徐 鑫，楊化林，陳 磊，管凱凱

(1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2.青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司運(yùn)營三中心車輛部，山東 青島 266041)

0 引言

為了滿足青島日益增長的運(yùn)輸需求，青島地鐵3號線需要不斷增加電客車的上線數(shù)量和減少運(yùn)營間隔。但隨著列車在正線的長時(shí)間運(yùn)行，無疑加重了輪軌接觸的相互作用，導(dǎo)致輪對出現(xiàn)異常磨耗[1]。

青島地鐵3號線一期24列電客車全部采用SDB-80型轉(zhuǎn)向架，單列車跑行公里數(shù)最高已至約45萬km，部分列車輪對輪徑損耗較大，已經(jīng)出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象。

針對輪對磨耗規(guī)律以及輪對異常磨耗原因分析等問題，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了深入的研究[2-8]。在此，基于青島地鐵3號線現(xiàn)有輪對測量數(shù)據(jù)，對輪對損耗情況進(jìn)行了分析研究，得出了輪對目前的損耗狀態(tài)，針對其提出了幾點(diǎn)延緩輪對磨耗的措施，以延長輪對的使用壽命。

1 SDB-80型轉(zhuǎn)向架基本信息

1.1 轉(zhuǎn)向架

SDB-80型轉(zhuǎn)向架主要分為動車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架(二者之間具有很強(qiáng)的互換性)，且均為無搖枕轉(zhuǎn)向架[9]，如圖1所示。

圖1 SDB-80型轉(zhuǎn)向架

1.2 輪對組成

根據(jù)轉(zhuǎn)向架功能的不同，輪對可分為動車輪對和拖車輪對[9]。輪對的加工方式為HDS整體輾鋼全加工，其滾動圓直徑為840 mm，全磨耗直徑為770 mm。

輪對踏面形狀為LM磨耗性踏面，輪對主要由降噪阻尼環(huán)、車輪和車軸組成，如圖2所示。

圖2 輪對結(jié)構(gòu)示意

2 輪對運(yùn)行磨耗分析

地鐵電客車在運(yùn)行過程中，常見的輪對異常磨耗主要有踏面直徑超差、輪緣偏磨和圓跳動超差等。異常磨耗可能對輪對踏面造成損傷，從而進(jìn)一步引起振動導(dǎo)致車輛配件裝配松動，從而危及行車安全。

針對輪對磨耗情況，以出庫端左右側(cè)作為對比，進(jìn)行輪對運(yùn)行磨耗速率的統(tǒng)計(jì)分析，磨耗速率以mm/萬km為單位。

2.1 輪徑運(yùn)行磨耗分析

輪對踏面直徑運(yùn)行磨耗率計(jì)算公式為

(1)

根據(jù)式(1)，計(jì)算出24列車整體輪徑出庫方向左側(cè)、出庫方向右側(cè)和平均運(yùn)行磨耗速率，如圖3所示。

圖3 輪徑平均運(yùn)行磨耗速率柱狀圖

由圖3可以看出,24列車整體輪徑平均運(yùn)行磨耗速率為0.264 mm/萬km，列車出庫方向右側(cè)和列車出庫方向左側(cè)車輪平均踏面磨耗速率分別為0.286 mm/萬km和0.251 mm/萬km，比值在1.14左右，存在偏磨現(xiàn)象。

2.2 輪緣厚運(yùn)行磨耗分析

列車通過直線線路時(shí)，鋼軌與輪對踏面名義滾動圓處相接觸。當(dāng)列車通過曲線線路時(shí)，輪對外側(cè)輪緣在橫向力的作用下會與鋼軌進(jìn)行摩擦[7]，如圖4所示。

圖4 輪軌接觸形式

另外，在列車通過曲線時(shí)，輪軌之間的接觸狀態(tài)由“單點(diǎn)接觸”變?yōu)椤皟牲c(diǎn)接觸”，即輪對踏面和輪緣同時(shí)與鋼軌產(chǎn)生磨耗。由于外側(cè)鋼軌和內(nèi)側(cè)鋼軌與輪對的接觸點(diǎn)不同, 導(dǎo)致輪對的受力情況也不一致[10]。值得注意的是，“兩點(diǎn)接觸”普遍出現(xiàn)在外側(cè)鋼軌與輪對相互摩擦的位置。F為橫向蠕滑力，p為正壓力，列車通過曲線時(shí)，輪軌相應(yīng)的受力情況如圖5所示。

圖5 列車通過曲線時(shí)橫向蠕滑力和正壓力方向

SDB-80型轉(zhuǎn)向架上裝配的新輪對輪緣厚為33 mm，磨損極限為23 mm。輪緣厚磨耗率計(jì)算公式為

(2)

根據(jù)式(2)，計(jì)算出24列車整體輪緣厚出庫方向左側(cè)、出庫方向右側(cè)和平均磨耗速率，如圖6所示。

圖6 輪緣厚平均運(yùn)行磨耗速率柱狀圖

由圖6可以看出,24列車整體輪緣厚平均運(yùn)行磨耗速率為0.073 mm/萬km，列車出庫左側(cè)和右側(cè)車輪平均輪緣厚度磨耗速率分別為0.077 mm/萬km和0.072 mm/萬km，左側(cè)約是右側(cè)的1.1倍，即輪緣同樣存在偏磨現(xiàn)象。

2.3 輪對徑向圓跳動發(fā)展分析

徑向圓跳動是指輪對踏面在同一橫剖面上各點(diǎn)到輪對基準(zhǔn)軸線間距離的最大值與最小值之差的絕對值，輪對踏面徑向圓跳動特指踏面滾動圓位置對應(yīng)的徑向跳動，青島地鐵3號線徑向圓跳動超差標(biāo)準(zhǔn)定為0.6 mm。

徑向圓跳動發(fā)展速率計(jì)算公式為

(3)

根據(jù)式(3)，計(jì)算出24列車整體輪對徑向圓跳動出庫方向左側(cè)、出庫方向右側(cè)和平均發(fā)展速率，如圖7所示。

圖7 輪對徑向圓跳動平均運(yùn)行發(fā)展速率柱狀圖

由圖7可以看出,24列車整體輪對徑向圓跳動平均運(yùn)行發(fā)展速率為0.029 mm/萬km，列車出庫左側(cè)和出庫右側(cè)輪對徑向圓跳動發(fā)展速率分別為0.023 mm/萬km和0.033 mm/萬km，右側(cè)約是左側(cè)的1.4倍，即輪對徑向圓跳動同樣存在偏磨現(xiàn)象。

3 輪對鏇修損耗分析

輪對鏇修損耗包括因輪徑超差和徑向圓跳動超差而造成的鏇修損耗。另外，由于輪緣厚在因輪徑超差而進(jìn)行鏇修的同時(shí)不斷修正，故青島地鐵3號線未因輪緣偏磨而進(jìn)行鏇修。

根據(jù)電客車廠商提供的維修手冊及地鐵車輛實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，青島地鐵3號線采用的車輛輪徑差運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)為同軸2 mm、同架4 mm、同節(jié)車6 mm，超出上述范圍需對輪徑進(jìn)行鏇修。輪徑差鏇修恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)為同軸不超0.5 mm、同架不超0.5 mm、同車不超2 mm，以確保車輛輪對鏇修后可維持在一個(gè)相對磨耗率較低的磨耗周期中。

24列車單輪對鏇修損失平均值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 24列車單輪對鏇修損失數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表1(續(xù))

由表1中的數(shù)據(jù)可計(jì)算出24列車每列車的單輪對平均鏇修損失率，計(jì)算公式為

(4)

根據(jù)式(4)，計(jì)算出24列車每列車的單輪對平均鏇修損失率，如圖8所示。

圖8 鏇修損失率柱狀圖

由圖8可知,每列車輪對鏇修損失率參差不齊，24列車整體平均鏇修損失率約為0.123 mm/萬km。以24列車整體為研究對象，因輪徑偏磨、輪對多邊形原因造成的輪對鏇修，每個(gè)輪對平均每10萬km需鏇掉1.23 mm左右。那么，以目前輪對的使用壽命(70 mm磨耗量，100萬km)，可推算出約17.57%為因輪徑偏磨、輪對多邊形原因造成的鏇修損失。

4 輪對異常磨耗原因分析

經(jīng)查看正線鋼軌噴油量，發(fā)現(xiàn)軌側(cè)潤滑裝置噴油量較之前有所減少，輪對的有效潤滑距離縮短，2017年和2020年鋼軌潤滑情況分別如圖9和圖10所示。

圖9 2017年鋼軌噴油量

圖10 2020年鋼軌噴油量

由圖10可知，目前正線鋼軌表面較粗糙，幾乎無潤滑痕跡。車輛通過時(shí)，輪軌之間潤滑不足可能導(dǎo)致輪對踏面加速磨耗。

另外，對青島地鐵3號線正線軌道的所有曲線進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

表2 線路曲線統(tǒng)計(jì)

由表2的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，3號線全線右曲線和左曲線長度的比值為 1.66∶1，是目前輪對產(chǎn)生偏磨的主要原因。由于線路曲線分布不對稱，車輛通過曲線時(shí)，內(nèi)軌側(cè)輪對踏面中部偏外部與軌頂接觸，輪對主要磨踏面中間區(qū)域，而外軌側(cè)輪對踏面和輪緣根部與軌距角處接觸，輪對主要磨輪緣區(qū)域。加上列車通過曲線時(shí)輪軌蠕滑率和蠕滑力較平直軌道均較高，對輪對磨耗影響較大。

5 結(jié)束語

輪對踏面和輪對徑向圓跳動出庫方向右側(cè)運(yùn)行磨耗速率均大于出庫方向左側(cè)，存在右側(cè)偏磨現(xiàn)象。結(jié)合青島地鐵3號線出庫方向右彎道較多，右側(cè)輪對承載重力大、且在右轉(zhuǎn)彎時(shí)存在一定的滑動摩擦，對車輛進(jìn)行定期掉頭運(yùn)行，使得左右輪對磨耗速率均等，可有效降低輪對偏磨。

可啟用列車的輪緣潤滑功能或在曲線線路外側(cè)鋼軌軌側(cè)定期涂油等方式降低輪軌之間的摩擦系數(shù)，以降低輪緣和輪對踏面的磨耗。

輪對平均每10萬km需鏇掉1.23 mm左右。輪對鏇修損耗約占輪對壽命的17.57 %，占比較大。可采用薄輪緣鏇修的方式對輪對進(jìn)行鏇修，減少鏇修時(shí)輪對踏面的切削量，提高輪對的使用壽命，同時(shí)可有效降低輪緣和輪對踏面的磨耗速率。