上海地铁维护保障有限公司车辆分公司 上海 200237
摘要：对上海地铁18号线某列车出现的间歇性抖动问题进行分析，分析结果为该列车在抖动时存在打滑空转现象。结合现场检查，发现是由于轮缘润滑脂堆积致使车轮发生打滑空转问题。对于如何解决轮缘润滑过量这一问题展开分析，提出了三项解决方案：一是关闭部分列车的轮缘润滑功能；二是改进轮缘润滑脂的喷涂机制；三是更换轮缘润滑方式。并对这三种方案进行优劣分析。
关键词：车轮空转，轮缘润滑，湿式润滑，干式润滑。
Analysis and Improvement of Wheel Creep of Shanghai Metro Line 18
Hong Jun
Vehicle Branch of Shanghai Metro Maintenance Company Limited, 200237
Abstract：The intermittent jitter of a train in Shanghai Metro Line 18 is analyzed. The results show that the train has creep idling phenomenon when jitter occurs. Combined with the field inspection, it was found that the creep and idling of wheel was caused by the accumulation of wheel rim lubrication. The problem of excessive lubrication of wheel rim is analyzed, and three solutions are put forward: The first is to close part of the train flange lubrication function; The second is to improve the rim grease spraying mechanism; The third is to replace the wheel flange lubrication. Finally, analyzed the advantages and disadvantages of these three schemes.
Keyword：Wheel creep, Wheel rim lubrication, wet lubrication, dry lubrication.
引言
轮对作为城轨列车的核心部件之一，其状态直接关系到车辆的运行安全和舒适性。在地铁线路中，曲线路段较多，这就导致轮对轮缘处磨耗速度相对较快，轮对镟轮频繁大多是由于轮缘过薄[1]。为了延长因轮缘磨耗导致的车轮寿命过短[2]，相关技术人员提出使用轮缘润滑的方式来延长车轮使用寿命。
但是，轮缘润滑虽会降低轮缘磨耗速度，但喷涂在轮缘处的润滑脂也给列车运行带来两点安全隐患：一方面，地铁列车的运行环境较为恶劣，轮缘上的润滑脂多会吸附线路上的一些异物，当列车过弯时，轮轨接触会受到吸附在轮缘上的异物影响；另一方面，润滑脂的喷涂量一直无法准确定量，喷涂时机无法准确把控，这些不确定会给列车运行安全带来隐患。
本文以上海地铁18号线的一次车轮打滑空转事件为切入点，分析出导致该车轮空转事件的原因是：踏面处轮缘润滑脂出现了堆积，轮缘润滑脂喷涂过量。就如何解决轮缘润滑脂喷涂过量这一问题，介绍了三种解决轮缘润滑过量的方案，其中包括了一种新型轮缘润滑脂喷涂机制。并且对这三种方案分别进行了优劣分析。
1.问题回溯
2021年3月16日，上海地铁18号线18017#车以FAM（Full Automatic Mode）模式从康桥站出站时，列控反馈列车运行有窜动，速度提升缓慢；当列车继续FAM模式运行至繁荣路后，随车多职能队员将驾驶模式切换至手动模式运行，列车功能正常；运行至终点站后，技术人员登车检查，确认列车功能无异常。
2.问题分析
待列车回库后，通过查看事件记录仪数据，在故障发生时段，存在列车无法有效提速，具体表现为速度曲线在爬升后，如图1所示，图1（a）记录了列车的滑行状态，图1（b）记录了电制动历史数据，由此可见，列车出现了间歇性空转，同时电制动被反复触发，导致列车始终速度曲线缓慢爬升，无法完全匹配信号给出的速度曲线要求。
（b）电制动记录
图1. 滑行时数据展示
该现象可能的原因是列车发生轮对空转，触发防滑系统运行，其运行表现列车加速过程中频繁施加微弱的电制动，与故障反馈中列车轻微窜动的故障表征较为一致。后续对列车走行部关键机械部件（轮对，联轴节，齿轮箱，电机等）的检查中，未发现严重的故障以及踏面损伤。
但是在检查该列车的车轮，踏面及轮缘时，发现有轮缘润滑脂堆积现象，如图2所示，同时在障碍物探测装置上面也发现了部分被甩出的油脂，在对上线运营的所有列车进行普查后发现，上线运营时间稍长的列车在其轮对的轮缘处有或多或少的轮缘润滑脂堆积。因此初步怀疑由于列车各轮对上都有一定的润滑脂堆积，在列车运行过程中碾延至轮对踏面，导致各车有轻微的打滑/空转，从而使得各车速度有微小差异，引起防滑保护系统动作。
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图2. 轮缘润滑脂堆积现象
上海地铁18号线列车的轮缘润滑系统通过采集时间、路程、弯道信号来控制喷油的频率。当列车的运行速度>5km时，直道中每2分钟喷油6秒，弯道中每间隔5秒喷油6秒。如图3所示，当系统获得触发信号时，电磁阀得电接通压缩气源，润滑脂与空气混合并在压缩空气的推动作用下，经喷嘴均匀地喷射到列车轮缘上，润滑脂通过车轮的不断转动，被依次传递至下一轮副，使得车辆的所有轮副都被润滑。
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(1)喷嘴 (2)油箱泵组 (3)控制器 (4)电磁阀 (5)气源
图3. 轮缘润滑系统结构图
上海地铁18号线共有50列车，前10列车配备安装轮缘润滑系统。按照目前的车辆可用状态，上线运行列车中轮缘润滑系统的配置比例相对较高。故此，致使轮缘润滑脂出现喷涂过量的问题。
3.解决方案
上海地铁18号线为了避免轮缘润滑脂过量喷涂而造成的车轮空转问题再次发生。现提出了三种解决方案。
3.1方案一：关闭部分列车轮缘润滑系统
上海地铁18号线将关闭4列车的轮缘润滑系统，保持约20%的轮缘润滑系统配置率（该配置率为全部50列车中有10列装有轮缘润滑系统的设计配置率）。并根据后续列车投入运营的计划，动态进行调整。
该方案虽然可以实现最快速度的解决轮缘润滑脂喷涂过量问题，但该方案无法保证轮缘润滑脂可以有效地减缓轮缘磨耗。轮缘润滑脂的喷涂是一把“双刃剑”，喷涂过量不仅可能会导致车轮打滑/空转，还会增加轮缘上异物的附着量，这对轮对的维护保养影响较大；同样，喷涂过少，该系统无法有效地实现轮缘润滑作用，轮缘没有得到充分地润滑时，当列车在快速通过曲线路段时，会加剧轮缘处的磨损，降低车轮使用寿命，同时还会伴随着车轮啸叫现象发生，影响列车的乘坐舒适性。
3.2方案二：更改轮缘润滑喷涂机制
由于轮对两侧的车轮与车轴均为刚性连接，故两车轮的轮缘不会同时与钢轨接触，即轮缘润滑只需要单侧润滑即可，另一侧的喷涂为过度喷涂。这就需要研究如何确定轮缘润滑脂的喷涂方向。王冬冬[3]就提出基于车辆振动信号判断轮缘润滑脂的喷涂方向，首先，这前提是需要在列车上加装加速度传感器，改造方案较为复杂；另外，当列车低速通过曲线时，振动信号将相当微弱，难以判别润滑方向。本文提出以一种基于轮对侧滚角判别轮缘润滑脂的喷涂方向，可以准确地根据线路和车速条件判别轮缘润滑方向。
为了避免一侧轮缘过度润滑，需制定一套控制逻辑，控制轮缘润滑系统仅在单侧喷涂轮缘润滑脂。根据车轮的侧滚角来判定需要轮缘润滑的方向。具体原理如下：
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图4. 正常轮轨间隙的曲线段轮轨关系
当列车在正常过弯过程中，任意一侧轮缘都不贴靠钢轨时，如图4所示，忽略横向蠕滑力的影响，对轮对构建横向和垂向的动力学方程：
垂向：mz̈i+cpzżi+kpzzi=Ficosβi+Fnisinβi+G (1)
横向：mÿi+cpyẏi+kpyyi=Fisinβi+Fnicosβi (2)
其中：式（1）、（2）中的
图5. LM轮对廓形的等效锥度曲线
列车在高速通过曲线时，如图6所示，轮对会出现较大的向外横移现象，当横向摩擦力和一系悬挂的横向力不足以平衡轮对在曲线上的向心力时，轮对的外侧轮缘与外侧钢轨贴靠，此时仅需要轮缘润滑系统介入降低外侧轮缘与钢轨之间的摩擦损耗。而根据轮对的结构特征，当外侧轮缘与钢轨贴靠时，内侧轮缘与钢轨间隙较大。若在此时，对两侧轮缘同时喷涂轮缘润滑脂，意味着于钢轨接触的外侧轮缘润滑有效，而内侧过度润滑，进而致使内侧轮缘润滑脂流至踏面滚动圆处，长期的累积将导致车轮再次发生空转现象。
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图6.外侧轮缘与钢轨接触时的轮轨关系
若列车以较低速度通过曲线路段时，如图5所示，轮对受重力的影响将向内侧横移一段距离，内侧轮缘与钢轨发生接触摩擦，外侧轮缘与钢轨存在较大的间隙。同理可知，此时仅需要内侧轮缘需要脂润滑，外侧不需要任何润滑措施。
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图7.内侧轮缘与钢轨接触时的轮轨关系
此方案的优势在于：仅需要通过公式计算既有线路的超高角与车速的匹配关系，便可以确定何时需要使用轮缘润滑，以及轮缘润滑脂的喷涂方向，不需要在列车上额外布置任何传感器。但此方案的难点在于需要对全线路的超高角进行测量统计，工作量稍大。
3.3.方案三：更换轮缘润滑方式
现有的轮缘润滑方式主要分为两类，一类是湿式轮缘润滑，另一类是干式轮缘润滑。湿式轮缘润滑主要是润滑油脂喷涂在轮缘上实现作用，而干式轮缘润滑则是借助轮对的横移运动，在轮缘与钢轨接触前，润滑块先与轮缘接触涂抹，保证在轮缘与钢轨接触前就实现了润滑效果，其结构如图8所示。
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图8. 干式轮缘润滑结构示意图
干式轮缘润滑相较于湿式轮缘润滑的优点在于：
（1）湿式轮缘润滑装置需要选用合理的控制方式控制喷油方向、时间和间隔，来保障对轮缘的充分润滑。而干式轮缘润滑结构简单实用，安全可靠，完全不需要电气控制，是由单一机械部件组成的机械式结构[4]。
（2）湿式轮缘润滑装置无法应对轮缘偏磨问题，而干式轮缘润滑方式可调整安装位置来应对轮对出现的不均衡磨耗问题。
（3）润滑油脂中含有极压添加剂（如铝粉、石墨等），虽然可以有效地降低轮轨磨耗量。但由于液态轮缘润滑油存在一定飘洒现象，在环保方面固态轮缘润滑装置略优于液态轮缘润滑装置。
干式轮缘润滑相较于湿式轮缘润滑的缺点在于：
（1）固态轮缘润滑装置的润滑块与轮缘之间相互摩擦，本身也存在一定的噪声，这方面湿式轮缘润滑优于干式轮缘润滑。
（2）就成本而言，干式轮缘润滑与湿式轮缘润滑两者初装车成本相当，但液态轮缘润滑装置的日常使用成本远低于固态轮缘润滑装置[5]。
4.结论
通过上海地铁18号线的车轮空转事件，探究了导致车轮空转的原因是车轮踏面处出现润滑脂堆积问题，进而引发了对解决轮缘润滑过度的思考。
总体来说，解决轮缘润滑过量的方向有三种：减少轮缘润滑脂的喷涂量；控制轮缘润滑的喷涂方向；改变轮缘润滑的方式。从快速临时解决问题的角度出发，可以关闭部分轮缘润滑系统，但该方案治标不治本。若是想从根本上解决该问题，需要解决轮缘润滑脂的喷涂方向，这需要对现有的控制系统进行改写，工作量稍大，但可以从根本上平衡轮缘润滑和轮缘磨耗之间的关系。更换另一种润滑方式也可以作为一种选择，但需要对该方式进行全面的对比权衡。
参考文献
[1] Hiroyuki Sugiyama; Yoshimitsu Tanii; Yoshihiro Suda, et al. Wheel/rail contact geometry on tight radius curved track: simulation and experimental validation[J]. Multibody System Dynamics, 2011, 25(02): 117-130.
[2]王生华. 上海地铁4号线车轮轮缘异常磨耗原因分析及解决措施[J]. 铁道车辆, 2007(06): 32-34+48.
[3]王冬冬, 杨兴宽. 地铁车辆轮缘润滑装置控制系统设计[J]. 铁路技术创新, 2016(06): 110-114.
[4]张学华. 干式润滑技术在钢轨侧面减磨中的效用[J]. 城市轨道交通研究, 2008, 11(06): 50- 52.
[5]杨峰. 城市轨道交通轮缘润滑技术应用对比[J]. 铁路技术创新, 2016(06): 115-117.
收稿日期：2021年4月28日
第一作者：洪钧（1987-），男，汉族，江苏建湖人，本科， E-mail：hongjun@metro.sh.cn