卞正

地铁列车的空气制动形式一般有踏面制动和盘形制动两种，在客流較小、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，大约在运营三个月内，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因素的影响。

1.1轮轨振动分析

通过镟修前与镟修后的振动频率分析，轴箱振动中50-100Hz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。

图二是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50-100Hz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ZX-2型扣件配合的轨道上最恶劣，主频约55Hz。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

在整体道床与ZX2型扣件的组合中，其振动的主要频率是58Hz左右，车轮多边形频率在55Hz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。

在整体道床与剪切型扣件的组合中，车辆通过时钢轨垂向位移、加速度均为主频为65Hz左右的小幅振动，主要为车轮多边形引起的强迫振动，而对应时刻轴箱加速度上此频率不明显，轮轨未发生耦合振动。

综上可以得出，当车辆运行于整体道床与ZX2扣件配合的轨道时，轮轨接触固有的响应为轴箱垂向振动主频，频率约为58Hz，在此频率下共振十分明显，车辆也因此振动异常。

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。径跳发展率是指每一万公里轮对径跳变化的多少，所以有定义：径跳发展率=两次测量的径跳值之差/公里数（万公里）。经过统计所有列车的历史数据，我们发现平均径跳发展率与轮对的轮径值有明显的正比例关系，如图四所示：

由上述统计结果可以看出来，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825mm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，其结果如图五：

可以发现，硬度较高的上贝氏体都分布在轮对的表面存在，然后统计其他地铁与失圆线路的轮对和钢轨的硬度，其结果下表：

从表一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，更重要地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，下面只从运营维护的角度从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又有轴承问题、悬挂装置问题、管路问题和构架问题。

2.1.1轴承问题

轮对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，因为动态轴承依靠人体是无法感知的，而且一般的振动测试设备也很难在平时运营过程中找到这类故障。对于轴承类故障，主要的方向还是发现问题。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

这里的悬挂主要是一系悬挂的问题，一系悬挂包括垂向减震器和钢弹簧。在发生失圆问题的线路，想要迅速地、准确地、一劳永逸地解决问题是非常困难的，目前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。所以一般在失圆线路减震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震器和钢弹簧的状态。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。除上述主要部件之外，对于二系悬挂中的抗侧滚扭杆的连杆也要尤其注意。一般在线路配备有巡检人员，这是难得的动态检查机会，巡检人员应加强对车下异响的关注度，做到尽早发现故障。

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，在已经运营的线路尤其要注意月检加强检查气管路的状态，利用测漏剂及时检出问题加以处理。

2.1.4其他问题

其他问题就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

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：

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%，这对运营而言时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做出的选择。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。

2.2.1轮径消耗速率的影响因素

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。而我们通过统计发现了一些问题：

图六的具体统计结果在表三中：

从图六可以看出，当轮缘厚度大于32mm时，切削量基本维持不变，在小于32mm时有明显的起伏特征，从上表统计结果中可以看出，当轮缘厚度在28mm至30mm以及31mm至32mm的区间时，镟修切削量明显较高，这刚好与我们镟修模式相对应。

然后再来看一看切削量与径跳值之间的关系：

上面的圖表说明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0.5mm以上，实际上轮对径跳值在0.5mm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LM27，LM27.5，LM29，LM29.5，LM31，LM31.5七种，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越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。

综上所述，车轮失圆的主要原因有：一是部分轨道的固有频率与多边形轮对的频率产生共振;二是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有：一是降低乘客舒适度;二是对转向架部件造成难以预料的不可逆损伤;三是轮对镟修的成本压力。

针对以上研究，失圆问题的对策有：一是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;二是联系车轮厂商，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;三是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;四是研究分析线路运营数据，选择合适的镟修策略，增加镟修经济性以节约成本。