成本，提高车轮镟修经济性和生产效率，广州市轨道交通通过理论研究和实际镟修验证，在原有4个轮缘厚度等级的基础上，提出增设LM-27、LM-29、LM-31共3个奇数轮缘镟修厚度等级。

6.3 上海市轨道交通4号线

上海市轨道交通4号线是一条全长33.77 km的环行线，于2005年12月31日通车，在开通不到1个月时间便出现了多个车轮轮缘严重磨耗的现象。其中环线外侧方向的国产车轮轮缘磨耗尤为严重。经分析，国产车轮材料ER7硬度偏低是出现车轮轮缘异常磨耗的主要原因。对环行线路外侧车轮定期换端运营在一定程度上能改善车轮偏磨现象，同时安装轮缘润滑装置能有效提高车轮使用寿命，而优化转向架悬挂参数对改善轮轨关系、降低车轮磨耗有较明显作用。

6.4 对比分析

因重庆市轨道交通线路条件在国内的特殊性和唯一性，无法在相同线路条件下直接对比车轮磨耗情况，下面针对车轮以及车轮检修的差异性进行对比分析：①车轮选型及材质：国内城市轨道交通车辆车轮一般分为进口DIN车轮和国产TB车轮，重庆市轨道交通1号线车轮采用的是CL60国产车轮，对比国内选用相同车轮的城市轨道交通项目，其材质和机械性能无差异；②检修规程：国内城市轨道交通车辆都根据各自的车辆设计、系统设备配置制定了相应的车辆检修规程，车轮检修项目和测量项目基本都是参考《铁路客车轮轴组装检修及管理规则》的规定项目，日常检修的测量项目主要包括车轮直径、轮缘厚度、踏面圆周磨耗深度等参数，重庆市轨道交通1号线车轮检修规程与其他城市基本保持一致；③车轮踏面镟修外形：国内城市轨道交通车辆车轮踏面镟修外形基本参照TB/T 449-2016 ，其中LM类型中共计10种踏面外形，各城市轨道交通运营单位出于车轮镟修经济性和生产效率的考虑，踏面镟修外形不尽相同，重庆市轨道交通1号线车轮镟修外形选用LM-28即轮缘厚度28 mm及以上的踏面外形。

7 提高车轮使用寿命的措施

通过与国内其他城市轨道交通线路对比，针对重庆市轨道交通1号线的特殊线路条件及车辆轮对的运用现状，经过分析，在保证运用安全性的基础上，可以采取以下方式提高车轮寿命。

7.1 定期开展预防性镟修

根据重庆市轨道交通1号线轮缘厚度磨耗速率的测算，列车运营30～40万km（2.5～3年）时，开展一次车轮预防性镟修，恢复车轮轮缘厚度，从而减缓轮缘厚度的磨耗速率，延长车轮使用寿命。并且通过车轮镟修工作，消除踏面热裂纹等损伤，保持车轮踏面外形和一定的轮缘厚度，达到保障车轮运营安全性、经济性的目标。

7.2 车轮故障镟修采取 LM 薄型轮缘踏面外形

根据重庆市轨道交通1号线车辆车轮镟修的要求，镟修后的车轮踏面外形须符合TB/T 449-2016 中规定的LM原型踏面外形。在消除个别车轮踏面的某个缺陷或不良状况时，若镟修标准仅采用LM原型踏面外形将导致故障车轮镟修量的增加。例如，需要镟修的车轮轮缘厚度为28 mm，为消除某个缺陷或不良状况将踏面外形恢复至LM原型踏面外形，即将车轮轮缘厚度恢复至32 mm，预计镟修后轮径将减少18 mm，导致单个车轮镟修工作效率不高。

单个车轮镟修恢复LM原型踏面外形，也会导致车辆轮径差超限的情况。按照《重庆市轨道交通B型地铁车辆日常检修规程》的要求，同一轮对、同一转向架、同一辆车的轮径差要求分别为不大于2 mm、不大于4 mm、不大于8 mm。若因为故障车轮镟修导致轮径减小，造成与其他车轮的轮径差不匹配，则需对其他车轮进行镟修，造成浪费。

因此，对于车轮缺陷或不良状况镟修，我们针对镟修作业的踏面外形要求进行了调整，采用TB/T 449-2016中规定的LM薄型轮缘踏面外形，例如LM-31、LM-30、LM-29、LM-28等，外形轮廓选择更加灵活，车轮镟修量控制可以更加精确。

7.3 运营列车定期换向

因城市轨道交通运营的特殊性，其运营线路以及参与运营的列车都十分固定，基本不存在跨线使用列车的情况，运营列车无论在运营线路的上行线路还是下行线路，在经过同一区段时，上、下行通过的曲线方向和参数都基本一样，导致列车通过曲线时总是同一侧车轮轮缘与外轨产生接触压力，造成同一列车的两侧车轮轮缘厚度差异加大。

因此，定期对所有列车开展换向专项工作是非常必要的，各个城市的轨道交通线路可根据正线线路设置的转换区段或车辆段内设置的环形线路完成列车换向工作。同时还需根据车轮的磨耗情况制定合理的换向周期，避免列车轮缘单侧磨耗加剧的情况。根据重庆市轨道交通1 号线车轮轮缘的磨耗情况及运用经验，每年进行一次列车换向是合理且必要的。

7.4 加强轮缘润滑设备维护与跟踪

重庆市轨道交通1号线50%的运营列车上安装有湿式轮缘润滑装置，该装置采用时间加弯道的控制方式，能够在列车通过曲线时，将油脂喷洒至轮缘与钢轨的接触面上，改善轮轨磨耗关系。在车辆维护过程中，应加强该装置维护、补油及功能试验，确保该设备正常工作。并且在今后的工作中需对运营列车的轮喷指数（轮喷指数=所有带轮喷车总的喷油次数÷正线运行的总列车数）进一步跟踪统计，通过调整合适的轮喷指数改善轮缘磨耗速率。同时，加强与专业的供应商技术交流，寻找润滑效果更好、更适用于本线路运营车辆的润滑油脂。

7.5 做好轨道维护工作

相关工务专业单位应重点关注重庆市轨道交通1号线运营线路中小曲线半径区间等容易造成轮轨磨耗的轨道维护工作，针对有钢轨波磨和剥落掉块区段进行修复性打磨，消除钢轨波磨和剥落掉块，研究小半径曲线的钢轨修形周期及标准，并且在正线小曲线半径区间增加自动轨道涂油设备，提高轮轨润滑水平。

8 结束语

基于以上轮轨关系研究和分析，为进一步改善轮轨关系、延长车轮使用寿命，还应从以下几方面开展研究工作。

（1）由于城市轨道交通轮轨关系的复杂性，单独分析车轮的磨耗情况存在一定的局限性。在今后的工作中，工务、车辆专业须共同长期跟踪车轮、钢轨磨耗情况，为研究城市轨道车辆车轮的使用寿命提供更多的数据和更全面的对比分析，系统性的分析、改善轮轨关系。

（2）加强车轮运用检修的信息化管理，依托既有智能运维平台下的检修信息管理系统，开发出合适的车轮全寿命管理系统。通过对车轮基础数据的采集、分析，摸索出车轮磨耗趋势及异常磨耗，制定合理的镟轮方法与工艺。同时，通过车轮全寿命管理系统，加强日常维护与架大修的联系，为架大修过程的车轮检修提供数据支撑，减少非必要镟修，提高车轮使用寿命。

（3）加强与专业厂家、高校、设计院的合作，开展轮对、轨道运用情况的调研，优化车轮踏面设计，及时分析、处理钢轨的病害，改善轮轨关系，降低车轮非正常磨耗。

（4）必要时可引入专业的检测机构对轮轨关系进行专业的测试与评估，城市轨道交通运营单位可根据第三方的测试数据、评估报告开展有针对性的专项治理工作或调整检修规程。