地铁列车轮对失圆问题分析以及应对策略

卞 正，丁亦丰

（南京地铁运营有限责任公司，江苏 南京 210039）

地铁列车的空气制动形式一般有踏面制动和盘形制动2 种，在客流较小、站间距较长的线路，地铁车辆的运行速度较快，一般采用盘形制动。从目前的地铁车辆运用经验来看，使用盘形制动的列车更容易产生轮对失圆问题。轮对失圆就是指轮对在短期运营后产生了较高的轮对径向跳动，这种径跳使得轮对成为不规则的多边形，根据多边形的边数，可以分为高阶多边形与低阶多边形。

1 轮对失圆原因的探索

南京地铁首次发现轮对失圆是在四号线的列车上，大约在运营3 个月内，初次镟修就发现轮对的径跳值非常大。随着对不同列车的测量，发现轮对失圆影响的列车众多，而且径跳值都远远超出轮对镟修标准。为了找出造成轮对失圆的原因，开始研究各方面可能的影响因素。

1.1 轮轨振动分析

如图1 所示，同一个轴箱的振动频率在镟修前后明显不同，对振动频率分析，轴箱振动中50～100 Hz能量带为其固有频率，这可能来自轨下或者轴箱。而多边形车轮使轴箱振动在镟修前存在大量车轮转频倍频，这些倍频与轴箱的固有频率带共振而成为轴箱垂向的振动主频。

图1 轮对镟修前后的振动对比

而车轮在镟修前与镟修后在不同区段上的振动表现，从振动频谱来看，镟修后的轮对，也就是消除了多边形影响后，轮对轴箱振动中50～100 Hz 的固有频率能量带在不同形式的轨道板上存在差异，这说明该能量带是来自于轨道。

从振动测试结果看，该特征频带内轴箱的振动在普通道床与ZX2 型扣件配合的轨道上最恶劣，主频约55 Hz。该特征频率带在不同速度下、不同路段内以不同阶次的转频倍频为主频，说明该振动并非由车轮失圆单一元素造成，而是车轮失圆与轴箱固有频率带的共振所致。

1.2 不同轨道下轮轨接触P2 力响应

通过测量不同轨道道床和扣件条件下的列车振动，发现在整体道床与ZX2 型扣件的组合中，其振动的主要频率是58 Hz 左右，车轮多边形频率在55 Hz左右，两者频率接近，轮轨接触系统产生P2 力共振，这也导致轴箱振动能量放大。不同道床和扣件组合下的钢轨振动分析如图2 所示。

图2 不同道床和扣件组合下的钢轨振动分析

1.3 运营数据统计分析

为了更好地评价轮对失圆的速率，在运营数据统计中，采用径跳发展率作为主要的评价指标。径跳发展率是指每1万km轮对径跳变化的多少，所以有定义：径跳发展率=2 次测量的径跳值之差/千米数（万km）。经过统计所有列车的历史数据，可以发现平均径跳发展率的大小与轮径有着明显的关联性。随着轮径的减小，径跳发展率迅速下降（平均值能达到90%左右），并且在轮径值降低至825 mm 之后，径跳发展率趋于平稳，变化幅度明显减小。

1.4 轮对材质的影响

为了找出失圆的根本原因，对发生失圆的轮对进行了金相组织分析。最终发现，硬度较高的上贝氏体都分布在轮对的表面，然后统了其他地铁与失圆线路的轮对和钢轨的硬度，其结果如表1 所示。

表1 失圆和未发生失圆项目的钢轨轮对硬度测量统计

从表1 的有限统计结果来看，在轮对的标准硬度范围内，取其下限比取其上限要更好，也就是轮对材质越软对控制轮对失圆来说越好。

2 轮对失圆带来的实际问题与应对策略

轮对失圆带来的问题有很多，其中较为突出的问题就是列车振动问题和为了消除失圆过度镟修导致轮对过快消耗的问题，而列车振动不仅仅带来乘客的乘坐舒适度的降低，更重要的是这种振动有强大的破坏力，对转向架的轴承、悬挂装置、管路和构架都会造成不可逆的损伤。从线路的维护经验来看，这种破坏性的问题是最难以预防和处理的，下面只从运营维护角度的几个方面浅谈这些问题的应对措施。

2.1 失圆振动造成的次生问题的预防和处理

轮对失圆的次生问题是一个大类，其中转向架方面主要有轴承问题、悬挂装置问题、气管路问题以及其他问题。

2.1.1 轴承问题

轴承的问题由于其隐蔽性，实际上很难在平时的检修作业中被发现，对于轴承类故障，主要的方向还是希望能够及时发现问题。轮对轴承的日常检修，只需要关注轴承的油脂和温度是否异常之类的常规检查即可，想要达到早发现、早处理，必须借助于声学轴承检测设备。

目前的轨旁声学检测设备已经达到了比较可靠的水平，经过匹配相应的特征频率，声学设备的检测准确率能在90%以上。然后根据检测结果再进行振动复测，基本上可以在轴承发生问题的前期将隐患消灭。

2.1.2 悬挂装置

悬挂主要是一系悬挂的问题，一系悬挂包括垂向减振器和钢弹簧。在发生失圆问题的线路，想要迅速地、一劳永逸地解决问题是非常困难的，主要方法还是依靠镟修保持轮对廓形。但是镟修还需要考虑列车数量以及经济性的问题，它无法完全解决问题，只能减小失圆的影响。一般在失圆线路减振器的渗油问题十分严重，甚至容易发生垂减的断裂。在无法避免此类的问题的前提下，检修人员必须十分关注减振器和钢弹簧的状态。车辆检修应在月修规程中要求检修人员必须对悬挂装置进行触摸检查，防止出现减震器断裂而未发现的问题。

2.1.3 气管路问题

振动的影响无处不在，气管路是深受其害。气管路的接头处比较脆弱，一些接头在出厂连接时由于安装位置的问题，在连接螺母的边缘常常存在较高的应力集中，振动放大了这些应力的影响，时间一长容易造成管路崩断或者裂纹漏气。这在很多地铁线路都出现过，预防这些问题除了要在设计时加强防护意识，在已运营的线路月检时要加强力度检查气管路的状态，利用测漏剂及时检出问题加以处理。

2.1.4 其他问题

主要是失圆对转向架上其他部件的问题，例如构架。按照设计寿命，构架实际上不容易出现问题，但是轮对失圆会明显加速疲劳过程，使得曾经不需要花费很多精力的地方必须加强检查力度，以求在问题发生的早期发现它。还有一些挂载信号设备的横梁、悬挂臂之类，由于设备在横梁中间或者悬挂臂的端部，其振动会明显加速端部的疲劳。在没有失圆影响时，按照设计要求其强度是合理的，但是当失圆放大了振动，并且长期放大这种振动时，材料的强度将受到很大的考验。

2.2 轮对过快消耗的问题分析

发生失圆的线路一般轮轨关系较差，又因为失圆需要长期进行镟修修形，所以失圆线路的列车轮对消耗速率非常快，笔者做过一些统计，如表2 所示。

表2 失圆造成的轮径消耗速率与正常轮径消耗速率对比

可以发现，失圆线路的轮径消耗速率可以达到正常线路的2.5 倍，相对而言，失圆线路的轮对寿命只有正常线路的40%，这对运营而言是一笔很高的成本支出。但是镟修又是必须的，否则列车振动将会带来更加难以预料的后果。所以，研究镟修策略就非常有必要了，这是在既定条件下必须作出的选择。一般正常的线路镟修策略是故障镟修，在发生失圆的线路，为了保证线路运营质量以及缓解人员和设备的集中压力，计划镟修是值得考虑的选项。

一些地铁的镟修模式采用的是早期的铁路标准，镟床的镟修模式只有LM26、LM28、LM30、LM32 几种偶数型。而通过统计发现当轮缘厚度大于32 mm 时，切削量基本维持不变，轮缘厚度在28～30 mm 以及31～32 mm 的区间时，镟修切削量明显较高，这刚好与我们的镟修模式相对应。

然后统计切削量与径跳值之间的关系，发现较大的径跳带来了较大的切削，但是由于径跳变化导致切削增加的阈值在0.5 mm 以上，实际上轮对径跳值在0.5 mm 之前大部分已经被镟修修复。所以综上可以得出，我们的镟修模式对轮对轮径消耗有较大的影响。

铁路的轮对镟修标准近年也进行了更新，踏面廓形增加了 6 种，分别为 LM27、LM27.5、LM29、LM29.5、LM31、LM31.5，这也为地铁探索经济型镟修提供了依据。这项工作在失圆发生的早期能体现出优越的经济性，在失圆后期，由于径跳发展率趋于平稳，其能利用的空间逐渐收窄，经济性将显著降低。在开展一段时间的经济性镟修后，能明显减少因适应镟修模式造成的无效镟修，这为地铁运营节约了成本。

3 总结

列车车轮失圆的主要原因：①部分轨道的固有频率与多边形轮对的频率产生共振；②轮饼的硬度选择偏向上限，造成硬度偏高，不利于失圆控制。失圆造成的主要问题：①降低乘客舒适度；②对转向架部件造成难以预料的不可逆损伤；③轮对镟修的成本压力增加。针对以上问题的分析，失圆问题出现后的对策：①新线建设时要综合考虑轮轨耦合振动的特性，选择适合的轨道扣件，并且电客车可以选配轮对踏面清扫装置，利用研磨子对轮对修形；②联系车轮厂商，研究并控制车轮中有害材质的含量和分布，增加车轮原胚尺寸以获得性能更好的轮饼；③运营需要加强对转向架系统的各类部件的检查，引进先进设备，对部件的隐患进行扫除，如走行部监测系统、轨旁的轴承声学监测系统等；④研究分析线路运营数据，选择合适的镟修策略，尤其是增加镟修廓形选择可以提高镟修经济性。