南京地铁4 号线车轮失圆问题分析

李家栋

（南京地铁运营有限责任公司 车辆分公司， 南京 210012）

轮对是转向架中重要的部件之一，也是影响车辆运行安全性的关键部件之一［1］。车轮不圆度将会使车辆产生附加振动、冲击、噪声，影响车辆的平稳性，对列车运行安全造成严重威胁［2］。

南京地铁4 号线列车采用B 型鼓形车体6 辆编组，编组形式为Tc+Mp+M+M+Mp+Tc，最高运行速度100 km/h，采用轮盘制动方式，车轮为整体辗钢车轮，材质为ER9，踏面型式采用了LM 型踏面。

1 车轮失圆问题概况

自2017 年3 月，在检修动调和正线运营中陆续发现部分车辆转向架有明显抖动并伴随节奏性异音。目测检查异常转向架车轮踏面无擦伤、剥离，旋床测量发现普遍存在0.3 mm 及以上的径跳，有的径跳甚至不足0.3 mm，旋修后抖动和异音现象消失。

该线路车轮失圆呈现出以下特点：（1）出现早，且呈爆发态势。055C 车首次旋修时走行里程仅16 634 km，最大径跳为0.45 mm。首次旋轮里程不足75 000 km（约6 个m 的运营里程）达到85辆，占总车辆数48%；（2）大小号车差异性显著，大号车失圆快且多，小号车则较正常；（3）车轮失圆后，转向架振动和噪音状态显著，在不同速度和区段下表现有所差异。

2 车轮失圆特征分析

2.1 大小号车失圆差异性分析

为将车轮失圆研究建立在统一的数据评价基础上，特定义径跳发展率这一概念，径跳发展率是指车轮每走行10 000 km 径跳的增加值（旋修后默认径跳为0）。

收集首轮旋修时的径跳数据，展开对比分析。按车最大值均值是将每列车以辆为单位，每辆车选取最大径跳发展率，同列6 辆车的均值代表该列的最大径跳发展水平如图1 所示。按轮均值是将每列车48 个车轮的径跳发展率取均值。

图1 各车径跳发展率对比

以首轮旋修数据中174 辆车最大径跳发展率为基础，按0.05 mm/万km 设一个等级区间，将所有数据分为4 个等级（<0.05 mm/万km、0.05～0.1 mm/万km、0.1～0.15 mm/万km、≥0.15 mm/万km）。174 辆车中，45 辆径跳发展率<0.05 mm/万km，其中T1-T14 列中有44 辆，占98%；69 辆径跳发展率≥0.1 mm/万km，其中T15-T19 列中有66 辆，占96%。小号车T1-T14 径跳发展率较小，失圆速率慢，而大号车T15-T29 径跳发展率较大，失圆速率快。

2.2 不同轮径下的径跳发展趋势

随着失圆—旋修的周而复始，车轮直径在不断减小，失圆的速率也随之发生了变化。选取T1和T2 两列小号车，轮径自814～838 mm 之间的424组数据，代表小号车径跳发展与轮径的关系，如图2 所示。同时，选取T23 和T24 两列大号车，轮径自810～840 mm 之间的824 组数据，代表大号车径跳发展与轮径的关系，如图3 所示。

图2 小号车径跳发展与轮径变化关系

图3 大号车径跳发展与轮径变化关系

通过对相关数据的整理分析，大、小号车径跳发展率最大值和均值的峰值都出现在830～834 mm之间；大号车在830 mm 以下径跳发展率迅速衰减，825～829 mm 区间的径跳发展率均值（0.035 mm/万km）仅为830～834 mm 区间径跳发展率均值（0.13 mm/万km）的27%；大、小号车在825 mm 以下径跳发展率幅值趋于稳定；820 mm 以下大号车径跳水平与小号车基本持平。

2.3 车轮失圆形貌特征

经实测，车轮径跳分布无明显规则多边形现象，但在低阶（1-10 阶）不圆均处于较高幅值。车轮在旋修后随着走行里程的增加，失圆从局部开始发展，逐步向整个圆周复制，偏心、4-7 阶不圆现象逐渐突出，如图4 所示。

图4 车轮不圆度曲线

3 原因调查及分析

结合4 号线车轮失圆的大小号车差异性、运营中的振动和噪音水平，重点考虑车轮材质和轮轨长期振动的激励作用2 方面的影响。就车轮材质方面而言，轮轨运动是一种滚滑混合的复杂摩擦运动，轮轨之间会持续产生挤压和摩擦。若车轮材质不均，一旦轮轨接触应力过大，就会导致接触塑性流动磨损，而磨损的部分就会出现缺陷，进而出现轮径偏差大的现象。而就轮轨长期振动的激励作用而言，随着车辆的持续运行，车轮踏面状态必然将发生改变，因车轮初始不圆导致的来自轮轨的激励作用也难以避免。在长期高速运营后，将导致车轮在圆周方向长期规则受力出现周期性不圆顺的形变［3］。

3.1 转向架和轮对对调对比分析

大小号车失圆差异性是否与转向架相关，还是单纯与轮对相关？为此，选择将T4 车单数单元转向架与T26 车单数单元转向架整体对调，同时将T4 车双数单元轮对与T26 车双数单元轮对对调，见表1。原T26 轮对装在T4 上，走行约4 万km 即有4 个轮径跳超0.3 mm，1 个轮径跳超0.4 mm。原T4 轮对装在T26 上，走行约7 万km 仅出现1个轮径跳超0.1 mm，约18 万km 未出现径跳超0.3 mm。

表1 T4 与T26 对调后径跳发展统计

数据分析发现：（1）将T4 双数单元轮对与T26双数单元轮对对调，原T4 车轮未在T26 转向架上发生快速失圆，原T26 车轮在T4 转向架上仍然出现了快速的失圆现象，初步证明转向架与失圆差异性无明显关联。（2）大小号车失圆差异性主要与车轮本身相关。T4 原车轮在对调前后径跳发展平稳、缓慢，T26 原车轮在对调前后径跳发展始终处于快速不稳定状态，幅值的显著下降应与2 次数据采集所处的不同轮径状态有关。

3.2 车轮炉号批次和硬度分析

4 号线车轮为国内同一厂家供货，理论上采用的生产工艺、流程均为同一标准，业主和供应商仍从车轮炉号批次和硬度2 个方面展开了深入调查。车轮炉号批次调查发现，29 列车1 392 个车轮，共分20 个不同炉号批次，其中00452、00453、01193、01198、01474、01480、02524、02810、02811 炉号的车轮分布在T1-T10 车上，占比达91.9%；01031、01032、01038、02030、02748、02749、02854 炉号的车轮分布在T19-T29 车上，占比达87.7%。这与大小号车失圆差异性的分布特征有较高吻合度。

随机选取4 列车共计11 个车轮，用便携式布氏硬度计对轮辋外侧面距离倒角约5 mm 位置（单点位）测量硬度，平均值286 HB，最大值298 HB，最小值265 HB，所测硬度符合EN 13262-2004［4］标准中对ER9 车轮硬度的规定。

选取036A 车4 个车轮，对轮辋外侧面距离倒角约5 mm 位置6 个点（圆周分布60°位置）测量硬度，数据见表2，这4 个车轮硬度均值相差不大，每个车轮中6 个点位差值最大的是20 HB，最小的是13 HB。

由文献［5］研究可知，车轮踏面磨耗形貌与车轮踏面表面硬度大小分布有关。由表2 可以看出同一车轮在圆周方向材质的硬度并不均匀，车轮踏面硬度也将随之波动，波动幅值因轮而异。结合大小号车与炉号批次之间的对应吻合现象，可以推测不同炉号批次的热处理对踏面圆周方向硬度控制所得的实际效果有较大差异，很可能是大小号车失圆差异性的主要原因。

表2 轮辋外侧面硬度（圆周方向6 点位） 单位：HB

3.3 轮轨振动特性分析

为调查轮轨振动对失圆造成的影响，联合某国家重点实验室选取T18 车在全线开展了动力学测试，测试结果如下：

4 号线轴箱振动在不同路段频率特性差异较大，在整体道床+ZX2 扣件，50～60 Hz；整体道床+剪切/压缩扣件，30 Hz；钢弹簧浮置板+ZX2 扣件，80 Hz。车轮中存在的多边形使轴箱振动在旋修前存在大量车轮转频倍频，轴箱垂向振动存在大量以车轮转频为间隔的频率带，如图5 所示。

图5 轴箱垂向振动（鸡鸣寺—鼓楼下行）

（1）钢弹簧浮置板道床

轮轨接触时钢轨、道床均存在66 Hz 振动，道床幅值大于轨道，频率更单一，相位滞后于钢轨。轮轨接触后，浮置板中该频率成分依然存在，但在钢轨中迅速衰减，如图6 所示。

图6 钢弹簧浮置板振动特性

（2）整体道床+剪切扣件

车辆通过时，钢轨垂向位移、加速度均为主频65 Hz 左右小幅振动，如图7 所示。对应时刻轴箱加速度此频率不明显，轮轨未发生耦合振动，如图8 所示。

图7 整体道床+剪切扣件振动特性

图8 整体道床+剪切扣件环境下轴箱垂向振动特性

（3）整体道床+压缩扣件

轮轨接触时，钢轨加速度无单一主频，如图9所示，对应时刻轴箱加速度在100 Hz 以下无频率集中，如图10 所示。

图9 整体道床+压缩扣件振动特性

图10 整体道床+压缩扣件环境下轴箱垂向振动特性

（4）整体道床+ZX2 扣件

车轮经过时，钢轨发生58 Hz 浮沉振动，同一时刻轴箱垂向加速度主频58 Hz，轮轨接触瞬间钢轨位移与加速度均达到最大，如图11 所示。此时轮轨接触系统产生同相耦合振动，即P2 模态振动。测试发现当车轮多边形频率与P2 频率接近时，轮轨接触系统产生P2 力共振，导致轴箱加速度幅值放大，如图12 所示。

图11 整体道床+ZX2 扣件振动特性

图12 整体道床+ZX2 扣件环境下轴箱垂向振动特性

经统计，4 号线整体道床+ZX2 扣件全线敷设比例为55.62%，在此类轨道上轮轨间客观存在的低频响应力P2 是4 号线车轮失圆特征频率的主要来源。综上结果并结合运用实践可以看出，同一车轮在不同的轨道区段上振动和噪音水平有较大差异，而在特定轨道区间上形成的P2 力共振，致使轮轨接触应力增大，接触塑性流动磨损加剧，一定程度上加快了车轮失圆的速率，使轮轨关系持续恶化。

4 结束语

（1）4 号线车轮失圆存在明显的大小号车差异。

（2）4 号线车轮失圆大小号车差异性主要取决于车轮本身，与转向架无直接关联。大号车失圆速率随着轮径的减小逐渐趋于稳定，820 mm 以下大号车径跳水平与小号车基本持平。

（3）大号车轮对迅速失圆是因车轮炉号批次品质问题造成，踏面圆周方向硬度不均匀可能是根本原因。可以推测，大号车径跳随轮径的减小而迅速衰减现象，反映出车轮的材质不均在踏面表层表现更为突出，而内里层的均匀性逐渐改善。EN 13262-2004 标准中规定同炉同一热处理批次的车轮硬度波动≤30 HB，据魏苇等［6］对地铁车轮不圆度与硬度分布的研究成果，建议进一步优化相关行业标准，规范车轮名义滚动圆圆周方向上所有点硬度的偏差和离散度控制要求，提高车轮圆周方向及径向踏面硬度的均匀性。

（4）当车轮多边形频率与P2 频率接近时，易激发轮轨接触系统产生P2 力共振，轴箱加速度幅值放大，这种长期的轮轨共振激励一定程度上加速了车轮失圆，同时也迫使转向架振动和噪音加剧。