地铁车轮磨耗及其对轮轨匹配状态的影响*

曹洪凯 周业明 关庆华 陶功权

地铁车轮磨耗及其对轮轨匹配状态的影响*

曹洪凯1周业明1关庆华2陶功权2

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，266111，青岛；2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，610031，成都∥第一作者，工程师）

对国内某地铁线路的车轮磨耗规律进行了现场调查和分析。车轮磨耗集中于轮缘根部和踏面-25~30 mm范围。LM32模板动车车轮踏面磨耗突出区为-8~-4 mm，25万~40万km里程车轮最大磨耗量为2.5~4.0 mm。采用薄轮缘LM30模板镟轮的拖车车轮踏面磨耗集中在-10~10 mm范围，19万km以内里程踏面磨耗量为0.2~0.5 mm。利用轮轨接触几何理论和轮轨滚动接触理论，研究不同车轮磨耗状态下的轮轨静态匹配性能，包括接触点对分布和轮轨接触应力，分析车轮表面裂纹的机理。车轮轮缘根部与钢轨轨距角集中接触容易导致接触光带偏向轨距角。轮缘根部及踏面上小曲率半径区与钢轨集中接触是产生车轮踏面接触疲劳的主要原因。

地铁；轮轨磨耗；轮轨匹配；疲劳裂纹

地铁线路因曲线半径小，站间距短，车轮踏面磨耗和轮缘磨耗等问题突出，轮轨磨耗将引起轮轨匹配关系的变化［1］，进而导致车辆动力学行为发生变化［2-4］。同时，不同地铁线路因其线路曲线特征、车辆结构、轨道结构、运行条件等不同，呈现出不同的磨耗规律。因此，有必要对具体的地铁线路轮轨磨耗状态进行针对性的调查和研究，明确轮轨磨耗的主要特征及其动力学影响，为地铁车辆和线路的经济维护提供依据。

所调研线路正线全长28.664 km，全线共设26座车站，其中地下站18座、高架站7座、地面站1座。上行线半径小于等于400 m的曲线共计19条，总长为6.582 km，占上行全线长度的22.7%；下行线半径小于等于400 m的曲线共计19条，总长为6.658 km，占下行全线长度的22.9%。其中最小曲线半径为300 m，上行线为4条，全长1.575 km，下行线共4条，全长1.203 km。钢轨廓形采用60 kg/m（CHN60）标准廓形，钢轨材料为U75V，轨底坡设定值为1/40。为减轻轮轨磨耗，在半径小于400 m的曲线外轨上设置了钢轨喷油润滑装置。全线以普通短轨枕轨道结构为主，部分区段采用了减振轨道结构，包括弹性短轨枕（3.368 km）、钢弹簧浮置板（5.751 km）和橡胶浮置板轨道（1.895 km）。

所调研线路采用车辆为6辆编组B型地铁车辆，车体采用不锈钢轻量化结构，外部涂装。列车供电电压为DC 750 V，采用三轨下部受流方式。电气牵引系统采用VVVF（可变电压可变频率）控制的交流电传动系统，制动方式采用电力再生制动（含电阻制动）与空气制动混合运算的控制方式。列车运行既可采用自动驾驶，也可采用人工手动驾驶。车辆设计运量超员状态可达1 880人/列，目前日均运量为17万人次，节假日高峰期可达30万人次/d。

1 车轮磨耗特征

对运行在该地铁线路上的27列车踏面外形进行普查测试，车轮出厂型面为LM磨耗型踏面（LM-32），其中，部分车轮在镟修过程中采用了轮缘厚度为30 mm的薄轮缘经济镟修模板（LM-30）。图1 a）为不同运行里程列车的动车车轮的实测平均廓形，车轮踏面模板为LM-32，所测车轮均未镟轮，运行里程分别为 25.4万 km、30.1万 km、32.7万km、34.5万km、37.5万 km 和40.5万 km；图 1 b）为相应的磨耗分布。由图1可知，不同里程列车在踏面-30~30 mm范围内的磨耗相似，轮缘根部有一定磨耗，沿垂直方向最大磨耗深度为2.5~4.0 mm，踏面主要磨耗区域在-25~30 mm范围内，其中，-8~-4 mm范围最为突出，25万km时磨耗深度高于1.5 mm，40万km时磨耗深度为2.4 mm。部分车轮由于踏面制动不良造成踏面尾部出现局部凹槽。

图2 a）为按照经济镟修模板LM-30镟修后的不同运行里程拖车车轮的实测平均廓形，镟后运行里程分别为 7.8万 km、9.7万 km、13.6万 km、16.9万km和19.1万km；图2 b）为相应的磨耗分布。由于拖车车轮经过了镟修，镟后运行里程数较低，因此，不同位置的磨耗量均明显低于动车车轮。由于采用了薄轮缘模板，轮缘磨耗突出位置向轮缘侧略有移动，踏面磨耗的中心区域为-10~10 mm。图中所示的运行里程低于19.1万km，磨耗量很小，在0.2~0.5 mm以内。

图1 以磨耗型踏面LM-32为踏面模板的不同运行里程的动车车轮实测廓形

图2 以经济镟修模板LM-30镟轮后的不同运行里程的拖车车轮实测廓形

2 车轮磨耗对轮轨接触匹配的影响

利用轮轨接触几何理论，分析了实测车轮踏面外形的轮轨接触点对分布情况。计算中钢轨轨头廓形选用60 kg/m（CHN60）标准廓形，轨距1 435 mm，轮对内侧距1 353 mm，名义滚动圆半径420 mm，轨底坡1/40。

图3 LM-32踏面不同运行里程的车轮实测廓形与CHN60标准轨匹配接触点对分布

图3为LM-32踏面模板车轮不同运行里程下实测廓形与CHN60标准轨匹配接触点对分布。虽然计算所选用的6个踏面外形存在明显差别，但接触点对分布比较类似，轮对横移量在3~9 mm范围内时均为轮缘根部与钢轨轨距角的R80~R13圆弧过渡区或者R13圆弧接触。这容易导致钢轨接触光带偏向轨距角。在现场调查时也确实存在在直线段光带偏向轨距角的情况，如图4所示。此外，轮缘根部与轨距角接触时由于曲率半径小，容易产生较大的接触压力，会对轮轨疲劳产生不利影响。

图4 直线轨道上钢轨接触光带（下行K16+500）

3 车轮磨耗对轮轨接触应力的影响

采用三维弹性体非赫兹滚动接触理论进行轮轨接触应力分析。计算中，轴重取12 t，轮轨弹性模量为206 GPa，泊松比为0.28，摩擦因数为0.3。

图5给出了不同轮缘厚度廓形最大法向接触压力随轮对横移量的变化。对于LM-32型面，在轮对横移量较小时车轮R500圆弧与钢轨R80圆弧相接触，轮轨接触斑面积相对较小，导致接触压力较大，为1 600 MPa左右；随着轮对横移量的增大，车轮R100圆弧与钢轨R80圆弧相接触，轮轨共形度较好，接触斑面积有所增大，从而接触压力逐渐降低，在横移量为5 mm时接触压力最小，为942 MPa；随着轮对横移量的进一步增大，车轮R100圆弧与钢轨R13圆弧相接触，接触斑面积迅速减小，导致接触压力迅速增大。其他3种型面的最大法向接触压力随轮对横移量的变化趋势与LM-32型面类似，但对应横移量的变化点有所差异。

图5 LM不同轮缘厚度廓形最大法向接触压力随轮对横移量的变化

图6为LM-32踏面不同运行里程下实测廓形最大法向接触压力随轮对横移量的变化情况。从计算结果发现，最大法向接触压力与运行里程之间没有明显变化规律，在轮对横移量较小（小于2 mm或者3 mm）时最大法向接触压力在1 200 MPa左右，随着轮对横移量的增加最大法向接触压力迅速上升。这主要是轮对横移量大于3 mm后实测廓形与CHN60轨匹配时车轮的轮缘根部与钢轨轨距角接触（见图4），接触斑面积非常小，从而导致接触压力非常高，基本比LM-32标准型面高3倍。

由于轮对横移量大于3 mm后轮轨接触压力、剪切应力、等效应力等均迅速增大，远高于LM-32标准型面，这容易导致车轮在轮缘根部形成疲劳裂纹或出现剥离，如图7所示。

图6 LM-32踏面不同运行里程下实测廓形最大法向接触压力随轮对横移量的变化

图8 为LM-30踏面不同运行里程下实测廓形最大法向接触压力随轮对横移量的变化情况。图中结果表明：最大法向接触压力与运行里程之间没有明显关系，在轮对横移量小于5 mm时实测廓形的最大法向接触压力与LM-30型面接近，但在横移

图8 LM-30踏面不同运行里程下实测廓形最大法向接触压力随轮对横移量的变化

量大于5 mm后最大法向接触压力明显高于LM-30型面。较大的轮轨接触应力容易导致车轮出现疲劳裂纹，如图9所示。

图9 车轮踏面状态照片（LM-30型踏面，镟轮）

4 结语

对某地铁线路的车轮磨耗规律进行普查，动车车轮运行里程在25万km以上，磨耗主要区域均在踏面-25~30 mm范围，磨耗深度为1.5~2.5 mm，轮缘磨耗集中在轮缘角处。部分车轮踏面外侧出现了沟槽磨耗，为制动过程闸瓦与车轮踏面相互作用所致。拖车车轮镟修频率高于动车，镟后运行里程低于19万km，踏面磨耗的中心区域为-10~10 mm，磨耗量很小，在0.2~0.5 mm。

轮轨接触点对分布分析表明，轮对横移量在3~9 mm范围内时，轮缘根部与钢轨轨距角的R80~R13圆弧过渡区或者R13圆弧接触，导致钢轨接触光带偏向轨距角。轮轨接触应力分析也表明，在轮缘根部及车轮踏面上小曲率接触位置出现明显的应力集中，是导致车轮踏面出现疲劳裂纹的主要原因。为保证轮轨良好的匹配关系，尚需对钢轨轨底坡设置和轮轨踏面优化匹配作进一步研究。

［1］ 陶功权，温泽峰，陆文教，等.不同轨底坡下地铁车辆轮轨型面匹配的静态接触分析［J］.铁道学报，2015（9）：82.

［2］ 张月军，王光兴，陈迅.地铁车轮踏面沟槽磨耗对车辆动力学性能影响的分析［J］.铁道车辆，2013，51（8）：4.

［3］ 黄育斌，钟浩，王文健，等.车轮踏面异常磨耗对轮轨关系影响分析［J］.四川大学学报（工程科学版），2014（S1）：198.

［4］ 李海川.地铁车轮异常磨耗及防止措施与建议［J］.现代城市轨道交通，2007（1）：43.

［5］ 王安斌，王志强，赵振平，等.轨道刚度及谐振阻尼器对钢轨波浪磨耗增长和振动水平的影响［J］.都市快轨交通，2015（1）：105.

Metro Wheel Profile Wear and the Effect on Wheel/Rail Compatibility

CAOHongkai，ZHOUYeming，GUANQinghua，TAOGongquan

Field survey and analysis on the wear characteristics are carried out on one metro line in China.The main wear is located on the flange root and wheel tread area from-25 mm to 30 mm in the lateral direction of wheel profile.For motor wheel with LM32 profile module，the dominant wear occurs in a range of-8～ -4 mm，the maximum wear depth is from 2.5 mm to 4 mm for wheels with the operation mileages from 250 000 to 400 000 km.While for trailer wheel with thin flange LM30 profile module，the main wear concentrates to-10 ～ 10 mm on tread，the wear depth is 0.2 ～ 0.5 mm for wheel with the operation mileage under 190 000 km.Based on the theories of geometrical contact and rolling contact，the wheel/rail profile compatibility is studied，including the static contact point distribution and contact stress under different worn profiles.The root cause of tread crack is also discussed.The concentrated contact between flange root and rail gauge corner tends to shift the contact band to rail gauge corner.The rolling contact fatigue on wheel surface is mainly due to the concentrated contact between wheel and rail with small curvatures，such as the flange root and the field side of tread area.

metro；wheel/rail wear；wheel/rail profile compatibility；tread crack

U270.331+.1

10.16037/j.1007-869x.2017.11.005

First-author′s address CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，266111，Qingdao，China

*国家科技支撑计划项目（2015BAG12B01-16）；中央高校基本科研业务费专项基金资助项目（2682016CX126）

2016-04-25）