南京地铁列车车轮踏面非正常磨耗初析

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1、南京地铁列车车轮踏面非正常磨耗初析摘　要　研究了南京地铁列车车轮踏面非正常沟状磨耗的成因。对车轮、钢轨的外形、材质和硬度等进行了测试,分析了轮轨接触和制动磨损的影响,提出了沟状磨耗的原因。测试结果分析表明,该地铁车辆拖车轮踏面上的凹槽磨耗主要是由于在制动施加频度过高、轮轨接触又不均匀的内因作用下产生的。关键词　地铁车辆,轮轨磨耗,踏面磨耗,制动0引言南京地铁自2005年9月开通运行以来,发现轮轨磨耗严重,如:拖车车轮踏面上出现有规律的沟状磨耗,道岔叉心上出现沟状磨损,轮缘和曲线钢轨侧磨等。根据初步观察认为,踏面上的沟状磨耗和道岔叉心上出现沟状磨损与其它地铁系统相比有明显的独

2、特性。因此重点对这两个问题进行研究分析。踏面上的沟状磨耗照片如图1所示。踏面上较深色的部位是沟状磨耗区域,可见一条位于滚动圆附近,另一条位于踏面外侧。道岔叉心沟状磨耗的照片如图2所示,位于左侧轨顶上,长度约70~80mm。据测量的带有沟状磨耗的踏面轮廓线.深度可达2~3mm。为了及时弄清磨耗的成因,分析非正常磨耗对列车运行的安全影响,南京地铁公司及时组织专家进行会诊,成立专题小组,制定了全面而深入的排查方案。1调研方案一般车轮踏面磨损的主要原因:一是轮轨接触磨损;二是制动闸瓦与踏面的滑动磨损。轮轨接触磨损又以在踏面的不同区域滑动程度不同分为滑动摩擦磨损和滚动疲劳伤损。滑动摩

3、擦磨损发生在轮缘部位,与车辆的曲线通过性能有关;而滚动疲劳发生在踏面部位,以横向裂纹、剥离形式出现。当轮轨接触应力过大时,还会发生接触塑性流动磨损[1-2]。气制动引起的磨损往往与气制动压力、气制动的施加程度、气制动作用时的相对运动速度、闸瓦物理特性和踏面的物理特性等因素有关。根据动车踏面无类似于拖车踏面的沟状磨耗这一现象,初步将研究重点放在气制动对踏面的磨损上,同时也对轮轨接触进行调研分析。对于道岔上的沟状磨损主要以测量和轮轨几何接触分析为主。因为没有其它物体与道岔顶面接触的可能性,唯一的可能性就是轮轨的接触引起。根据以上分析,制定了初步调研范围为:轮轨材质分析,轮轨接触

4、分析,闸瓦特性试验,气制动作用调研和轮轨表面硬度测试等。首期测试项目有:①轮轨材质硬度和成份分析;②闸瓦的成份测试和闸瓦的物理特性试验;③拖车和动车踏面外形的测量和轮轨几何匹配模拟;④测量踏面及钢轨的表面硬度及轮轨接触应力分析;⑤测量不同踏面及钢轨的磨损外形及与道岔的几何匹配分析;⑥气电制动的分配比率及制动压力等。2主要测量结果及分析委托上海材料研究所检测中心对轮轨材质进行检测,50kg/m和60kg/m钢轨样本的材质元素成分含量符合表称值范围;轮子样本(CL60)材质的元素也基本符合表称要求,仅铬(Cr)元素的含量为0.090%(表称值为0.13%~0.23%),略低了些

5、。图3和图4为钢轨的硬度分布图,可见钢轨的硬度分布也正常。对线路上的钢轨也进行了表面硬度测试,测试结果表明,曲线外轨顶面硬度较高可达300~310HB左右;轨头圆角处硬度较低,为260HB;轨头内侧面较高,为350HB左右。而曲线内轨顶面硬度均比外轨顶面高,可达330~350HB左右。图5和图6为拖车和动车踏面的表面硬度测试结果。由图5可见,第1测点在轮缘角附近,平均硬度为378HB;第2测点位于一较扁平的下凹的槽内,平均硬度为336HB;第3测点在一凸起的表面上,平均硬度为379HB;第4测点在另一下凹的表面上,平均硬度为318HB。可见第二测点和第四测点的硬度低,都处于

6、下凹的磨耗处。由图6可见,动车踏面上各测点的平均硬度自左到右分别为411HB、370HB、356HB和320HB。轮缘角附近的硬度最大,达411HB,然后呈逐点下降的趋势。被分析闸瓦由德国BECORIT公司制造,编号802D0C1A/C5391213/K3023604,表面有与踏面外形吻合的槽型磨耗。对比试验的闸瓦为上海轨道交通1、2号线使用的国产闸瓦。测试了闸瓦的摩擦系数、冲击强度、弯曲强度、洛氏硬度和密度,物理机械性能测试表明:BECORIT闸瓦的冲击强度较低,摩擦系数变化范围略大,硬度与密度略低一些。微观分析包括热失重、能谱分析和电镜扫描。热失重试验结果显示:BECO

7、RIT闸瓦高温分解后的失重比为63.26%,而MS-510闸瓦高温分解后的失重比为21.8%。可见BECORIT闸瓦的失重比较大。能谱分析的结果表明:BECORIT闸瓦中氧元素的含量很大,说明材料中有大量的金属氧化物,可能是氧化镁;而MS-510闸瓦含氧少,且不含镁。图7为一拖车轮对的左右轮子踏面的外形:轮缘磨耗很小,但踏面上已有可见的凹槽两条;两条之间是一个10mm左右宽度的凸起环,位于横向坐标+20mm处;左右轮踏面外形的磨损规律一致。图8为该拖车踏面外形与一动车踏面外形的比较,拖车踏面外形有两处明显下凹。