南京地鐵列車車輪踏面非正常磨耗初析

1、南京地鐵列車車輪踏面非正常磨耗初析摘 要 研究了南京地鐵列車車輪踏面非正常溝狀磨耗的成因。對(duì)車輪、鋼軌的外形、材質(zhì) 和硬度等進(jìn)行了測試，分析了輪軌接觸和制動(dòng)磨損的影響，提出了溝狀磨耗的原因。測試結(jié)果 分析表明,該地鐵車輛拖車輪踏面上的凹槽磨耗主要是由于在制動(dòng)施加頻度過高、輪軌接觸 又不均勻的內(nèi)因作用下產(chǎn)生的。關(guān)鍵詞地鐵車輛，輪軌磨耗，踏面磨耗，制動(dòng)0引言南京地鐵自2005年9月開通運(yùn)行以來，發(fā)現(xiàn)輪軌磨耗嚴(yán)重，如:拖車車輪踏面上出現(xiàn)有規(guī) 律的溝狀磨耗，道岔叉心上出現(xiàn)溝狀磨損，輪緣和曲線鋼軌側(cè)磨等。根據(jù)初步觀察認(rèn)為，踏面上 的溝狀磨耗和道岔叉心上出現(xiàn)溝狀磨損與其它地鐵系統(tǒng)相比有明顯的獨(dú)特性。因此重

2、點(diǎn)對(duì)這 兩個(gè)問題進(jìn)行研究分析。踏面上的溝狀磨耗照片如圖1所示。踏面上較深色的部位是溝狀 磨耗區(qū)域，可見一條位于滾動(dòng)圓附近，另一條位于踏面外側(cè)。道岔叉心溝狀磨耗的照片如圖2 所示，位于左側(cè)軌頂上,長度約7080mm。據(jù)測量的帶有溝狀磨耗的踏面輪廓線.深度可達(dá) 23mm。為了及時(shí)弄清磨耗的成因，分析非正常磨耗對(duì)列車運(yùn)行的安全影響，南京地鐵公司及 時(shí)組織專家進(jìn)行會(huì)診，成立專題小組，制定了全面而深入的排查方案。1調(diào)研方案一般車輪踏面磨損的主要原因:一是輪軌接觸磨損;二是制動(dòng)閘瓦與踏面的滑動(dòng)磨損。輪 軌接觸磨損又以在踏面的不同區(qū)域滑動(dòng)程度不同分為滑動(dòng)摩擦磨損和滾動(dòng)疲勞傷損?；瑒?dòng)摩 擦磨損發(fā)生在輪緣部位，

3、與車輛的曲線通過性能有關(guān);而滾動(dòng)疲勞發(fā)生在踏面部位，以橫向裂 紋、剝離形式出現(xiàn)。當(dāng)輪軌接觸應(yīng)力過大時(shí),還會(huì)發(fā)生接觸塑性流動(dòng)磨損1-2。氣制動(dòng)引起 的磨損往往與氣制動(dòng)壓力、氣制動(dòng)的施加程度、氣制動(dòng)作用時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、閘瓦物理特 性和踏面的物理特性等因素有關(guān)。根據(jù)動(dòng)車踏面無類似于拖車踏面的溝狀磨耗這一現(xiàn)象，初步將研究重點(diǎn)放在氣制動(dòng)對(duì)踏 面的磨損上,同時(shí)也對(duì)輪軌接觸進(jìn)行調(diào)研分析。對(duì)于道岔上的溝狀磨損主要以測量和輪軌幾何接觸分析為主。因?yàn)闆]有其它物體與道 岔頂面接觸的可能性，唯一的可能性就是輪軌的接觸引起。根據(jù)以上分析，制定了初步調(diào)研范圍為:輪軌材質(zhì)分析，輪軌接觸分析,閘瓦特性試驗(yàn)，氣制 動(dòng)作用調(diào)研

4、和輪軌表面硬度測試等。首期測試項(xiàng)目有:輪軌材質(zhì)硬度和成份分析;閘瓦的 成份測試和閘瓦的物理特性試驗(yàn);拖車和動(dòng)車踏面外形的測量和輪軌幾何匹配模擬;測 量踏面及鋼軌的表面硬度及輪軌接觸應(yīng)力分析;測量不同踏面及鋼軌的磨損外形及與道岔 的幾何匹配分析;氣電制動(dòng)的分配比率及制動(dòng)壓力等。2 主要測量結(jié)果及分析委托上海材料研究所檢測中心對(duì)輪軌材質(zhì)進(jìn)行檢測,50kg/m和60kg/m鋼軌樣本的材質(zhì) 元素成分含量符合表稱值范圍;輪子樣本(CL60)材質(zhì)的元素也基本符合表稱要求，僅鉻(Cr)元 素的含量為0.090%(表稱值為0.13%0.23%),略低了些。圖3和圖4為鋼軌的硬度分布圖, 可見鋼軌的硬度分布也正

5、常。對(duì)線路上的鋼軌也進(jìn)行了表面硬度測試，測試結(jié)果表明,曲線外 軌頂面硬度較高可達(dá)300310HB左右;軌頭圓角處硬度較低，為260HB;軌頭內(nèi)側(cè)面較高，為 350HB左右。而曲線內(nèi)軌頂面硬度均比外軌頂面高，可達(dá)330-350HB左右。圖5和圖6為拖車和動(dòng)車踏面的表面硬度測試結(jié)果。由圖5可見，第1測點(diǎn)在輪緣角附 近，平均硬度為378HB;第 2測點(diǎn)位于一較扁平的下凹的槽內(nèi)，平均硬度為336HB;第 3測點(diǎn)在 一凸起的表面上，平均硬度為379HB;第 4測點(diǎn)在另一下凹的表面上，平均硬度為318HB?？?見第二測點(diǎn)和第四測點(diǎn)的硬度低,都處于下凹的磨耗處。由圖6可見，動(dòng)車踏面上各測點(diǎn)的平 均硬度自左到

6、右分別為411HB、370HB、356HB和320HB。輪緣角附近的硬度最大，達(dá) 411HB,然后呈逐點(diǎn)下降的趨勢。被分析閘瓦由德國BECORIT公司制造，編號(hào)802D0C1A/C5391213/K3023604,表面有 與踏面外形吻合的槽型磨耗。對(duì)比試驗(yàn)的閘瓦為上海軌道交通1、2號(hào)線使用的國產(chǎn)閘瓦。 測試了閘瓦的摩擦系數(shù)、沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、洛氏硬度和密度 ，物理機(jī)械性能測試表 明:BECORIT閘瓦的沖擊強(qiáng)度較低，摩擦系數(shù)變化范圍略大,硬度與密度略低一些。微觀分析 包括熱失重、能譜分析和電鏡掃描。熱失重試驗(yàn)結(jié)果顯示:BECORIT閘瓦高溫分解后的失重 比為63.26%，而MS-510閘瓦高

7、溫分解后的失重比為21.8%?？梢夿ECORIT閘瓦的失重比 較大。能譜分析的結(jié)果表明:BECORIT閘瓦中氧元素的含量很大，說明材料中有大量的金屬 氧化物，可能是氧化鎂;而MS-510閘瓦含氧少，且不含鎂。圖7為一拖車輪對(duì)的左右輪子踏面的外形:輪緣磨耗很小，但踏面上已有可見的凹槽兩條; 兩條之間是一個(gè)10mm左右寬度的凸起環(huán),位于橫向坐標(biāo)+20mm處;左右輪踏面外形的磨損 規(guī)律一致。圖8為該拖車踏面外形與一動(dòng)車踏面外形的比較，拖車踏面外形有兩處明顯下凹。圖9為實(shí)測的帶凹槽磨耗的拖車輪踏面外形與未磨耗的60kg/m鋼軌的接觸情況，輪對(duì) 的橫移量的變化范圍為10mm,計(jì)算步長為1mm,顯示標(biāo)記步

8、長為2mm?？梢姰?dāng)輪對(duì)的橫移 量小于+5mm時(shí)，輪軌接觸點(diǎn)位于踏面中部凹槽的左側(cè)，軌頭上的接觸點(diǎn)位于軌頭內(nèi)側(cè)（左側(cè)）， 凹槽處無接觸可能，當(dāng)輪對(duì)橫移量大于+5+10mm時(shí),輪軌接觸點(diǎn)位于前面提到的10mm左 右寬度的凸起環(huán)處，該凸起環(huán)的外側(cè)（右邊）與鋼軌無接觸點(diǎn)。因此一旦產(chǎn)生凹槽磨耗,該處就 不會(huì)與鋼軌接觸。為了說明起始時(shí)凹槽為什么產(chǎn)生在這里，計(jì)算了未磨耗的LM型踏面外形與未磨耗的 60kg/m鋼軌的接觸情況，如圖10所示,當(dāng)輪對(duì)橫移量為4mm變化時(shí)，踏面上的接觸點(diǎn)的變化 范圍僅1015mm左右，在鋼軌上的對(duì)應(yīng)接觸點(diǎn)的變化范圍僅10mm,且偏向內(nèi)側(cè)。當(dāng)輪對(duì)的 橫移量為-8mm時(shí),接觸點(diǎn)移至輪緣

9、根部。當(dāng)輪對(duì)的橫移量小于-8mm時(shí),出現(xiàn)輪緣接觸。當(dāng) 輪對(duì)的橫移量為+8mm時(shí)，接觸點(diǎn)仍位于滾動(dòng)圓附近，即距輪背70mm處。當(dāng)輪對(duì)的橫移量大 于+8mm時(shí)，接觸點(diǎn)跳至距輪背85mm處。由此可以推斷LM型踏面與60kg/m鋼軌接觸時(shí), 接觸點(diǎn)在輪踏面上的分布是不均勻的。即在離輪背70-80mm處與鋼軌的接觸機(jī)遇很少;在離 輪背90mm以后無接觸可能?？梢娦螺喤c新軌的接觸分布也是不均勻的。接觸幾率較低的 區(qū)域正好是發(fā)生凹槽磨損的區(qū)域。為了檢查鋼軌原始外形與理論60kg/m鋼軌外形的差異，測量了線路上輕微磨耗軌頭的 外形，見圖11,并與理論的60kg/m軌外形進(jìn)行了對(duì)比?？梢娫谲夘^頂面實(shí)際鋼軌外形要

10、比理 論外形平坦。軌頂中央處差1mm多。這將進(jìn)一步擴(kuò)大輪軌在頂面的非接觸區(qū)。3進(jìn)一步的調(diào)研和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果通過以上調(diào)研，基本上對(duì)走行部分的因素做了測試和分析，可以認(rèn)為凹槽是由制動(dòng)過度 作用和輪軌接觸不勻的特點(diǎn)共同形成的。有關(guān)制動(dòng)對(duì)踏面非正常磨損是否是直接原因，制動(dòng) 的作用究竟有多大及是否正常，這需要進(jìn)一步研究和試驗(yàn)。摩擦制動(dòng)本身就是靠閘瓦與車輪 的相互摩擦，因此必然產(chǎn)生相互的磨損。制動(dòng)的磨損程度與輪子材質(zhì)、閘瓦的特性、制動(dòng)壓 力、制動(dòng)頻繁程度、制動(dòng)時(shí)的車速等諸多因素有關(guān)。根據(jù)拖車車輪踏面有的區(qū)域被磨損，有 的區(qū)域未被磨損,而動(dòng)車踏面未被磨損的情況，可以認(rèn)為拖車踏面的接觸不勻，使制動(dòng)磨損的 進(jìn)程快

11、于輪軌硬化的進(jìn)程,導(dǎo)致局部磨損。為了證明這一點(diǎn)，進(jìn)行了手動(dòng)駕駛模式與自動(dòng)駕駛 模式的對(duì)比試驗(yàn)4(見本期駕駛模式對(duì)輪對(duì)異常磨耗的影響)。4結(jié)語通過以上對(duì)測試結(jié)果的分析，該地鐵車輛拖車車輪踏面上的凹槽磨耗主要是由于在制動(dòng) 施加頻度過高、輪軌接觸又不勻的內(nèi)因作用下產(chǎn)生的。地鐵車輛的輪軌磨損涉及到運(yùn)行安全 性和經(jīng)濟(jì)性。我國地鐵正處于快速發(fā)展期，由于地鐵系統(tǒng)在線路條件、運(yùn)用條件與干線鐵路 有較大的不同，一些沒有在干線鐵路系統(tǒng)中顯現(xiàn)出來的弱點(diǎn)在地鐵系統(tǒng)條件下明顯顯露出來； 而有些問題是各國地鐵標(biāo)準(zhǔn)不同,引進(jìn)中沒有加以吸收和消化，造成車輛與線路、車輛本身各 子系統(tǒng)間相互的矛盾和不統(tǒng)一；有些問題是國內(nèi)與國外地

12、鐵的運(yùn)行條件不同，造成在國外地 鐵中沒有顯露出來的問題在我國極度高負(fù)荷的條件下充分暴露出來;有些是由于在引進(jìn)車輛 的同時(shí)，配套的車輛和線路的維護(hù)措施、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范沒有及時(shí)跟上而導(dǎo)致的不協(xié)調(diào)問題。 諸多問題只有在廣大有關(guān)人員的共同努力下才能積累經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)規(guī)律,逐步形成適合我國特 點(diǎn)的地鐵車輛運(yùn)用維護(hù)管理體系。參考文獻(xiàn)MarkovD.LaboratorytestsforseizureofrailandwheelsteelsJ.Wear,1997,208:91-104.JoneCP,TyfourWR,BeyonoJH,etal.Theeffectofstrainhardeningonshakedownlimitsofape arliticrailsteelJ.Proceed-