曹洪凱 周業(yè)明 關(guān)慶華 陶功權(quán)

地鐵車輪磨耗及其對(duì)輪軌匹配狀態(tài)的影響*

曹洪凱1周業(yè)明1關(guān)慶華2陶功權(quán)2

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，266111，青島；2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610031，成都∥第一作者，工程師）

對(duì)國(guó)內(nèi)某地鐵線路的車輪磨耗規(guī)律進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析。車輪磨耗集中于輪緣根部和踏面-25~30 mm范圍。LM32模板動(dòng)車車輪踏面磨耗突出區(qū)為-8~-4 mm，25萬~40萬km里程車輪最大磨耗量為2.5~4.0 mm。采用薄輪緣LM30模板鏇輪的拖車車輪踏面磨耗集中在-10~10 mm范圍，19萬km以內(nèi)里程踏面磨耗量為0.2~0.5 mm。利用輪軌接觸幾何理論和輪軌滾動(dòng)接觸理論，研究不同車輪磨耗狀態(tài)下的輪軌靜態(tài)匹配性能，包括接觸點(diǎn)對(duì)分布和輪軌接觸應(yīng)力，分析車輪表面裂紋的機(jī)理。車輪輪緣根部與鋼軌軌距角集中接觸容易導(dǎo)致接觸光帶偏向軌距角。輪緣根部及踏面上小曲率半徑區(qū)與鋼軌集中接觸是產(chǎn)生車輪踏面接觸疲勞的主要原因。

地鐵；輪軌磨耗；輪軌匹配；疲勞裂紋

地鐵線路因曲線半徑小，站間距短，車輪踏面磨耗和輪緣磨耗等問題突出，輪軌磨耗將引起輪軌匹配關(guān)系的變化［1］，進(jìn)而導(dǎo)致車輛動(dòng)力學(xué)行為發(fā)生變化［2-4］。同時(shí)，不同地鐵線路因其線路曲線特征、車輛結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)、運(yùn)行條件等不同，呈現(xiàn)出不同的磨耗規(guī)律。因此，有必要對(duì)具體的地鐵線路輪軌磨耗狀態(tài)進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)查和研究，明確輪軌磨耗的主要特征及其動(dòng)力學(xué)影響，為地鐵車輛和線路的經(jīng)濟(jì)維護(hù)提供依據(jù)。

所調(diào)研線路正線全長(zhǎng)28.664 km，全線共設(shè)26座車站，其中地下站18座、高架站7座、地面站1座。上行線半徑小于等于400 m的曲線共計(jì)19條，總長(zhǎng)為6.582 km，占上行全線長(zhǎng)度的22.7%；下行線半徑小于等于400 m的曲線共計(jì)19條，總長(zhǎng)為6.658 km，占下行全線長(zhǎng)度的22.9%。其中最小曲線半徑為300 m，上行線為4條，全長(zhǎng)1.575 km，下行線共4條，全長(zhǎng)1.203 km。鋼軌廓形采用60 kg/m（CHN60）標(biāo)準(zhǔn)廓形，鋼軌材料為U75V，軌底坡設(shè)定值為1/40。為減輕輪軌磨耗，在半徑小于400 m的曲線外軌上設(shè)置了鋼軌噴油潤(rùn)滑裝置。全線以普通短軌枕軌道結(jié)構(gòu)為主，部分區(qū)段采用了減振軌道結(jié)構(gòu)，包括彈性短軌枕（3.368 km）、鋼彈簧浮置板（5.751 km）和橡膠浮置板軌道（1.895 km）。

所調(diào)研線路采用車輛為6輛編組B型地鐵車輛，車體采用不銹鋼輕量化結(jié)構(gòu)，外部涂裝。列車供電電壓為DC 750 V，采用三軌下部受流方式。電氣牽引系統(tǒng)采用VVVF（可變電壓可變頻率）控制的交流電傳動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)方式采用電力再生制動(dòng)（含電阻制動(dòng)）與空氣制動(dòng)混合運(yùn)算的控制方式。列車運(yùn)行既可采用自動(dòng)駕駛，也可采用人工手動(dòng)駕駛。車輛設(shè)計(jì)運(yùn)量超員狀態(tài)可達(dá)1 880人/列，目前日均運(yùn)量為17萬人次，節(jié)假日高峰期可達(dá)30萬人次/d。

1 車輪磨耗特征

對(duì)運(yùn)行在該地鐵線路上的27列車踏面外形進(jìn)行普查測(cè)試，車輪出廠型面為L(zhǎng)M磨耗型踏面（LM-32），其中，部分車輪在鏇修過程中采用了輪緣厚度為30 mm的薄輪緣經(jīng)濟(jì)鏇修模板（LM-30）。圖1 a）為不同運(yùn)行里程列車的動(dòng)車車輪的實(shí)測(cè)平均廓形，車輪踏面模板為L(zhǎng)M-32，所測(cè)車輪均未鏇輪，運(yùn)行里程分別為 25.4萬 km、30.1萬 km、32.7萬km、34.5萬km、37.5萬 km 和40.5萬 km；圖 1 b）為相應(yīng)的磨耗分布。由圖1可知，不同里程列車在踏面-30~30 mm范圍內(nèi)的磨耗相似，輪緣根部有一定磨耗，沿垂直方向最大磨耗深度為2.5~4.0 mm，踏面主要磨耗區(qū)域在-25~30 mm范圍內(nèi)，其中，-8~-4 mm范圍最為突出，25萬km時(shí)磨耗深度高于1.5 mm，40萬km時(shí)磨耗深度為2.4 mm。部分車輪由于踏面制動(dòng)不良造成踏面尾部出現(xiàn)局部凹槽。

圖2 a）為按照經(jīng)濟(jì)鏇修模板LM-30鏇修后的不同運(yùn)行里程拖車車輪的實(shí)測(cè)平均廓形，鏇后運(yùn)行里程分別為 7.8萬 km、9.7萬 km、13.6萬 km、16.9萬km和19.1萬km；圖2 b）為相應(yīng)的磨耗分布。由于拖車車輪經(jīng)過了鏇修，鏇后運(yùn)行里程數(shù)較低，因此，不同位置的磨耗量均明顯低于動(dòng)車車輪。由于采用了薄輪緣模板，輪緣磨耗突出位置向輪緣側(cè)略有移動(dòng)，踏面磨耗的中心區(qū)域?yàn)?10~10 mm。圖中所示的運(yùn)行里程低于19.1萬km，磨耗量很小，在0.2~0.5 mm以內(nèi)。

圖1 以磨耗型踏面LM-32為踏面模板的不同運(yùn)行里程的動(dòng)車車輪實(shí)測(cè)廓形

圖2 以經(jīng)濟(jì)鏇修模板LM-30鏇輪后的不同運(yùn)行里程的拖車車輪實(shí)測(cè)廓形

2 車輪磨耗對(duì)輪軌接觸匹配的影響

利用輪軌接觸幾何理論，分析了實(shí)測(cè)車輪踏面外形的輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布情況。計(jì)算中鋼軌軌頭廓形選用60 kg/m（CHN60）標(biāo)準(zhǔn)廓形，軌距1 435 mm，輪對(duì)內(nèi)側(cè)距1 353 mm，名義滾動(dòng)圓半徑420 mm，軌底坡1/40。

圖3 LM-32踏面不同運(yùn)行里程的車輪實(shí)測(cè)廓形與CHN60標(biāo)準(zhǔn)軌匹配接觸點(diǎn)對(duì)分布

圖3為L(zhǎng)M-32踏面模板車輪不同運(yùn)行里程下實(shí)測(cè)廓形與CHN60標(biāo)準(zhǔn)軌匹配接觸點(diǎn)對(duì)分布。雖然計(jì)算所選用的6個(gè)踏面外形存在明顯差別，但接觸點(diǎn)對(duì)分布比較類似，輪對(duì)橫移量在3~9 mm范圍內(nèi)時(shí)均為輪緣根部與鋼軌軌距角的R80~R13圓弧過渡區(qū)或者R13圓弧接觸。這容易導(dǎo)致鋼軌接觸光帶偏向軌距角。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)也確實(shí)存在在直線段光帶偏向軌距角的情況，如圖4所示。此外，輪緣根部與軌距角接觸時(shí)由于曲率半徑小，容易產(chǎn)生較大的接觸壓力，會(huì)對(duì)輪軌疲勞產(chǎn)生不利影響。

圖4 直線軌道上鋼軌接觸光帶（下行K16+500）

3 車輪磨耗對(duì)輪軌接觸應(yīng)力的影響

采用三維彈性體非赫茲滾動(dòng)接觸理論進(jìn)行輪軌接觸應(yīng)力分析。計(jì)算中，軸重取12 t，輪軌彈性模量為206 GPa，泊松比為0.28，摩擦因數(shù)為0.3。

圖5給出了不同輪緣厚度廓形最大法向接觸壓力隨輪對(duì)橫移量的變化。對(duì)于LM-32型面，在輪對(duì)橫移量較小時(shí)車輪R500圓弧與鋼軌R80圓弧相接觸，輪軌接觸斑面積相對(duì)較小，導(dǎo)致接觸壓力較大，為1 600 MPa左右；隨著輪對(duì)橫移量的增大，車輪R100圓弧與鋼軌R80圓弧相接觸，輪軌共形度較好，接觸斑面積有所增大，從而接觸壓力逐漸降低，在橫移量為5 mm時(shí)接觸壓力最小，為942 MPa；隨著輪對(duì)橫移量的進(jìn)一步增大，車輪R100圓弧與鋼軌R13圓弧相接觸，接觸斑面積迅速減小，導(dǎo)致接觸壓力迅速增大。其他3種型面的最大法向接觸壓力隨輪對(duì)橫移量的變化趨勢(shì)與LM-32型面類似，但對(duì)應(yīng)橫移量的變化點(diǎn)有所差異。

圖5 LM不同輪緣厚度廓形最大法向接觸壓力隨輪對(duì)橫移量的變化

圖6為L(zhǎng)M-32踏面不同運(yùn)行里程下實(shí)測(cè)廓形最大法向接觸壓力隨輪對(duì)橫移量的變化情況。從計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最大法向接觸壓力與運(yùn)行里程之間沒有明顯變化規(guī)律，在輪對(duì)橫移量較?。ㄐ∮? mm或者3 mm）時(shí)最大法向接觸壓力在1 200 MPa左右，隨著輪對(duì)橫移量的增加最大法向接觸壓力迅速上升。這主要是輪對(duì)橫移量大于3 mm后實(shí)測(cè)廓形與CHN60軌匹配時(shí)車輪的輪緣根部與鋼軌軌距角接觸（見圖4），接觸斑面積非常小，從而導(dǎo)致接觸壓力非常高，基本比LM-32標(biāo)準(zhǔn)型面高3倍。

由于輪對(duì)橫移量大于3 mm后輪軌接觸壓力、剪切應(yīng)力、等效應(yīng)力等均迅速增大，遠(yuǎn)高于LM-32標(biāo)準(zhǔn)型面，這容易導(dǎo)致車輪在輪緣根部形成疲勞裂紋或出現(xiàn)剝離，如圖7所示。

圖6 LM-32踏面不同運(yùn)行里程下實(shí)測(cè)廓形最大法向接觸壓力隨輪對(duì)橫移量的變化

圖8 為L(zhǎng)M-30踏面不同運(yùn)行里程下實(shí)測(cè)廓形最大法向接觸壓力隨輪對(duì)橫移量的變化情況。圖中結(jié)果表明：最大法向接觸壓力與運(yùn)行里程之間沒有明顯關(guān)系，在輪對(duì)橫移量小于5 mm時(shí)實(shí)測(cè)廓形的最大法向接觸壓力與LM-30型面接近，但在橫移

圖8 LM-30踏面不同運(yùn)行里程下實(shí)測(cè)廓形最大法向接觸壓力隨輪對(duì)橫移量的變化

量大于5 mm后最大法向接觸壓力明顯高于LM-30型面。較大的輪軌接觸應(yīng)力容易導(dǎo)致車輪出現(xiàn)疲勞裂紋，如圖9所示。

圖9 車輪踏面狀態(tài)照片（LM-30型踏面，鏇輪）

4 結(jié)語

對(duì)某地鐵線路的車輪磨耗規(guī)律進(jìn)行普查，動(dòng)車車輪運(yùn)行里程在25萬km以上，磨耗主要區(qū)域均在踏面-25~30 mm范圍，磨耗深度為1.5~2.5 mm，輪緣磨耗集中在輪緣角處。部分車輪踏面外側(cè)出現(xiàn)了溝槽磨耗，為制動(dòng)過程閘瓦與車輪踏面相互作用所致。拖車車輪鏇修頻率高于動(dòng)車，鏇后運(yùn)行里程低于19萬km，踏面磨耗的中心區(qū)域?yàn)?10~10 mm，磨耗量很小，在0.2~0.5 mm。

輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布分析表明，輪對(duì)橫移量在3~9 mm范圍內(nèi)時(shí)，輪緣根部與鋼軌軌距角的R80~R13圓弧過渡區(qū)或者R13圓弧接觸，導(dǎo)致鋼軌接觸光帶偏向軌距角。輪軌接觸應(yīng)力分析也表明，在輪緣根部及車輪踏面上小曲率接觸位置出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，是導(dǎo)致車輪踏面出現(xiàn)疲勞裂紋的主要原因。為保證輪軌良好的匹配關(guān)系，尚需對(duì)鋼軌軌底坡設(shè)置和輪軌踏面優(yōu)化匹配作進(jìn)一步研究。

［1］ 陶功權(quán)，溫澤峰，陸文教，等.不同軌底坡下地鐵車輛輪軌型面匹配的靜態(tài)接觸分析［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2015（9）：82.

［2］ 張?jiān)萝?，王光興，陳迅.地鐵車輪踏面溝槽磨耗對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響的分析［J］.鐵道車輛，2013，51（8）：4.

［3］ 黃育斌，鐘浩，王文健，等.車輪踏面異常磨耗對(duì)輪軌關(guān)系影響分析［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2014（S1）：198.

［4］ 李海川.地鐵車輪異常磨耗及防止措施與建議［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2007（1）：43.

［5］ 王安斌，王志強(qiáng)，趙振平，等.軌道剛度及諧振阻尼器對(duì)鋼軌波浪磨耗增長(zhǎng)和振動(dòng)水平的影響［J］.都市快軌交通，2015（1）：105.

Metro Wheel Profile Wear and the Effect on Wheel/Rail Compatibility

CAOHongkai，ZHOUYeming，GUANQinghua，TAOGongquan

Field survey and analysis on the wear characteristics are carried out on one metro line in China.The main wear is located on the flange root and wheel tread area from-25 mm to 30 mm in the lateral direction of wheel profile.For motor wheel with LM32 profile module，the dominant wear occurs in a range of-8～ -4 mm，the maximum wear depth is from 2.5 mm to 4 mm for wheels with the operation mileages from 250 000 to 400 000 km.While for trailer wheel with thin flange LM30 profile module，the main wear concentrates to-10 ～ 10 mm on tread，the wear depth is 0.2 ～ 0.5 mm for wheel with the operation mileage under 190 000 km.Based on the theories of geometrical contact and rolling contact，the wheel/rail profile compatibility is studied，including the static contact point distribution and contact stress under different worn profiles.The root cause of tread crack is also discussed.The concentrated contact between flange root and rail gauge corner tends to shift the contact band to rail gauge corner.The rolling contact fatigue on wheel surface is mainly due to the concentrated contact between wheel and rail with small curvatures，such as the flange root and the field side of tread area.

metro；wheel/rail wear；wheel/rail profile compatibility；tread crack

U270.331+.1

10.16037/j.1007-869x.2017.11.005

First-author′s address CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，266111，Qingdao，China

*國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAG12B01-16）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（2682016CX126）

2016-04-25）