地铁车辆轮轨减磨研究

地铁车辆轮轨减磨研究

彭谦

深圳市地铁集团有限公司运营总部

摘要：随着地铁长期运行，轮轨磨耗在地铁运营中产生的负面影响越发突出，如乘客舒适度、增加列车脱轨风险等等，关系到列车运营的舒适性与安全性。如何降低轮轨磨耗，是地铁工作人员迫切希望解决的问题之一。本文主要对轮轨非正常磨耗问题出发，对地铁车辆的特点及磨耗问题进行分析，并提出来措施与建议。

关键词：地铁车辆；减磨；措施

前言

随着我国经济的高速发展，我国的铁路、城市轨道交通也进入到了一个快速发展的时期，高速和重载已成为铁路运输业发展的主题。但随着客运列车运行速度的日益提高以及货运列车牵引重量的不断增加，轮轨系统的工况日趋复杂，轮轨磨耗问题日趋严重，每年都给铁路运输业造成巨大的经济损失，据铁道部统计，仅我国国家铁路每年因轮轨磨耗问题造成的经济损失就达数十亿人民币。磨损不仅会增加运营成本，同时也是机械零件失效的主要原因之一。而轮轨疲劳磨损问题主要表现为在车轮轮缘踏面和钢轨顶面内侧处的鱼鳞状裂纹、大面积剥离、塌陷、密集型斑脱及曲线钢轨的严重侧磨等。这些现象的出现不得不使养护部门反复不断调边、打磨或更换钢轨及旋削轮对，大大提高铁路运营成本。并且这种破坏现象常常隐蔽地发生和发展，以至造成轮轨在工作过程中突然失效，即轮轴或钢轨断裂，酿成列车颠覆重大行车事故。

一、地铁车辆的特点

（一）地铁线路曲线半径小

地铁建设受各种原因影响，不得不减小线路的曲线半径。在GB50157《地铁设计规范》中，规定了线路平面最小曲线半径不能小于300m。

站间距短，起动、制动频繁

地铁站间距的长短直接关系到列车的最高运行速度、惰行时间与距离以及制动距离，市区站间距一般为1km左右。由于站间距短，不得不加大起动加速度和制动减速度，才能完成起动、惰行、制动3个阶段的运行。

（二）地铁车辆轮轨关系

与铁道车辆相比，地铁车辆的轮轨关系有着自己的突出特点，主要是低速小半径脱轨安全性、轮轨磨耗等。

二、轮轨磨耗问题

轮轨磨耗受多种因素影响，除了车辆走行部结构、线路状况和运用条件外，还与轮轨材质、硬度、表面状态和形状等有密切关系。一般将车轮磨耗分为轮缘磨耗和踏面磨耗。

（一）轮缘磨耗

一般地铁线路曲线半径小，造成车辆曲线通过时，产生过大的冲角和导向力，在小半径曲线上，主要是车轮轮缘和钢轨轨距角出现的磨耗。对付这种因素的措施主要是通过向轮缘涂油减小轮缘与钢轨轨距角之间的摩擦系数m；调整轨道参数让轮轨型面的合理匹配可以保证良好的轮轨接触关系（见表1）；采用径向转向架，降低轮缘与钢轨轨距角之间的导向力和减小冲角b。

（二）制动模式不当造成的车轮踏面的异常磨耗

目前，地铁车辆普遍采用电制动和空气制动联合制动的模式。地铁车辆的空气制动有闸瓦制动和盘形制动，前者用于列车速度较低时，后者用于列车速度较高时，影响踏面磨耗的主要是闸瓦制动。

列车在速度较高的运行阶段进行制动时，首先投入电制动，电制动过程中，当列车的牵引电动机总功率较大，例如采用6辆编组采用4T2M时，有可能电制动就能满足对制动减速度的要求，而不用空气制动。但是，当电制动力不足时，需要由空气制动力进行补充，以满足车辆对制动减速度的要求。空气制动的补充方式主要有，优先补充拖车的空气制动力；优先补充动车制动力；动车与拖车均匀补充。但是，实践证明，空气制动补充方式的不同，对于车轮踏面的异常磨耗有着非常不同的影响。优先补充拖车的空气制动力会对拖车车轮磨耗造成非常不利的影响。所以，在电制动力不能满足列车制动要求而需要空气制动时，应合理安排动车和拖车空气制动力的分配比例，切不可让拖车承担全部的空气制动力。

在低速停车前，电制动完全消失，完全是空气制动。由于电制动消失速度点，即空气制动介入点的不同，对车轮踏面异常磨耗有着非常关键的影响。实践证明，电制动消失速度点越高，作用踏面上的制动能量越大，踏面的异常磨耗就越加严重，因此，降低电制动消失速度点对于减少车轮踏面的异常磨耗非常重要，目前空气制动介入点，多控制在0～6km/h。

（三）制动热负荷对车轮异常磨耗的影响

由于车轮承受着车辆载荷，特别是在传递制动力的过程中，由于粘着系数利用不当，导致车轮在钢轨上滑行，将产生巨大的热负荷。列车在进行闸瓦制动时，由于合成闸瓦的散热性较差，制动产生的热负荷绝大部分被车轮吸收，造成车轮踏面温度急剧上升，踏面上出现很大的温度梯度，产生很大的热应力，造成车轮上产生热裂纹，导致车轮踏面异常磨耗。

三、减少轮轨磨耗的措施

（一）轮轨润滑—降低轮缘与钢轨轨距角之间的摩擦系数

这里讲到的轮轨润滑只是为了降低轮缘与钢轨轨距角之间的摩擦系数，减少轮缘与钢轨轨距角的磨耗。实际上，轮轨润滑还有其他好处，如降低能耗、减少运行阻力，提高脱轨系数的限界值，减少车轮爬轨的危险等。

（二）采用径向转向架可以大大降低轮轨磨耗

径向转向架是为了提高列车曲线通过能力、减轻轮轨磨耗而设计的转向架，最初广泛应用于货车和摆式列车上，现在，城市轨道交通车辆上，如直线电机地铁车辆也采用径向转向架。径向转向架与普通转向架的优点是，可使车轮沿钢轨切线方向运行（不会完全做到），减少通过曲线时的冲角，降低了导向轮对的横向力，减轻了轮轨磨耗。径向转向架设计的关键还要求在保证轮对按照预想的轨迹通过曲线的同时，还应保证转向架具有较高的直线运行稳定性，即直线运行时不产生蛇行运动失稳，但是，这二种要求在参数选择上相互矛盾，需要加以兼顾。

轮轨磨耗的机理就是在轮轨接触区存在力和滑动，即接触面压和滑动率。这也是减少轮轨磨耗的基本出发点。

作为减少钢轨轨距角磨耗的措施有，定期打磨钢轨，修正轨头形状，经常保持轨头形状的最佳化，改善轮轨接触状况，抑制在曲线区间外轨和车轮间产生大的滑动，减少钢轨轨距角的磨耗；进行轮轨润滑，可以降低摩擦系数，减慢磨耗的进展速度。

作为减少车轮轮缘磨耗的措施有，保持最佳的车轮形状，从车轮踏面到轮缘，依次从半径大的圆弧过渡到半径小的圆弧，以轮缘根部浅的部位与钢轨接触，降低接触面压和滑动率，有利于减少轮缘磨耗。

（三）轮轨润滑可以降低轮轨间的摩擦系数，提高脱轨系数的限界值，亦即车轮不容易脱轨，提高脱轨的安全性。此外，在建设地下铁道时，除非在不得已的情况下，地铁线路曲线半径不要太小，曲线半径大有利于提高脱轨系数的限界值，若曲线半径小，冲角变大，脱轨系数和轮重减载率的限界值都降低，影响脱轨的安全性；此外，应推广采用径向转向架，有利于降低车轮通过曲线时导向力，减小车轮运行在曲线上的冲角，提高脱轨的安全性。

（四）为了减少轮轨磨耗，首先要保持轮轨间良好的接触状态，车轮采用形状经过优化的磨耗型踏面，对钢轨要定期进行打磨，保持正确的轨头形状；还应对轮轨进行可靠而有效的润滑，减小轮轨间的摩擦系数，从而减少轮轨磨耗。对于踏面异常磨耗应优化制动模式，降低电制动消失点，空气制动应由动车和拖车合理分担；采取措施减少车轮热负荷，包括闸瓦的选择和车轮形状的优化。

参考文献

[1]GB50157-2003《地铁设计规范》[S].北京：中国计划出版社，2003.8.

[2]GB/T7928-2003《地铁车辆通用技术条件》[S].北京：中国标准出版社，2003.12.

[3]俞展猷，李富达，李谷.车轮脱轨及其评价[J].铁道学报，1999，21（3）：33-38.

[4]俞展猷.轮轨磨耗机理与轮轨润滑[J].铁道机车车辆，2000，（5）：11-14.

[5]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）：27-30.