津滨轻轨车轮异常磨耗分析

李新宇

(天津滨海快速交通发展有限公司，天津 300451)

津滨轻轨车轮异常磨耗分析

李新宇

(天津滨海快速交通发展有限公司，天津 300451)

介绍了津滨轻轨车轮异常磨耗情况，对磨耗原因进行了调查分析，并提出了相应的解决措施。

轻轨；车轮；异常磨耗；踏面；轮缘

0 引言

津滨轻轨自2004年2月运营至今，随着运营里程的增加，车辆各部件均趋于老化，磨损逐渐增大。车轮是车辆安全运营最重要、最关键的部件之一，车轮的运行状态直接关系到列车的运行安全，其寿命直接关系到车辆的检修成本，而车轮踏面异常磨耗会使车轮镟修频次增加，车轮寿命急剧下降，造成车轮维修成本增大，同时，车轮踏面异常磨耗还会恶化轮轨接触关系，从而影响行车稳定性和安全性。

1 车轮异常磨耗现象

一般车轮踏面磨损的主要原因包括轮轨接触磨损和制动闸瓦与踏面的滑动磨损。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。

津滨轻轨车轮因踏面出现沟槽、刻度状热裂纹导致的剥离和轮缘异常磨耗等，造成车轮镟修频次增加，车轮寿命由初期计算可运行110万～130万km降至90万～100万km，造成维修成本增加。

1.1 踏面异常磨耗

津滨轻轨运营初期，采用日本制动闸瓦，在使用过程中造成车轮踏面出现热裂纹，随着车辆运营里程增加，热裂纹逐渐演变成如图1所示刻度状剥离，且剥离面积逐渐扩大。同时，该型闸瓦存在金属镶嵌问题，遇到雨雪天气时闸瓦金属镶嵌尤为严重，造成踏面出现如图2所示圆周沟槽。

图1 车轮踏面热裂纹引起的剥离

图2 车轮踏面圆周状沟槽

1.2 轮缘异常磨耗

津滨轻轨二期(中山门至天津站)地下线路受各种环境条件制约，线路曲线多、半径小(天津站至大王庄站区间曲线半径只有300 m)，轮缘磨耗急剧增大(动车1轮和8轮磨耗量最大)，车轮镟修量也随之增加。动车车轮轮缘厚度变化趋势如图3所示。

图3 动车车轮轮缘厚度变化趋势图

2 车轮异常磨耗原因调查分析

2.1 制动闸瓦问题

制动闸瓦属于摩擦介质，通过闸瓦与车轮踏面接触产生摩擦力，使车辆运行速度降低直至停车，由于闸瓦与车轮轮毂的摩擦过程极为复杂，两者摩擦产生的温度往往大于300 ℃，因此，闸瓦的性能直接影响车轮踏面状态。

通过长期观察镟修完毕车轮的运用状态发现，运行超过5 000 km，踏面表面出现热斑，运行超过10 000 km，热斑演变成微小刻度状裂纹，随着运行公里数增加，裂纹逐步扩展，其原因在于闸瓦散热性能较差，频繁制动产生的高温使踏面表层瞬时加热，随后在空气中冷却形成马氏体薄层，在轮轨接触应力等反复作用下，裂纹逐渐形成。当相邻裂纹相接触(运行超过80 000 km)时，在轮轨接触应力等作用下，踏面裂纹演变为剥离，导致车轮镟修。通过此类车轮镟修发现，裂纹会向轮辋内部发展，其深度约为裂纹长度的1/6，如图4所示。车轮镟修后，仍存在较严重缺陷，造成车轮镟修量增加。

图4 热裂纹造成车轮镟修3 mm(半径)后仍存在缺陷

闸瓦主要由碳粉、树脂、金属粉末等材料进行混合搅拌，并经过高温高压压制成型。由于制动时闸瓦与车轮踏面摩擦产生高温，在高温作用下，闸瓦中树脂材料溶解，闸瓦与车轮摩擦产生的金属粉末和轮轨接触产生金属颗粒，这些金属磨粒就镶嵌在因树脂溶解而产生的空穴中。而这些镶嵌在闸瓦上的金属杂质遇到冷空气后，金相结构发生了变化，再次制动时闸瓦表面留存的金属杂质不断剐蹭切削踏面，切削下的金属与原有金属杂质在高温高压下融合变大，导致踏面出现沟槽。

2.2 轮缘异常磨耗问题

车辆在区线上运行时，由于离心力的作用，外侧车轮轮缘受到的横向力远大于内侧车轮轮缘，特别是经过小曲线时，横向轮轨磨耗尤为突出。因此，外侧车轮轮缘磨耗更为严重，且动车车轮轮缘磨耗比拖车大，这一点在实际运用中也得到了很好的验证。津滨轻轨二期工程全部为地下段，

曲线多、半径小，其中最小半径为300 m，转向架通过曲线时，轮缘与外轨内侧面密贴。图5为300 m曲线处轮轨实际接触情况。

图5 300 m曲线处轮轨实际接触状态

通过测量数据发现，动车车轮轮缘磨耗约为拖车车轮轮缘磨耗量的2～3倍，且动车1轮和8轮磨耗最为严重，这主要是由于车辆通过曲线时，滚动的同时会伴随出现滑动(一般多为横向滑动)，车轮在曲线段产生的附加动压力与曲线半径成反比，在曲线段轮轨接触应力会变大，造成轮缘加速磨耗。

3 采取的措施

大量的车轮异常磨耗极大地缩短了车轮的使用寿命，增加了车辆检修成本，在大量调查分析的基础上，我们采取了如下几点措施：(1) 与国内闸瓦厂家合作，通过有效控制树脂的分解残留物，增加闸瓦微孔率，提高闸瓦散热性能，有效防止或减少闸瓦金属镶嵌物和车轮踏面热裂纹的产生。自2011年采用新型闸瓦后，再未出现车轮踏面热裂纹，闸瓦金属镶嵌现象降低超过93%。(2) 通过在曲线段钢轨内侧涂抹润滑材料，改善轨道曲线处轮轨接触条件，轮缘磨耗量由0.21 mm/万km降至0.11 mm/万km，轮缘磨耗量降低约50%。(3) 根据轮缘厚度变化情况及时启用LM-26和LM-28标准对车轮进行经济镟轮，降低车轮镟修量。

4 结语

改善制动闸瓦性能及轨道曲线处轮轨配合条件，可以有效控制车轮异常磨耗，延长车轮使用寿命；与此同时，合理的车轮镟修标准，也可有效降低车轮镟修量。

[1]王福天.车辆系统动力学[M].北京：中国铁道出版社，1994

[2]李霞，温泽峰，金学松.地铁车轮踏面异常磨耗原因分析[J].机械工程学报，2010(8)

2014-06-16

李新宇(1978—)，男，河南人，工程师，研究方向：城市轨道交通车辆。