摘　要　研究了南京地铁列车车轮踏面非正常沟状磨耗的成因。对车轮、钢轨的外形、材质和硬度等进行了测试,分析了轮轨接触和制动磨损的影响,提出了沟状磨耗的原因。测试结果分析表明,该地铁车辆拖车轮踏面上的凹槽磨耗主要是由于在制动施加频度过高、轮轨接触又不均匀的内因作用下产生的。

关键词　地铁车辆,轮轨磨耗,踏面磨耗,制动
 
0 引言
      南京地铁自2005年9月开通运行以来,发现轮轨磨耗严重,如:拖车车轮踏面上出现有规律的沟状磨耗,道岔叉心上出现沟状磨损,轮缘和曲线钢轨侧磨等。根据初步观察认为,踏面上的沟状磨耗和道岔叉心上出现沟状磨损与其它地铁系统相比有明显的独特性。因此重点对这两个问题进行研究分析。踏面上的沟状磨耗照片如图1所示。踏面上较深色的部位是沟状磨耗区域,可见一条位于滚动圆附近,另一条位于踏面外侧。道岔叉心沟状磨耗的照片如图2所示,位于左侧轨顶上,长度约70~80mm。据测量的带有沟状磨耗的踏面轮廓线.深度可达2~3mm。为了及时弄清磨耗的成因,分析非正常磨耗对列车运行的安全影响,南京地铁公司及时组织专家进行会诊,成立专题小组,制定了全面而深入的排查方案。

1 调研方案
      一般车轮踏面磨损的主要原因:一是轮轨接触磨损;二是制动闸瓦与踏面的滑动磨损。Www.11665.coM轮轨接触磨损又以在踏面的不同区域滑动程度不同分为滑动摩擦磨损和滚动疲劳伤损。滑动摩擦磨损发生在轮缘部位,与车辆的曲线通过性能有关;而滚动疲劳发生在踏面部位,以横向裂纹、剥离形式出现。当轮轨接触应力过大时,还会发生接触塑性流动磨损[1-2]。气制动引起的磨损往往与气制动压力、气制动的施加程度、气制动作用时的相对运动速度、闸瓦物理特性和踏面的物理特性等因素有关。

      根据动车踏面无类似于拖车踏面的沟状磨耗这一现象,初步将研究重点放在气制动对踏面的磨损上,同时也对轮轨接触进行调研分析。
      对于道岔上的沟状磨损主要以测量和轮轨几何接触分析为主。因为没有其它物体与道岔顶面接触的可能性,唯一的可能性就是轮轨的接触引起。
      根据以上分析,制定了初步调研范围为:轮轨材质分析,轮轨接触分析,闸瓦特性试验,气制动作用调研和轮轨表面硬度测试等。首期测试项目有:①轮轨材质硬度和成份分析;②闸瓦的成份测试和闸瓦的物理特性试验;③拖车和动车踏面外形的测量和轮轨几何匹配模拟;④测量踏面及钢轨的表面硬度及轮轨接触应力分析;⑤测量不同踏面及钢轨的磨损外形及与道岔的几何匹配分析;⑥气电制动的分配比率及制动压力等。
2 主要测量结果及分析
      委托上海材料研究所检测中心对轮轨材质进行检测,50kg/m和60kg/m钢轨样本的材质元素成分含量符合表称值范围;轮子样本(cl60)材质的元素也基本符合表称要求,仅铬(cr)元素的含量为0.090%(表称值为0.13%~0.23%),略低了些。图3和图4为钢轨的硬度分布图,可见钢轨的硬度分布也正常。对线路上的钢轨也进行了表面硬度测试,测试结果表明,曲线外轨顶面硬度较高可达300~310hb左右;轨头圆角处硬度较低,为260hb;轨头内侧面较高,为350hb左右。而曲线内轨顶面硬度均比外轨顶面高,可达330~350hb左右。
      图5和图6为拖车和动车踏面的表面硬度测试结果。由图5可见,第1测点在轮缘角附近,平均硬度为378hb;第2测点位于一较扁平的下凹的槽内,平均硬度为336hb;第3测点在一凸起的表面上,平均硬度为379hb;第4测点在另一下凹的表面上,平均硬度为318hb。可见第二测点和第四测点的硬度低,都处于下凹的磨耗处。由图6可见,动车踏面上各测点的平均硬度自左到右分别为411hb、370hb、356hb和320hb。轮缘角附近的硬度最大,达411hb,然后呈逐点下降的趋势。

 

      被分析闸瓦由德国becorit公司制造,编号802d0c1a/c5391213/k3023604,表面有与踏面外形吻合的槽型磨耗。对比试验的闸瓦为上海轨道交通1、2号线使用的国产闸瓦。测试了闸瓦的摩擦系数、冲击强度、弯曲强度、洛氏硬度和密度,物理机械性能测试表明:becorit闸瓦的冲击强度较低,摩擦系数变化范围略大,硬度与密度略低一些。微观分析包括热失重、能谱分析和电镜扫描。热失重试验结果显示:becorit闸瓦高温分解后的失重比为63.26%,而ms-510闸瓦高温分解后的失重比为21.8%。可见becorit闸瓦的失重比较大。能谱分析的结果表明:becorit闸瓦中氧元素的含量很大,说明材料中有大量的金属氧化物,可能是氧化镁;而ms-510闸瓦含氧少,且不含镁。
      图7为一拖车轮对的左右轮子踏面的外形:轮缘磨耗很小,但踏面上已有可见的凹槽两条;两条之间是一个10mm左右宽度的凸起环,位于横向坐标+20mm处;左右轮踏面外形的磨损规律一致。图8为该拖车踏面外形与一动车踏面外形的比较,拖车踏面外形有两处明显下凹。
　　图9为实测的带凹槽磨耗的拖车轮踏面外形与未磨耗的60kg/m钢轨的接触情况,轮对的横移量的变化范围为±10mm,计算步长为1mm,显示标记步长为2mm。可见当轮对的横移量小于+5mm时,轮轨接触点位于踏面中部凹槽的左侧,轨头上的接触点位于轨头内侧(左侧),凹槽处无接触可能,当轮对横移量大于+5~+10mm时,轮轨接触点位于前面提到的10mm左右宽度的凸起环处,该凸起环的外侧(右边)与钢轨无接触点。因此一旦产生凹槽磨耗,该处就不会与钢轨接触。

　　为了说明起始时凹槽为什么产生在这里,计算了未磨耗的lm型踏面外形与未磨耗的60kg/m钢轨的接触情况,如图10所示,当轮对横移量为±4mm变化时,踏面上的接触点的变化范围仅10~15mm左右,在钢轨上的对应接触点的变化范围仅10mm,且偏向内侧。当轮对的横移量为-8mm时,接触点移至轮缘根部。当轮对的横移量小于-8mm时,出现轮缘接触。当轮对的横移量为+8mm时,接触点仍位于滚动圆附近,即距轮背70mm处。当轮对的横移量大于+8mm时,接触点跳至距轮背85mm处。由此可以推断lm型踏面与60kg/m钢轨接触时,接触点在轮踏面上的分布是不均匀的。即在离轮背70-80mm处与钢轨的接触机遇很少;在离轮背90mm以后无接触可能。可见新轮与新轨的接触分布也是不均匀的。接触几率较低的区域正好是发生凹槽磨损的区域。
　　为了检查钢轨原始外形与理论60kg/m钢轨外形的差异,测量了线路上轻微磨耗轨头的外形,见图11,并与理论的60kg/m轨外形进行了对比。可见在轨头顶面实际钢轨外形要比理论外形平坦。轨顶中央处差1mm多。这将进一步扩大轮轨在顶面的非接触区。

3 进一步的调研和实验研究结果
      通过以上调研,基本上对走行部分的因素做了测试和分析,可以认为凹槽是由制动过度作用和轮轨接触不匀的特点共同形成的。有关制动对踏面非正常磨损是否是直接原因,制动的作用究竟有多大及是否正常,这需要进一步研究和试验。摩擦制动本身就是靠闸瓦与车轮的相互摩擦,因此必然产生相互的磨损。制动的磨损程度与轮子材质、闸瓦的特性、制动压力、制动频繁程度、制动时的车速等诸多因素有关。根据拖车车轮踏面有的区域被磨损,有的区域未被磨损,而动车踏面未被磨损的情况,可以认为拖车踏面的接触不匀,使制动磨损的进程快于轮轨硬化的进程,导致局部磨损。为了证明这一点,进行了手动驾驶模式与自动驾驶模式的对比试验[4](见本期《驾驶模式对轮对异常磨耗的影响》)。

4 结语
      通过以上对测试结果的分析,该地铁车辆拖车车轮踏面上的凹槽磨耗主要是由于在制动施加频度过高、轮轨接触又不匀的内因作用下产生的。地铁车辆的轮轨磨损涉及到运行安全性和经济性。我国地铁正处于快速发展期,由于地铁系统在线路条件、运用条件与干线铁路有较大的不同,一些没有在干线铁路系统中显现出来的弱点在地铁系统条件下明显显露出来;而有些问题是各国地铁标准不同,引进中没有加以吸收和消化,造成车辆与线路、车辆本身各子系统间相互的矛盾和不统一;有些问题是国内与国外地铁的运行条件不同,造成在国外地铁中没有显露出来的问题在我国极度高负荷的条件下充分暴露出来;有些是由于在引进车辆的同时,配套的车辆和线路的维护措施、相关标准及规范没有及时跟上而导致的不协调问题。诸多问题只有在广大有关人员的共同努力下才能积累经验,总结规律,逐步形成适合我国特点的地铁车辆运用维护管理体系。
 
参考文献
[1]markovd.laboratorytestsforseizureofrailandwheelsteels[j].wear,1997,208:91-104.
[2]jonecp,tyfourwr,beyonojh,etal.theeffectofstrainhardeningonshakedownlimitsofapearliticrailsteel[j].proceed-ingsofinstituteofmechanicalengineering,1997,211:131-138.
[3]tournayhm,mulderjm.thetransitionfromtheweartothestressregime[j].wear1996,191:107-112.
[4]宗清泉,吴井冰,沈钢.驾驶模式对轮对异常磨耗的影响[j].城市轨道交通研究,2007(7):47-48.