摘　要：从主要影响轮轨磨耗的硬度匹配关系入手分析，比较了各型钢轨、车轮的机械性能，并根据国内轮轨的运用情况，最终确定杭州地铁采用ＥＲ９材质的车轮。

关键词：钢轨；车轮；硬度；磨耗

　　

      杭州地铁１号线项目是南车南京浦镇车辆有限公司首次中标的Ｂ型地铁车辆项目，其标书中规定采用符合ＴＢ／Ｔ　２８１７—１９９７《铁路车辆用辗钢整体车轮订货技术条件》的ＣＬ６０车轮，钢轨则采用Ｕ７５Ｖ材质的钢轨。轮轨关系匹配将决定轮轨磨耗量，从而影响今后地铁车辆运营费用及可观的轮轨维护成本，同时对杭州地铁后续线路具有统型意义，车辆供应商、地铁运营公司、轨道建设方都应高度重视，慎重选择。

      基本相同的情况下仅考虑轮轨材质的硬度匹配，且轮轨硬度匹配也是轮轨磨损最主要的影响因素。轮轨硬度不匹配会导致车轮或轨道磨耗严重，需要旋轮、修轨来维护车辆正常运营，既增加了运营维护成本，也给检修工作带来巨大的工作量。但单方面的增加轮或轨的硬度，则轮硬伤轨、轨硬伤轮，都会造成轮轨关系恶化，不利于车辆运行安全和轮轨的全寿命周期成本。因此，选择合理的轮轨硬度匹配会降低轮轨总磨耗量，减少轮轨的修磨。根据长期的轨道车辆运营经验，期望是“多磨轮少磨轨”，这是由于修车轮比修钢轨更容易、更经济，不会影响正常的车辆运行。按使用经验和理论计算，通常认为车轮与钢轨的硬度最佳匹配约在１∶（１．１～１．２）范围之间。

 

      目前国内主要使用的是６０ｋｇ／ｍ钢轨，主要包括Ｕ７１Ｍｎ、Ｕ７５Ｖ、Ｕ７６ＮｂＲＥ３个钢种，其机械性能见表１。其中地铁常用的有Ｕ７１Ｍｎ、Ｕ７５Ｖ２种。从表１中可看出，Ｕ７５Ｖ钢轨比Ｕ７１Ｍｎ钢轨的抗拉强度及硬度都有提高，因此国内各地 铁城市已趋于采 用Ｕ７５Ｖ钢轨。杭州地铁１号线也将采用Ｕ７５Ｖ材质的热轧钢轨，硬度（ＨＢ）范围是２８０～３２０。

 

      由于我国地铁起步较晚，大多数城市地铁列车由国外车辆供应商直接提供或联合国内厂商生产。由于国外供应商采用不同的车轮标准，造成已开通的６座城市（上海、广州、深圳、南京、北京、天津）的２０条地铁线路中，同时在线服役的地铁车轮材质有Ｒ９Ｔ、ＥＲ９、Ｒ８Ｔ、Ｒ７Ｔ、ＥＲ７、ＣＬ６０等６种，其中Ｒ９Ｔ、Ｒ８Ｔ、Ｒ７Ｔ采 用ＵＩＣ８１２—３—１９８４《非合金钢整体车轮技术规范》；ＥＲ９、ＥＲ７采用ＥＮ１３２６２—２００４《欧洲车轮铁路应用　轮对和转向架　车轮　产品要求》；ＣＬ６０采用ＴＢ／Ｔ　２８１７—１９９７《铁路车辆用辗钢整体车轮订货技术条件》。由于Ｒ８Ｔ、Ｒ７Ｔ、ＥＲ７硬度明显偏低，磨损很快，与现有钢轨硬度匹配不够理想，因此以Ｒ９Ｔ、ＥＲ９、ＣＬ６０运用最多，具体运用情况见表２。鉴于目前常用车轮材质运用情况，本文将 着重分 析Ｒ９Ｔ、ＥＲ９、ＣＬ６０材质及其运用的标准，３种材质的力学性能要求见表３。

　   Ｒ９Ｔ和ＥＲ９的化学成分及力学性能要求区别不大，ＥＲ９的Ｓ、Ｐ含量限制得更低，而实际上车轮厂家生产的Ｒ９Ｔ材质也是按照ＥＲ９的成分要求来控制的，从某种意义上来说Ｒ９Ｔ就是ＥＲ９，并且国际铁路联盟ＵＩＣ也在其官方网站发布了标准替代的申明：ＵＩＣ　８１２—３—１９８４从２００６年７月１日起被ＥＮ１３２６２—２００４标准代替。可能由于国内外地铁项目的延续性，目前Ｒ９Ｔ仍在继续使用，因此本文中将Ｒ９Ｔ等同于ＥＲ９，并在今后车轮设计中也将以ＥＮ　１３２６２—２００４标准的ＥＲ９作为基础材质，不再采用ＵＩＣ　８１２—３—１９８４标准的Ｒ９Ｔ。

 

      考虑轮轨硬度匹配需注意：（１）钢轨和车轮在新造出厂时，硬度是在一个允许范围内波动的，这个范围往往较宽以至于同样轮轨的实际硬度会反映出截然不同的匹配特性，因此需要引入硬度标称比值，即轮轨硬度在各自产品标准范围内按生产厂家通常控制区间取值所获得的比值，它在宏观上确定了各自轮轨系统的匹配特性。（２）轮轨新上线时的硬度与下线时的硬度也是不同的，随着轮轨的磨耗，接触面的硬度降低，系统磨耗性能将发生变化，并且轮轨磨耗速度也不相同，导致轮轨后期磨耗与初期磨耗匹配特性大不相同，因此又引入初始硬度比值和终极硬度比值的概念，即分别指新车轮上线和到终极尺寸下线时钢轨与车轮的硬度比值。通过初始硬度比值和终极硬度比值的对比分析，可看出系统中车轮全寿命期的动态磨耗特征，得到一个合适的轮轨匹配系统。

      常用钢轨（Ｕ７１Ｍｎ、Ｕ７５Ｖ，均为热轧轨，即非淬火钢轨）和常用车轮（Ｒ７Ｔ、Ｒ８Ｔ、Ｒ９Ｔ、ＣＬ６０）匹配时，可视化的轮轨初始硬度比值及终极硬度比值的对比分析见图１。从图１中较清楚地看到，Ｕ７１Ｍｎ、Ｕ７５Ｖ钢轨与常用车轮匹配，其硬度比值在０．８３～１．１３之间都能构成一个连续的区段，即对任意车轮而言，２种非淬火钢轨之间的硬度级差分布正适于在此间的配合；Ｕ７１Ｍｎ钢轨与常用车轮匹配多数呈现为磨轨特性，含碳量低的车轮会接近轮轨对等磨损的状态；Ｕ７５Ｖ钢轨与常用车轮匹配，其特性表现为在轮轨对等磨损的中值向两侧展开，含碳量低的车轮向磨轮方向发展，含碳量高的车轮向磨轨方向发展。Ｒ８Ｔ轮轨系统为磨轮型，ＣＬ６０轮轨系统为磨轨型，而Ｒ９Ｔ轮轨系统呈等量对磨状态，Ｒ７Ｔ则超出１．１３的临界点而处于失衡状态。可见，对于同时具有Ｕ７１Ｍｎ、Ｕ７５Ｖ钢轨的地铁城市，Ｒ８Ｔ车轮是硬度匹配最佳的选择；对于普遍采用Ｕ７５Ｖ钢轨的地铁城市，选择强度和硬度都较高的Ｒ９Ｔ车轮是很好的选择。

      车轮和钢轨的各种硬度匹配已在国内多条线路运用。从表２中可以看出轮轨硬度匹配都有变化，以北京地铁为代表的车轮多采用ＣＬ６０材质，钢轨为Ｕ７１Ｍｎ和Ｕ７５Ｖ；以上海、南京、广州地铁为代表的车轮多采用Ｒ９Ｔ材质，钢轨为Ｕ７１Ｍｎ和Ｕ７５Ｖ，并采用热轧处理，硬度（ＨＢ）基本在２８０～３２０之间。各实际线路虽然未做对比来证明轮轨的最佳匹配，但从经验和理论来看，ＣＬ６０车轮（ＨＢ：２７０～３４１）相对Ｕ７５Ｖ钢轨 （ＨＢ：２８０～３２０）硬度偏高，造成磨轨型的轮轨关系的可能性增大，违背地铁运营公司“多磨轮少磨轨”的期望目标；而Ｒ９Ｔ、ＥＲ９材质（ＨＢ：２５５～３１１）更接近轮轨匹配值，与钢轨Ｕ７５Ｖ配合可使车轮在全寿命周期内处在一个较完整的轮轨系统合理低磨耗状态。

 

      从以上分析可以归纳出：（１）ＣＬ６０材质硬度过高，范围不易控制，与钢轨匹配偏硬，造成磨轨的可能性增大，而ＥＲ９材质偏软，与钢轨材质较为匹配；（２）ＥＲ９在国内（南京、上海）已有多条线路成熟运用的经验；（３）杭州地铁采用Ｂ型地铁车辆，和南京、上海地铁的最高运行速度８０ｋｍ／ｈ相同，而南京、上海地铁采用的是Ａ型车辆，载客量大，运营工况比杭州地铁更恶劣，因此采用相同轮轨匹配的杭州地铁在其他条件相同的情况下应比南京、上海等地铁的轮轨磨耗更小。因此，建议杭州地铁转向架的车轮采用ＥＮ１３２６２—２００４标准中的ＥＲ９材质车轮。

 

［１］　严隽耄．车辆工程［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９９１．

［２］　谢振国，李海川．城市轨道交通轮轨匹配及钢轨材质选择［Ｊ］．现代城市轨道交通，２００４，（３）：３５—３７．

［３］　周清跃，刘丰收，朱　梅．轮轨关系中的硬度匹配研究［Ｊ］．中国铁道科学，２００６，（５）：３７—４３．

［４］　马　腾，朱桂兰．热处理钢轨的轨／轮匹配关系研究［Ｊ］．物理测试，１９９９，（５）：３—５．

［５］　ＥＮ　１３２６２—２００４，欧洲车轮铁路应用　轮对和转向架　车轮　产品要求［Ｓ］．

［６］　ＴＢ／Ｔ　２８１７—１９９７，铁路车辆用辗钢整体车轮技术条件［Ｓ］．