城轨列车空转滑行现象的机械影响因素探究

熊经博

摘 要：论文从调整机械机构方面入手，减少列车在正线运行中发生空转/滑行故障。首先对相应车辆发生空转/滑行故障现象的时间、区段进行统计、对比、分析；然后再对发生空转/滑行故障现象的相应车辆进行机械结构检查、优化、更换、对比、分析；

关键词：空转/滑行 调整机械机构

1、地铁列车空转/滑行的形成与危害

本章简要说明地铁列车在牵引与制动工况下的轮轨状态，重点介绍空转/滑行的形成与危害。

1.1 地铁列车轮轨间状态概述

地铁列车在牵引或制动时轮轨间的状态可以细分为三种：第一种为理想状态下的滚动；第二种为我们应避免但是存在的“空转/滑行”；第三种为实际一直存在的粘着状态。

1）理想滚动状态是一种难以实现的理想状态。倘若能达到这种状态，则可能实现的牵引力最大值约为轮轨间的最大静摩擦力。

2）轮对产生的轮周牵引力或制动力大于轮轨间的粘着力时车轮就会发生空转或者是滑行。

3）在运行过程中，由于牵引力和惯性力不是作用在同一水平面内，造成机车前后车轮作用于钢轨的垂直载荷不均匀分配。所以，轮轨间的纵向水平作用力的最大值实际上与运动状态有关，而且比物理上的“最大静摩擦力”要小的多。因此，在铁路牵引和制动理论中，在分析轮轨间纵向力问题时，不用“静摩擦”这个词，而以“粘着”来代替它。相应的，在粘着状态下轮轨间纵向水平力作用力的最大值就称为粘着力，而把粘着力与轮轨间垂直载荷之比称为粘着系数。

对于以上列车在牵引与制动工况下的轮轨状态，我们主要研究分析运行过程中可避免或减少的状态——空转/滑行

1.2 地铁列车空转/滑行的概念和形成

轮对产生的轮周牵引力或制动力大于轮轨间的粘着力时车轮就会发生空转或者是滑行。這是一个复杂的问题，在地铁列车中的控制判断逻辑为：在牵引过程中，单个轴速超过列车的参考速度一定值，列车判断为空转；在制动过程中，单个轴速低于列车的参考速度一定值，列车判断为滑行。

1.2.1空转的概述

关于空转，只是在列车牵引工况下才发生。当列车加速或拐弯或其他情况下某个轮对或轴端速度大于列车速度时，轮对或轴与轨道的粘着力将产生变化，造成轮对旋转圆周长大于前进距离，称之为空转。

1.2.2滑行的概述

关于滑行，只是在列车制动工况下才发生。当列车制动时，由于轨道状况或轮径值不等、失圆或其他情况下某个轮对或轴端速度小于列车速度时，轮对跟轨道粘着力将产生变化，造成轮对相对轨道不止滚动，还沿着轨道滑动，称之为滑行。

其中，轴端速度由安装在轴端上的速度传感器获得，而列车速度由另外专门测定车辆行进速度的速度传感器测得信息经过VTCU计算得出。若两者速度差超过设置的数值时，VTCU就会报告空转或滑行故障，并且启动空转或防滑保护。

1.3 空转/滑行的危害

空转滑行发生时可能会导致轮轨擦伤，严重的擦伤往往是钢轨疲劳失效的重要根源之一。车轮擦伤后不仅使列车运行时车辆或轨道产生强烈的振动，而且会导致轮对轴承、车轴和轨道的损伤，增加轮轨的维修工作。同时，严重的空转或滑行情况将影响机车正常运行。而在启动防滑保护时，则同时会影响列车的正常牵引及制动的能力。

2、机械结构因素对空转/滑行的影响研究

2.1 导致列车空转滑行的机械结构因素

2.1.1 车轮半径大小差异因素

车轮半径大小有差异，造成车轮和轨道间粘着力有差别，处于牵引或制动工况下（列车VTCU根据各轴的速度值，而给出相应牵引力和制动力），因此容易发生空转/滑行.

2.1.2 车轮失圆因素

车轮失圆会导致该轮在运行中处于不正常的抖动状态，特别在高速运转到失圆区域时，由于强烈振动将破坏正常轮轨粘着条件，一旦在高速过弯道时，车轮工作条件更为恶劣，而此时列车一旦给出牵引力，则非常容易触发车轮空转。

2.1.3 列车本身状况不良因素

列车状况不良的现象较多，如轴重不均，牵引电动机电流分布不均。车辆轴端速度传感器用的时间长，工作不稳定。列车轴重偏差过大，在运行过程中施加相同的制动力时，轴重轻的轮对因粘着力较小，易导致该位置轮对滑行。

2.2 轮对半径大小差异及失圆问题对空转/滑行的影响研究

针对轮对半径大小有差异及失圆的问题进行了镟轮处理，结果如下表：

也就是说镟轮后的列车在一定的程度上减少了空转滑行故障，但是在部分列车上效果并不太明显。但是我们在日常检修时对存在轮径值超差的现象则要积极安排镟轮，在最大的程度上减少由于轮径值超差而引起的空转滑行。

2.3 针对轴重偏移、重力分配不均问题对空转/滑行的影响研究

深圳地铁车辆部曾经对101、102、104、106、117车的轴重进行了调整。并且近期对列车轴重进行检查时发现列车普遍存在有一系簧蠕变的现象发生，导致列车轴重偏差。

例：针对一系簧蠕变的现象在完整架修中对相应转向架的一系簧进行了更换，截至2011年12月31日，已完成完整架修的车辆依次是116、115、108、107、111、113、109、117、110等9列车，后续架修列车均进行完成架修，前期6列车简易架修列车也逐步进行了更换转向架一系簧的补修工作，并对转向架完整架修整治效果评估：

在延长线开通前（2011年6月15日）进行过完整架修（更换转向架一系簧）的车辆有115、116、108三列车。现根据车辆VTCU记录数据将115、116、108车完整架修前后的数据进行对比（取完整架修前后3个月的统计数据，因延长线开通后进行过完整架修的列车受运行图调整和延长线开通的影响，不能独立说明完整架修对一系簧的影响，不纳入统计）。具体数据统计如下：

从上表可以看出，完整架修后列车空转/滑行的发生频率均有不同程度的降低。可见，完整架修后，车辆悬挂系统得以改善，提高了轮轨间的粘着利用，对降低列车空转/滑行效果较为明显。

经数据统计分析，轴重偏差的列车和空转滑行严重的列车暂未发现很明显的对应关系，轴重调整后的列车空转/滑行发生次数前后有一定的效果但并不明显。针对轴重问题还有待进一步进行收集数据进行分析。

2.4 总结

空转滑行的产生原因很多，成因复杂，在对其进行分析之前应该加强对列车故障诊断数据的统计和分析，分系统对可能引起空转滑行的因素以一个长周期对多次发生的故障加强分析和处理。通过对列车进行实时监控，结合故障发生时列车的状态，一步步缩小故障原因范围。

针对近年来空转滑行的发生频率较高，对机械结构可能引起该问题的隐患加强制定应对措施，对轮对失圆及轮径超差的情况及时对踏面进行镟修，对轴重偏差严重的列车安排称重，尽量减少机械方面引起的空转滑行。

同时在控制住机械机构方面隐患后如还出现此故障则继续向跟车辆机械机构相接口的系统进行分析，如钢轨的状况、速度传感器的精度以及空转滑行的逻辑判断层面。

参考文献

[1]张振淼.城市轨道交通车辆[J].中国铁道出版社.1988.

[2]王成国.大轴重货车空气制动系统基本问题的探讨[J].中国铁路.2011年08期.