地铁列车车轮不圆发展分析与优化方案

2024-01-30彭汉操霍浩翔

现代城市轨道交通 2024年1期

彭汉操，霍浩翔

（佛山市地铁运营有限公司，广东佛山 528010）

1 引言

佛山地铁2 号线采用B1 型车、4 动2 拖6 节编组，最高运行速度可达100 km/h，开通初期的轮对镟修主要采用故障性镟修模式。至2022 年5 月，车辆检修陆续发现车轮圆跳动超差，以致列车因需上镟床复测而扣车。为解决该问题，计划对所有列车集中进行一次预防性镟修，并借此利用镟床测量统计所有车轮对数据。除此以外，为研究车轮不圆成因，随机抽样某一节车对其进行车轮不圆测试，以做进一步分析研究。

本文以解决佛山地铁2 号线车轮不圆问题为目的，对列车不圆情况进行统计及开展相关测试，综合分析佛山地铁2 号线车轮不圆发展特点，对车轮不圆问题进行有针对性的优化。

2 轮对运用标准及运用情况

2.1 轮对运用标准

关于轮对检修与镟修方面，佛山地铁2 号线依据维修手册制定一系列关于电客车轮对的运用标准，轮对运用标准如表1 所示。

表1 轮对运用标准

2.2 轮对运用情况

轮对采用LM-32 踏面，制动方式采用盘式制动。从开通至2022 年5 月（列车公里数约为8.5 万km），轮对磨耗情况如表2 所示。统计显示，右轮磨耗相比于左轮磨耗略大，轮缘厚度一直维持在32 mm 左右。

表2 轮对磨耗情况 mm/万km

关于故障情况，至2022 年5 月已出现9 起因检查轮对不符合标准调车进镟轮库复测或镟修的情况。轮对故障多为车轮不圆，其次为踏面凹坑与电蚀，未发现同轮对同架同车轮径差不达标或轮缘尺寸不达标的情况，轮对故障情况如表3 所示。

表3 轮对故障情况起

镟轮后，曾出现踏面凹坑及电蚀的轮对经后续跟踪观察故障未再重现，且该类问题的出现并不存在规律性。而车轮不圆问题经后续跟踪观察仍会发生且呈现一定的规律性，因而车轮不圆问题需重点关注。

3 车轮不圆发展情况统计

针对车轮不圆问题，本次研究选取较具有代表性的035036、045046、049050 车作为分析对象。

3.1 跟踪列车基本情况

在相同运营环境下，该3 列列车较早暴露列车轮对问题，至2023 年2 月前均已经历2 次镟床整车测量，均约行驶6 万km 时进行第一次复测镟修，绝大部分轮对持续运行达12 万km 左右再进行第二次测量镟修。不同的是，045046 及049050 车第一次镟修发生于2022 年5 月车轮不圆问题集中爆发前，此时为部分轮对故障性镟修，故该2 列列车至第二次镟修前绝大部分轮对未作修复。035036 车则作为在2022 年5 月车轮不圆问题集中爆发后安排整车镟轮的代表，第一次镟修时已将所有轮对修复，如表4 所示。

表4 跟踪列车基本情况 km

3.2 不同列车不圆发展统计

统计该3 列车在行驶约6 万km 及12 万km 时的车轮径向圆跳动情况，如图1、图2 所示。取第一次镟修所测数据作为约6 万km 时的径跳值统计数据。由于035036 车第一次镟修为整车镟轮，故到第二次镟修时轮对可近似为持续行驶12 万km。045046 与049050 车有极个别轮对在第一次镟修时进行过镟修，作为近似取值，采用第一次测量的径跳值外加第二次测量的径跳值作为运行约12 万km 时的径跳值统计数据。

图1 运行6 万km 车轮径跳值统计

图2 运行12 万km 车轮径跳值统计

统计显示，3 列列车车轮径跳值在运行6 万km 时数值相近，且集中在0.1～0.3 范围内，只有极少数轮对超过0.5 mm 的标准。然而，当运行公里数到达12万km 时，3 列列车车轮不圆的发展呈现出截然不同的发展趋势，其中049050 车轮不圆趋势发展相对较快，035036 车轮不圆趋势发展相对较慢。

3.3 同列车镟修前后不圆发展对比

针对同列车，035036 车作为5 月份开始集中整车镟修的典型，其48 个车轮不圆发展也呈现出一定的规律特点，轮径跳值发展如图3 所示。该图对列车在运行至约6 万km 后的车轮状态与镟修完后再运行至约12 万 km 的车轮状态进行对比，其中轮1 至轮8 代表了第一节车从前端至后端的8 个车轮，后车车轮标号以此类推。

图3 035036 车车轮径跳值发展

对比列车48 个车轮，其不圆发展有着较大的差异，各节车之间并无明显规律与关联。而对比第一次测量与第二次测量，可以发现镟轮后的车轮其不圆发展并没有得到一致性的改善，而是保持了以往的态势。前期曾出现径跳值较大的车轮相比于其他车轮更容易发展成不圆。该特点为所有5 月起集中出现轮对问题的镟修车共有，非035036 车独有。

3.4 同车轮不同阶段不圆发展情况

为观察对比单个车轮不圆发展的速度，现统计045046 与049050 车2 次镟床测量相较上一次测量时的车轮径跳值增长幅度，并以第二次测量的各车轮径跳值增长幅度进行从小到大排序，同时为排除故障修的影响，将故障修的车轮进行剔除，045046 与049050 车2车的轮径跳值如图4、图5 所示。

图4 045046 车车轮径跳值变化

图5 049050 车车轮径跳值发展

统计显示，车轮不圆的发展速度在后一阶段普遍慢于前一阶段，该方面主要考虑为新线因素，在运营初期新轮与新钢轨处于磨合阶段，因而初期更容易产生车轮不圆问题。除此以外，初始不圆度有过较大发展的车轮，尽管在后一阶段不圆发展速度有所降低，但其发展速度仍普遍大于初始不圆度较小的车轮。

3.5 车轮不圆发展特点总结

经初步统计分析，2 号线列车车轮不圆发展的主要特点总结如下：

（1）同一时间段内不同列车车轮不圆发展的速度不尽相同，初始有较大不圆的车轮，其后期不圆发展速度普遍较快；

（2）前期曾出现不圆的车轮，经过镟修后仍保留以往的发展趋势；

（3）随着公里数增加，车轮不圆发展速度有减缓趋势。

4 车轮不圆发展分析

4.1 成因分析

衡量车轮不圆一般以2 个参数决定，1 个为车轮的径跳幅值，定义为以轮轴为中心，车轮平均方向的最大变化量；另1 个为车轮多边形阶次信息[1]。通常运营单位只以车轮径跳值来判断列车车轮是否应该进行镟修，在此为研究2 号线车轮不圆的成因，选取1 列镟后运行公里数约为5 万km 的列车，对其中1 节车的8 个车轮进行车轮不圆测试。该测试选用成都智能交通科技（CSRT）车轮不圆度仪，采用接触测量方法完成。测试过程中位移传感器与车轮垂直接触，以记录车轮不圆度信息。另外旋转传感器用于测量车轮的周长信息，以便准确记录位移传感器所测不圆度的相位信息。

在每个1/3 倍频程中将所得窄带频谱幅值的平方再求和，并除以计算点数即可获得在粗糙度的定义中，10 μm 粗糙度的有效幅值（均方根值）对应20 dB的粗糙度等级，而1 μm 的粗糙度幅值则对应0 dB 粗糙度等级。不圆度测试时测试点位于车轮踏面名义滚动圆处。车轮不圆测试结果如图6 所示。

图6 车轮不圆度测试结果

关于各车轮的具体测试情况做如下统计，具体如表5 所示。

表5 车轮不圆度测试统计

车轮不圆的表现形式可分为车轮多边形化和车轮踏面局部凹陷[3]。纵观所有车轮的高阶不圆阶次，可以看出列车车轮并没有形成以某一阶次为主导的车轮多边形化。且各车轮高阶不圆对应的粗糙度并不存在个别突出，因而先排除可能形成车轮多边形化的潜在因素，如原始制造过程中三角爪的车轮固定方式所致、轮对一阶弯曲共振所致等[4-6]。

在测量的8 个车轮中，部分车轮如5-1L、5-4L、5-4R 其径跳值相比于其他车轮较为突出，观其对应直角坐标下或极坐标下的车轮不圆度曲线可以看出该部分车轮普遍存在局部凹陷情况，波长范围在200～1 000 mm不等。

关于车轮踏面局部凹陷，其成因通常与列车牵引制动方面相关[7]。在这一点上，与2 号线列车正线运营过程中常发生的空转滑行问题有着较为密切的联系。仙涌站—林岳西站区间为露天高架段，其间分布有多个坡度较大的上下坡段。当雨天来临时，露天湿滑的钢轨导致轮轨之间的黏着系数下降，且列车日常运营速度最高可达100 km/h，在该条件下较容易发生轮对的空转滑行。

在空转滑行的影响下，列车轮对踏面形成局部偏磨甚至擦伤，因而导致车轮不圆。因此解决下雨天列车的空转滑行问题对于解决车轮不圆问题将有较大帮助。

4.2 镟修后车轮不圆保留以往发展趋势的分析

在统计中，镟修后车轮不圆保留了以往发展趋势的特点同样值得关注。在该特点下，前期曾出现不圆度较大的车轮相比于其他车轮更容易发展成不圆，因而该部分车辆在未来将一直成为整列车的短板。由于车轮直径受同车、同架、同轮对偏磨量的限制，该部分轮对的镟修维护必将连带其他车轮一同镟修，从而增加了不必要的镟修成本。

关于该问题的分析，主要考虑镟修工艺、车轮材质差异性2 方面。

（1）在镟修工艺方面，曾有研究指出镟床的加工定位方式将对镟修质量造成影响[8-10]。不落轮镟床通常采用2 个摩擦驱动轮的V 形结构定位（图7），在轴箱处缺少支撑固定，对轮对回转中心不能形成有效约束。若车轮踏面在镟修前存在较为严重的车轮多边形或凹坑等踏面损伤，回转中心将相对于车刀上下浮动。因此，镟修并不能完全消除车轮不圆痕迹。在后续运营过程中，不圆将以原来的态势发展。采用轴箱支撑以对车轴中心进行固定，如图8 所示，镟修时可有效避免受车轮踏面状态的影响。故镟修工艺对于镟修后车轮不圆保留以往发展趋势的影响较小。

图7 V 形结构定位方式[12]

图8 2 号线不落轮镟床

（2）在车轮材质方面，不同车轮踏面材质具有一定的差异性，部分车轮相比于其他车轮更容易形成擦伤或踏面局部磨损，从而导致即便是镟修完后，部分车轮仍然与往常一样相比于其他车轮不圆发展更为迅速。而这也与上文中不圆度测试结果相吻合。

5 优化措施

基于以上分析，结合佛山地铁2 号线实际情况，考虑从以下方面进行优化。

（1）在高架上下坡段进行降速处理。对于高架段，雨天时可通过司机人工控车或修改自动驾驶模式（ATO）控车逻辑的方式适当降低列车上下坡段时的行驶速度，使轮对不易产生空转滑行行为[11]。

（2）增加车轮撒沙装置。通过车轮撒沙的方式提高轮轨之间的黏着系数，以此增加轮轨摩擦力，降低车轮空转滑行发生的可能性。

（3）提高镟修工艺质量。由于镟修后车轮不圆将保持以往的趋势发展，当列车部分车轮出现较大径向圆跳动时，该部分车轮镟修标准可从原来的镟后径跳值小于0.15 mm 修改为镟后径跳值小于0.1 mm，控制该部分车轮初始不圆处于一个较小的水平。

（4）调整镟修模式。车轮不圆问题为普遍性问题，采用当前故障性镟修模式可能造成短期内车辆再次返修，故障扎堆集中扣车。故后续主体采用计划性整车镟修模式以错开各列车镟修时间，同时辅以故障性维修应对突发情况[13-15]。

（5）优化镟修周期。因各车轮不圆发展速度不尽相同，而发展趋势又具有较高的保持性。因此可制定各列车差异化镟修周期，表现较差的列车可适当缩减镟修周期，表现较好的列车适当增大镟修周期。

6 优化后现状

自2022 年5 月车轮不圆问题集中式出现后，佛山地铁2 号线已逐步开展相关优化措施。首先，当前镟修模式已从原来的故障性维修转换为计划性整车镟修模式辅以故障性维修的镟修模式，故障扎堆集中扣车问题得以解决。其次，逐步提高镟修工艺质量，当前镟修后车轮径跳值已基本控制在0.1 mm 以内。最后，针对高架段雨天空转滑行问题，现佛山地铁2 号线已要求在列车滑行情况出现较为频繁的区段进行人工减速，以减少列车滑行行为。

为验证优化后的效果，本次研究随机抽取1 列047048 车进行检查。该车至今共计进行2 次镟修，镟修时间分别为列车公里数11.2 万km 及24 万km，如图9所示。结果表明各轮对在第二次镟修前相比于第一次镟修前车轮不圆度普遍更小，车轮不圆发展速度相比得以减缓。