1、南京地鐵列車(chē)車(chē)輪踏面非正常磨耗初析摘要研究了南京地鐵列車(chē)車(chē)輪踏面非正常溝狀磨耗的成因。對(duì)車(chē)輪、鋼軌的外形、材質(zhì)和硬度等進(jìn)展了測(cè)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(cè)試結(jié)果分析說(shuō)明,該地鐵車(chē)輛拖車(chē)輪踏面上的凹槽磨耗主要是由于在制動(dòng)施加頻度過(guò)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(chē)輛,輪軌磨耗,踏面磨耗,制動(dòng)0引言南京地鐵自2022年9月開(kāi)通運(yùn)行以來(lái),發(fā)現(xiàn)輪軌磨耗嚴(yán)重,如:拖車(chē)車(chē)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。因此重點(diǎn)對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題

2、進(jìn)展研究分析。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(jiàn)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(zhǎng)度約7080。據(jù)測(cè)量的帶有溝狀磨耗的踏面輪廓線.深度可達(dá)23。為了及時(shí)弄清磨耗的成因,分析非正常磨耗對(duì)列車(chē)運(yùn)行的平安影響,南京地鐵公司及時(shí)組織專家進(jìn)展會(huì)診,成立專題小組,制定了全面而深化的排查方案。1調(diào)研方案一般車(chē)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。滑動(dòng)摩擦磨損發(fā)生在輪緣部位,與車(chē)輛的曲線通過(guò)性能有關(guān);而滾動(dòng)疲勞

3、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(guò)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(chē)踏面無(wú)類似于拖車(chē)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)展調(diào)研分析。對(duì)于道岔上的溝狀磨損主要以測(cè)量和輪軌幾何接觸分析為主。因?yàn)闆](méi)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)研和輪軌外表硬度測(cè)試等。首期測(cè)試工程有:輪軌材質(zhì)硬

4、度和成份分析;閘瓦的成份測(cè)試和閘瓦的物理特性試驗(yàn);拖車(chē)和動(dòng)車(chē)踏面外形的測(cè)量和輪軌幾何匹配模擬;測(cè)量踏面及鋼軌的外表硬度及輪軌接觸應(yīng)力分析;測(cè)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(cè)量結(jié)果及分析委托上海材料研究所檢測(cè)中心對(duì)輪軌材質(zhì)進(jìn)展檢測(cè),50kg/和60kg/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(l60)材質(zhì)的元素也根本符合表稱要求,僅鉻(r)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(jiàn)鋼軌的硬度分布也正常。對(duì)線路上的鋼軌也進(jìn)展了外表硬度測(cè)試,測(cè)試結(jié)果說(shuō)明,曲線外軌頂面硬度

5、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)330350hb左右。圖5和圖6為拖車(chē)和動(dòng)車(chē)踏面的外表硬度測(cè)試結(jié)果。由圖5可見(jiàn),第1測(cè)點(diǎn)在輪緣角附近,平均硬度為378hb;第2測(cè)點(diǎn)位于一較扁平的下凹的槽內(nèi),平均硬度為336hb;第3測(cè)點(diǎn)在一凸起的外表上,平均硬度為379hb;第4測(cè)點(diǎn)在另一下凹的外表上,平均硬度為318hb。可見(jiàn)第二測(cè)點(diǎn)和第四測(cè)點(diǎn)的硬度低,都處于下凹的磨耗處。由圖6可見(jiàn),動(dòng)車(chē)踏面上各測(cè)點(diǎn)的平均硬度自左到右分別為411hb、370hb、356hb和320hb。輪緣角附近的硬度最大,達(dá)411hb

6、,然后呈逐點(diǎn)下降的趨勢(shì)。被分析閘瓦由德國(guó)berit公司制造,編號(hào)802d01a/5391213/k3023604,外表有與踏面外形吻合的槽型磨耗。比照試驗(yàn)的閘瓦為上海軌道交通1、2號(hào)線使用的國(guó)產(chǎn)閘瓦。測(cè)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(cè)試說(shuō)明:berit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:berit閘瓦高溫分解后的失重比為63.26%,而s-510閘瓦高溫分解后的失重比為21.8%。可見(jiàn)berit閘瓦的失重比擬大。能譜分析的結(jié)果說(shuō)明:berit閘瓦中氧元素的含量很大,說(shuō)明材

7、料中有大量的金屬氧化物,可能是氧化鎂;而s-510閘瓦含氧少,且不含鎂。圖7為一拖車(chē)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(jiàn)的凹槽兩條;兩條之間是一個(gè)10左右寬度的凸起環(huán),位于橫向坐標(biāo)+20處;左右輪踏面外形的磨損規(guī)律一致。圖8為該拖車(chē)踏面外形與一動(dòng)車(chē)踏面外形的比擬,拖車(chē)踏面外形有兩處明顯下凹。圖9為實(shí)測(cè)的帶凹槽磨耗的拖車(chē)輪踏面外形與未磨耗的60kg/鋼軌的接觸情況,輪對(duì)的橫移量的變化范圍為10,計(jì)算步長(zhǎng)為1,顯示標(biāo)記步長(zhǎng)為2。可見(jiàn)當(dāng)輪對(duì)的橫移量小于+5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(wú)接觸可能,當(dāng)輪對(duì)橫移量大于+5+10時(shí),輪軌

8、接觸點(diǎn)位于前面提到的10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(wú)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(shuō)明起始時(shí)凹槽為什么產(chǎn)生在這里,計(jì)算了未磨耗的l型踏面外形與未磨耗的60kg/鋼軌的接觸情況,如圖10所示,當(dāng)輪對(duì)橫移量為4變化時(shí),踏面上的接觸點(diǎn)的變化范圍僅1015左右,在鋼軌上的對(duì)應(yīng)接觸點(diǎn)的變化范圍僅10,且偏向內(nèi)側(cè)。當(dāng)輪對(duì)的橫移量為-8時(shí),接觸點(diǎn)移至輪緣根部。當(dāng)輪對(duì)的橫移量小于-8時(shí),出現(xiàn)輪緣接觸。當(dāng)輪對(duì)的橫移量為+8時(shí),接觸點(diǎn)仍位于滾動(dòng)圓附近,即距輪背70處。當(dāng)輪對(duì)的橫移量大于+8時(shí),接觸點(diǎn)跳至距輪背85處。由此可以推斷l(xiāng)型踏面與60kg/鋼軌接觸時(shí),接觸點(diǎn)

9、在輪踏面上的分布是不均勻的。即在離輪背70-80處與鋼軌的接觸機(jī)遇很少;在離輪背90以后無(wú)接觸可能。可見(jiàn)新輪與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/鋼軌外形的差異,測(cè)量了線路上細(xì)微磨耗軌頭的外形,見(jiàn)圖11,并與理論的60kg/軌外形進(jìn)展了比照。可見(jiàn)在軌頭頂面實(shí)際鋼軌外形要比理論外形平坦。軌頂中央處差1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(guò)以上調(diào)研,根本上對(duì)走行部分的因素做了測(cè)試和分析,可以認(rèn)為凹槽是由制動(dòng)過(guò)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

10、用終究有多大及是否正常,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(chē)輪的互相摩擦,因此必然產(chǎn)生互相的磨損。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(chē)速等諸多因素有關(guān)。根據(jù)拖車(chē)車(chē)輪踏面有的區(qū)域被磨損,有的區(qū)域未被磨損,而動(dòng)車(chē)踏面未被磨損的情況,可以認(rèn)為拖車(chē)踏面的接觸不勻,使制動(dòng)磨損的進(jìn)程快于輪軌硬化的進(jìn)程,導(dǎo)致部分磨損。為了證明這一點(diǎn),進(jìn)展了手動(dòng)駕駛形式與自動(dòng)駕駛形式的比照試驗(yàn)4(見(jiàn)本期?駕駛形式對(duì)輪對(duì)異常磨耗的影響?)。4結(jié)語(yǔ)通過(guò)以上對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析,該地鐵車(chē)輛拖車(chē)車(chē)輪踏面上的凹槽磨耗主要是由于在制動(dòng)施加頻度過(guò)高、輪軌接觸又不勻的內(nèi)因作用下產(chǎn)生的。地鐵車(chē)輛的

11、輪軌磨損涉及到運(yùn)行平安性和經(jīng)濟(jì)性。我國(guó)地鐵正處于快速開(kāi)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(méi)有在干線鐵路系統(tǒng)中顯現(xiàn)出來(lái)的弱點(diǎn)在地鐵系統(tǒng)條件下明顯顯露出來(lái);而有些問(wèn)題是各國(guó)地鐵標(biāo)準(zhǔn)不同,引進(jìn)中沒(méi)有加以吸收和消化,造成車(chē)輛與線路、車(chē)輛本身各子系統(tǒng)間互相的矛盾和不統(tǒng)一;有些問(wèn)題是國(guó)內(nèi)與國(guó)外地鐵的運(yùn)行條件不同,造成在國(guó)外地鐵中沒(méi)有顯露出來(lái)的問(wèn)題在我國(guó)極度高負(fù)荷的條件下充分暴露出來(lái);有些是由于在引進(jìn)車(chē)輛的同時(shí),配套的車(chē)輛和線路的維護(hù)措施、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有及時(shí)跟上而導(dǎo)致的不協(xié)調(diào)問(wèn)題。諸多問(wèn)題只有在廣闊有關(guān)人員的共同努力下才能積累經(jīng)歷,總結(jié)規(guī)律,逐步形成合適我國(guó)特點(diǎn)的地鐵車(chē)輛運(yùn)用維護(hù)管理體系。參考文獻(xiàn)1arkvd.labratrytestsfrseizurefrailandheelsteelsj.ear,1997,208:91-104.2jnep,tyfurr,beynjh,etal.theeffetfstrainhardeningnshakednliitsfapearlitirailsteelj