地铁车轮踏面对轮缘异常磨耗的影响与分析.pdf
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1、第2期2 0 2 4年3月N o.2M a r.2 0 2 4运用检修文章编号:2 0 9 7-0 3 6 6(2 0 2 4)0 2-0 0 7 1-0 9 地铁车轮踏面对轮缘异常磨耗的影响与分析胡雅婷,张枝森,宗志祥,葛亦凡,吕 晟(上海地铁维护保障有限公司 车辆分公司,上海 2 0 0 2 3 7)摘 要:针对上海地铁车辆车轮轮缘异常磨耗的问题,以3、4号线列车为例,进行了车轮踏面换型跟踪试验,研究了在不同车轮踏面下,车轮各参数值的磨耗情况。试验结果表明:在LM踏面下的轮缘厚度磨耗值明显小于D I N 5 5 7 3踏面,LM踏面能进一步降低轮缘磨耗。但由于LM踏面接触应力高于D I N
2、 5 5 7 3踏面,因此4号线LM踏面出现了微裂纹情况,但微裂纹深度较浅,未形成踏面剥离,不会影响运营安全以及后期的镟修工作。此研究对列车减少轮缘磨耗以及后期车轮镟修工作具有参考价值。关键词:轮缘磨耗;换型;踏面;车轮镟修;微裂纹中图分类号:U 2 6 0.3 3 1 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-0 3 6 6.2 0 2 4.0 2.0 1 3I n f l u e n c e a n d A n a l y s i s o f A b n o r m a l W e a r o f M e t r o W h e e l T r
3、 e a d o n W h e e l F l a n g eHU Y a t i n g,Z HANG Z h i s e n,Z ONG Z h i x i a n g,G E Y i f a n,L YU S h e n g(V e h i c l e B r a n c h o f S h a n g h a i M e t r o M a i n t e n a n c e C o.,L t d.,S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n g a t t h e p r o b l e m o f
4、 a b n o r m a l w h e e l r i m w e a r o f S h a n g h a i m e t r o v e h i c l e s,t a k i n g t h e t r a i n s o f L i n e 3 a n d L i n e 4 a s e x a m p l e s,t h e w h e e l t r e a d c h a n g e t r a c k i n g t e s t w a s c a r r i e d o u t,a n d t h e w h e e l p a r a m e t e r w e a
5、 r u n d e r d i f f e r e n t w h e e l t r e a d s w a s s t u d i e d.T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e f l a n g e t h i c k n e s s w e a r v a l u e u n d e r LM t r e a d i s o b v i o u s l y s m a l l e r t h a n t h a t u n d e r D I N 5 5 7 3 t r e a d,a n d LM t r e a d c
6、 a n f u r t h e r r e d u c e t h e f l a n g e w e a r.H o w e v e r,b e c a u s e t h e c o n t a c t s t r e s s o f LM t r e a d i s h i g h e r t h a n t h a t o f D I N 5 5 7 3 t r e a d,m i c r o-c r a c k s a p p e a r o n LM t r e a d o f L i n e 4,b u t t h e d e p t h o f m i c r o-c r a
7、 c k s i s s h a l l o w,a n d n o t r e a d p e e l i n g i s f o r m e d,w h i c h w i l l n o t a f f e c t t h e o p e r a t i o n s a f e t y a n d l a t e r r e p a i r w o r k.T h i s s t u d y h a s r e f e r e n c e v a l u e f o r r e d u c i n g w h e e l r i m w e a r a n d l a t e r w h
8、 e e l r e p a i r.K e y w o r d s:w h e e l r i m w e a r;t y p e c h a n g e;t r e a d;w h e e l t w i s t i n g;m i c r o c r a c k收稿日期:2 0 2 3-0 6-0 5第一作者:胡雅婷(1 9 9 4),女,工程师。近年来,上海地铁3、4号线列车的轮缘异常磨耗较为严重,图1为轮缘磨耗现场图,图2为上海地铁轮缘磨耗率。车轮的严重磨耗会加快轮缘磨耗,降低车轮使用寿命,同时会恶化轮轨关系,并加快轨道的磨耗,降低轨道寿命。为缓解轮缘磨耗所带来的危害,国内外很多专家
9、对轮缘磨耗进行了研究并提出了应对措施。程兵1介绍了轮缘润滑系统的工作原理和轮缘磨耗机理,通过对比轮缘润滑系统使用前后轮缘磨耗的情况,对使用效果进行分析,验证了轮缘润滑系统使用的必要性。任德详、黄运华2-3提出了合理的轮轨匹配,可确保车辆具有足够的运行稳定性和曲线通过性能,还可保证轮轨接触点较均匀的分布和较低的接触应力,避免轮轨界面处的非均匀磨耗与疲劳损伤。因此,开展轮轨型面的优化设计是改善轮轨匹配关系、减缓轮缘和轨侧磨耗的有效手段之一。任声泰4研究表明采用轮缘表面喷钼既能够达到传统轮缘润滑的效果,也能够克服传统轮缘润滑的缺点。图1 轮缘磨耗第6 1卷第2期2 0 2 4年3月图2 轮缘磨耗速率
10、 就车轮的踏面形状来说,我国现有的地铁车辆大都采用L M磨耗型踏面,而上海地铁采用的D I N 5 5 7 3踏面现已应用的不多了。这2种不同的踏面与6 0 k g/m钢轨匹配,必然存在轮轨接触几何上的差异,也势必要影响整个车辆的动力学性能和轮轨间的磨耗。因此,本文以上海地铁3、4号线列车为例,利用在2种不同车型上应用2种不同踏面,通过实际测量,获得了正线运营车轮的轮缘高度、轮缘厚度以及轮缘综合值3个参数,利用数据分析方法对轨道交通车辆车轮轮缘数据进行定量研究,从而获得3、4号线主要车轮的主要磨耗特征,分析LM磨耗型踏面与D I N 5 5 7 3踏面对轮缘各参数值的影响,以便在一定程度上对减
11、缓轮缘磨耗具有一定的指导意义5-1 2。1 轮缘磨耗形成机理分析由于锥形踏面的等效锥度较小,轮轨不能保证一点接触,在轮对相对轨道有较大的横向位移和摇头角位移时,轮轨呈现两点接触,如图3所示。这样车轮滚动时,轮缘接触点的相对速度大,接触应力又大,必将使轮缘磨耗增大。图3 轮轨接触点 而磨耗型踏面由于其等效锥度较大,避免了两点接触的情形,改善了机车曲线通过时的导向性能。等效锥度足够大时,转向架前导轴内外车轮踏面上的纵向蠕滑力形成的力偶能帮助转向架沿曲线运行,即曲线通过是蠕滑导向的,在大半径曲线上有可能避免轮缘与钢轨侧面接触,即使轮缘与钢轨接触,较大的等效锥度总能使轮缘力有所减小,并在运用中较长时间
12、地保持其形状和等效锥度增加缓慢,轮轨型线匹配良好,显著降低轮缘及钢轨的磨耗1 3。通过图4和图5中的CHN 6 0钢轨分别与LM踏面和D I N 5 5 7 3踏面的接触关系可知,LM磨耗型踏面和D I N 5 5 7 3踏面与我国6 0 k g/m钢轨匹配时存在明显的差异。D I N 5 5 7 3踏面的等效锥度比LM磨耗型踏面的要小,当轮对横移量为6 mm时,LM型踏面的等效锥度就达到了0.2 5,而D I N 5 5 7 3踏面的等效锥度还不到0.2,等效锥度过小会影响列车曲线通过能力。当轮对横移量为8.5 mm以后开始轮缘接触,等效锥度急剧增大。图4 LM踏面与C H N 6 0钢轨接
13、触关系图5 D I N 5 5 7 3踏面与C H N 6 0钢轨接触关系2 车轮踏面换型跟踪测试及分析2.1 测试方法2 0 2 1年1月2 0 2 1年5月,对上海地铁3号线3 4 8#的0 4 2 8 3 1车、0 4 2 8 4 2车、0 4 2 8 5 3车,4号 线4 5 5#的0 4 0 3 2 7 3车、0 4 0 3 2 6 2车、0 4 0 3 2 5 1车进行车轮踏面更换工作,将原D I N 5 5 7 3踏面更换为LM踏面。27地铁车轮踏面对轮缘异常磨耗的影响与分析 胡雅婷,张枝森,宗志祥,葛亦凡,吕 晟测试车辆的基本信息如表1和表2所示,试验车编号如图6和图7所示。表
14、1 上海地铁3号线测试车辆基本信息车号测试日期公里数/k m0 3 4 82 0 2 0-1 2-1 800 3 4 82 0 2 1-0 1-2 55 0 8 90 3 4 82 0 2 1-0 2-2 21 9 3 1 60 3 4 82 0 2 1-0 3-3 03 0 6 1 90 3 4 82 0 2 1-0 4-1 93 6 6 0 80 3 4 82 0 2 1-0 5-1 44 5 3 8 6表2 上海地铁4号线测试车辆基本信息车号测试日期公里数/k m0 4 5 52 0 2 0-1 2-3 100 4 5 52 0 2 1-0 1-1 92 9 6 30 4 5 52 0
15、2 1-0 2-2 41 5 9 2 90 4 5 52 0 2 1-0 3-1 22 5 8 1 70 4 5 52 0 2 1-0 4-1 03 7 9 8 10 4 5 52 0 2 1-0 5-2 84 8 2 2 4图6 3 4 8#列车轮编号图7 4 5 5#列车轮编号2.2 测试结果与分析2.2.1 3号线车轮踏面换型跟踪测试(1)轮缘各参数值变化情况图8为上海地铁3号线所有车测得的轮缘各参考值变化图,由测试结果可知:轮缘高度基本在2 73 1 mm之间;轮缘厚度基本在2 63 2 mm之间;轮缘Q R基本在71 2 mm之间。(2)LM踏面下各参数值变化情况图9为3 4 8#L
16、M型踏面下的所有测试车轮轮缘尺寸测量结果,图中每个点表示1个车轮的测试结果,点画线则表示该里程下的平均值。由测试结果可知,轮缘高度基本在2 62 8 mm之间,轮缘厚度基本在2 93 1 mm之间,Q R值基本在81 0 mm之间。其中轮缘厚度值呈现先下降后升高的趋势,说明在车轮刚换LM型踏面初期,是车轮与钢轨的磨合期,此时期结束,两者配合较好,轮缘厚度磨损较小。图8 3号线各参数值变化图图9 3 4 8#LM踏面下各参数值变化图37第6 1卷第2期2 0 2 4年3月 (3)2种踏面下各参数对比图1 0为3号 线3 4 8#更 换LM踏 面 后 与 原D I N 5 5 7 3踏面的轮缘各参
17、数值对比图。从图1 0(b)中可以很明显地看出,LM踏面下的轮缘厚度值要大于D I N 5 5 7 3踏面下的,而LM踏面下的轮缘高度与轮缘Q R值要小于D I N 5 5 7 3踏面下的。图1 1、图1 2、图1 3分别为3 4 8#每个车轮的轮缘高度值、轮缘厚度值、轮缘Q R值跟踪测试图。其中,图1 2可以很明显地看出更换LM踏面后,LM踏面的轮缘厚度值都大于D I N 5 5 7 3踏面。由此可以说明,LM踏面能够很好地缓解轮缘磨耗问题,在一定程度上可以改善轮轨关系。图1 0 3 4 8#2种不同踏面下各参数值变化图图1 1 3 4 8#每个车轮轮缘高度跟踪测试图2.2.2 4号线车轮踏
18、面换型跟踪测试(1)轮缘各参数值变化情况图1 4为上海地铁4号线所有车测得的轮缘各参考值变化图,由测试结果可知:轮缘高度基本在2 73 1 mm之间;轮缘厚度基本在2 73 2 mm之间;轮缘Q R基本在81 2 mm之间。4号线的各参数值变化都较为稳定,且数值明显大于3号线。(2)LM踏面下各参数值变化情况图1 5为上海地铁4号线4 5 5#LM型踏面下的所有测试车轮轮缘尺寸的测量结果,图中每个点表示1个车轮的测试结果,点画线则表示该里程下的平均值。由测试结果可知,轮缘高度基本在2 62 7.5 mm之间,轮缘厚度基本在2 9.53 1 mm之间。和3号线一样,轮缘厚度值呈现先下降后升高的趋
19、势,说明在车轮刚换LM型踏面初期,是车轮与钢轨的磨合期,此时期结束,两者配合较好,轮缘厚度磨损较小。(3)2种踏面下各参数对比从图1 6(b)中可以看出车轮踏面为LM型的车轮轮缘厚度磨耗与D I N 5 5 7 3型踏面相差不多,LM型踏面的轮缘厚度值稍高一点。图1 7、图1 8、图1 9分别为4 5 5#每个车轮的轮缘高度值、轮缘厚度值、轮缘Q R值跟踪测试图。其中,图1 8可以很明显地看出更换47地铁车轮踏面对轮缘异常磨耗的影响与分析 胡雅婷,张枝森,宗志祥,葛亦凡,吕 晟LM踏 面 后,LM踏 面 下 的 轮 缘 厚 度 值 都 大 于D I N 5 5 7 3踏面下的。由此可以说明,L
20、M踏面能够很好地缓解轮缘磨耗问题,在一定程度上可以改善轮轨关系。图1 2 3 4 8#每个车轮轮缘厚度跟踪测试图图1 3 3 4 8#每个车轮轮缘Q R跟踪测试图图1 4 4号线各参数值变化图57第6 1卷第2期2 0 2 4年3月图1 5 4 5 5#LM踏面下各参数值变化图图1 6 4 5 5#2种不同踏面下各参数值变化图图1 7 4 5 5#每个车轮轮缘高度跟踪测试图图1 8 4 5 5#每个车轮轮缘厚度跟踪测试图67地铁车轮踏面对轮缘异常磨耗的影响与分析 胡雅婷,张枝森,宗志祥,葛亦凡,吕 晟图1 9 4 5 5#每个车轮轮缘Q R跟踪测试图2.2.3 测试结果图2 0和图2 1为更换
21、前后车轮踏面对比图,从图中可以看出更换过LM踏面的车轮,轮缘磨耗情况明显好于D I N 5 5 7 3踏面。图2 0 2 0 2 0年6月踏面状态 图2 1 2 0 2 1年4月踏面状态 从更换LM踏面后,对轮缘磨耗进行跟踪,发现3、4号线的轮缘磨耗都得到了很好的缓解。图2 2、图2 3中,3、4号线的LM踏面与D I N 5 5 7 3踏面在距离横向位置为负4 0 mm处的垂向位置有明显的区别,LM踏面的垂向位置要小于D I N 5 5 7 3踏面的垂向位置。且3号线D I N 5 5 7 3踏面在距离横向位置为负4 0 mm处的磨耗分布要比4号线的大,说明3号线的磨耗要比4号线的快。根据3
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