王玉輝

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲412000）

機(jī)車車輪是鐵路車輛、機(jī)車的重要走行部件。目前隨著鐵路運(yùn)營全面提速，在走行部件上出現(xiàn)的問題也逐漸增多，表現(xiàn)在車輪上的主要問題是踏面剝離現(xiàn)象，占目前車輪各種操作失效比例的絕大多數(shù)［1－4］，給機(jī)車車輛制造部門和現(xiàn)場運(yùn)用部門造成很大損失。車輪踏面剝離是一個比較復(fù)雜的失效種類，導(dǎo)致其剝離的因素很多，無論是車輪材質(zhì)本身，還是運(yùn)用工況的變化或機(jī)車車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面缺陷，均有可能導(dǎo)致剝離現(xiàn)象的產(chǎn)生［5－6］。因此，正確判別剝離失效的特性，找出產(chǎn)生剝離的主要原因，對指導(dǎo)現(xiàn)場進(jìn)行正確的預(yù)防，保證機(jī)車車輛的安全行駛具有重要意義。

1 整體車輪踏面產(chǎn)生剝離的現(xiàn)狀

自2001年4月新造機(jī)車裝用整體車輪以來，無論是SS3B型電力機(jī)車還是DF8B型內(nèi)燃機(jī)車車輪踏面運(yùn)行5～30萬km期間經(jīng)常發(fā)生車輪踏面剝離故障。對49臺SS3B（整體輪）機(jī)車在4個機(jī)務(wù)段、241臺DF8B（整體輪）機(jī)車在10個機(jī)務(wù)段的運(yùn)用中發(fā)生的車輪踏面剝離的狀況進(jìn)行了整理，共發(fā)生147起，其中發(fā)生在機(jī)車1、3、4、6位輪對（即撒沙位）的116起，占78.91%。其中SS3B型機(jī)車49臺中發(fā)生車輪踏面剝離59件，發(fā)生率為20.07%；DF8B型機(jī)車241臺中發(fā)生車輪踏面剝離88件，發(fā)生率為6.09%。

SS3B型（整體輪）3臺機(jī)車在有6‰坡道的運(yùn)用中，發(fā)生車輪踏面剝離2件，發(fā)生率為11.11%；38臺機(jī)車在有12‰坡道的運(yùn)用中，發(fā)生車輪踏面剝離30件，發(fā)生率為13.16%；8臺機(jī)車在有20‰坡道的運(yùn)用中，發(fā)生車輪踏面剝離27件，發(fā)生率為56.26%。對機(jī)車用沙進(jìn)行了查看，發(fā)現(xiàn)粗沙較多，大的有6～7mm、呈不規(guī)則狀，均未按用沙的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

DF3B型（整體輪）119臺機(jī)車在有6‰及以下的坡道運(yùn)用中，發(fā)生車輪踏面剝離21件，發(fā)生率為2.94%。共有6個機(jī)務(wù)段，其中錦州機(jī)務(wù)段共40臺機(jī)車未發(fā)生1起；107臺機(jī)車在有10‰、12‰坡道的運(yùn)用中，發(fā)生車輪踏面剝離22件，發(fā)生率為3.42%。其中在哈密機(jī)務(wù)段55臺機(jī)車只發(fā)生了2起車輪踏面剝離的情況；15臺機(jī)車在有20‰坡道的運(yùn)用中，發(fā)生車輪踏面剝離45件，發(fā)生率為50%。

上述統(tǒng)計(jì)表明，在長大坡道上運(yùn)用的機(jī)車車輪踏面剝離發(fā)生率明顯增高，這是因?yàn)檫\(yùn)用于長大坡道上的機(jī)車牽引時牽引力大，制動時制動力大且頻繁。

2 整體車輪踏面產(chǎn)生剝離的原因分析

2.1 發(fā)生整體車輪踏面剝離頻次的現(xiàn)象

根據(jù)以上的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)車在運(yùn)用中軌道狀況的差異、氣候環(huán)境的不同對車輪踏面剝離的發(fā)生有較大的影響?，F(xiàn)象之一是隨著軌道坡度的加大，車輪踏面剝離發(fā)生的頻次隨之增高，長大坡道更為突出?，F(xiàn)象之二是發(fā)生車輪踏面剝離大多數(shù)在機(jī)車的1、3、4、6位輪對（即有撒沙位的車輪）；現(xiàn)象之三用沙不規(guī)范，沙粒大小不均，發(fā)生的車輪踏面剝離嚴(yán)重且多，用沙較為規(guī)范的幾乎未發(fā)生或發(fā)生的少一些；現(xiàn)象之四整體車輪比分體式車輪的輪箍發(fā)生的踏面剝離要多。

2.2 車輪踏面產(chǎn)生剝離的原因分析

車輪踏面產(chǎn)生的剝離機(jī)理，一般分為疲勞剝離和制動剝離兩種形式。制動剝離是經(jīng)受機(jī)械應(yīng)力反復(fù)作用的結(jié)果，相鄰的熱裂紋之間貫通便引起掉塊［7－9］。

（1）制動的影響

機(jī)車在長大坡道或雨水較多的環(huán)境中運(yùn)行時，為提高機(jī)車黏著牽引力，機(jī)車撒沙頻次隨之增多，車輪、沙、鋼軌在垂向力和牽引力的作用下，車輪踏面和鋼軌表面可能產(chǎn)生微裂紋［9－40］。由于鋼軌面的硬度高于車輪踏面，因此在車輪踏面上產(chǎn)生的微裂紋較鋼軌面上的要多，而坡道運(yùn)行中制動力的作用較為頻繁，輪瓦接觸部位的摩擦產(chǎn)生高熱而可能產(chǎn)生熱裂紋。特別是隨著機(jī)車閘瓦普遍采用合成閘瓦以后，雖然機(jī)車制動力得到增加，但閘瓦散熱能力卻比鑄鐵閘瓦降低、制動時產(chǎn)生的熱能大大增加。在反復(fù)的撒沙和制動的作用下，相鄰的熱裂紋之間貫通便引起掉塊產(chǎn)生車輪踏面剝離。

（2）沙質(zhì)量的影響

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)生在1、3、4、6位的116起占78.91%。撒沙部位的車輪發(fā)生踏面剝離的幾率高，是因?yàn)樯沉？袀虿羵囕喌膸茁矢?，車輪?jīng)沙粒的反復(fù)啃傷或擦傷，加之車輪與鋼軌、閘瓦摩擦力的作用下，使踏面局部產(chǎn)生龜紋狀裂紋，直至沿裂紋處層狀淬裂剝離掉塊。所以用沙的質(zhì)量直接影響到車輪踏面剝離發(fā)生的頻次。

我們對機(jī)車用沙的使用情況進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)用沙的差異較大：如圖1所示為廠部裝車用沙，如圖2所示為某用戶（該用戶處踏面剝離情況最為嚴(yán)重）的用沙圖片，如圖3所示為用戶產(chǎn)生的車輪踏面剝離，如圖4所示為用戶產(chǎn)生的鋼軌被啃傷的圖片。

圖1 廠部新造機(jī)車裝用的沙子

圖2 某用戶機(jī)車 制動用沙

圖3 用戶產(chǎn)生的車輪踏面剝離的狀況

圖4 用戶產(chǎn)生的鋼軌 被啃傷的狀況

由于所用沙粒大的有6～7mm，致使車輪踏面被啃傷，如圖3所示，在圓周產(chǎn)生麻坑狀，不論是車輪與鋼軌的接觸面積還是與閘瓦的接觸面積均減小，摩擦產(chǎn)生的熱量隨之增高，尤其是輪瓦接觸部位的摩擦產(chǎn)生高熱使踏面局部瞬時加熱甚至到車輪鋼相變點(diǎn)溫度以上，隨后冷卻時形成所謂熱機(jī)械作用的馬氏體白層，脆硬的馬氏體白層在輪軌接觸應(yīng)力、熱應(yīng)力和組織應(yīng)力作用下淬裂和脫落，在隨后輪軌接觸應(yīng)力作用下發(fā)展成大面積剝落掉塊。該用戶發(fā)生車輪踏面剝離的發(fā)生率已達(dá)56.25%。

而在哈密機(jī)務(wù)段和錦州機(jī)務(wù)段的用沙相比之下就較為規(guī)范，錦州機(jī)務(wù)段有6‰的坡道，有DF8B型（整體輪）機(jī)車40臺，從2001年至今無1起發(fā)生車輪踏面剝離。在某機(jī)務(wù)段，同樣有6‰的坡道，同樣是DF8B型（整體輪）機(jī)車，而且只有5臺，車輪踏面剝離發(fā)生率達(dá)23.33%。哈密機(jī)務(wù)段有12‰的長大坡道，有DF8B型（整體輪）機(jī)車55臺，從2001年至今只發(fā)生2起車輪踏面剝離，發(fā)生率為0.6%。

機(jī)車制動用沙，大于2mm固然不好，但過小同樣對車輪不利。過大傷及踏面，過小則傷及輪緣，會加劇輪緣的磨耗。沙粒過?。ㄐ∮?.2mm），將隨輪噴脂黏附在車輪輪緣處，形成類似沙輪狀，在機(jī)車過彎道時與鋼軌內(nèi)側(cè)摩擦，一是磨鋼軌、二是磨輪緣。

（3）車輪形式的影響

整體車輪踏面剝離發(fā)生的概率比分體式車輪的輪箍要多，輪箍踏面剝離發(fā)生的比較少，未進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。我們對烏克蘭整體輪踏面的表面硬度進(jìn)行了測試為HB250～300，烏克蘭輪箍踏面HB290～320，整體輪的硬度比輪箍的普遍偏小，由此而產(chǎn)生的被啃傷或擦傷的可能性增大。若車輪踏面的硬度與鋼軌的硬度差異較大的話，尤其是機(jī)車在通過道岔時，道岔的尖軌也可能會啃傷車輪踏面。

另外，機(jī)車運(yùn)行速度，尤其是高速運(yùn)行是否對踏面剝離會產(chǎn)生影響，在此不進(jìn)行討論和分析。

3 防止車輪踏面剝離的措施

（1）對機(jī)車用沙的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范

經(jīng)了解各用戶都有鐵道部機(jī)務(wù)局轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)車用沙相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。與《東風(fēng)8B型內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)用、維護(hù)、保養(yǎng)說明書》中提到機(jī)車上使用的沙子，應(yīng)具有良好的流動性。要求沙子干燥，沒有塵土和塊狀雜物［9］。沙子的粒度應(yīng)在0.5～1mm左右，最細(xì)不宜小于0.2mm，最粗不宜大于2mm的要求大同小異。但多數(shù)用戶單從沙的使用成本考慮，未按機(jī)車用沙標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)施。因用沙不規(guī)范而造成踏面剝離的損失可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)用沙而節(jié)約的成本。如果車輪踏面剝離產(chǎn)生的損失由用戶自行承擔(dān)話，機(jī)車用沙一定會規(guī)范得多。

因此，建議將機(jī)車用沙規(guī)范統(tǒng)一到鐵標(biāo)，使主機(jī)廠、用戶有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，共同實(shí)施、相互監(jiān)督。

（2）主機(jī)廠進(jìn)一步的改進(jìn)工作

為機(jī)車的安全運(yùn)行和防止車輪失效，提高機(jī)車黏著牽引力，減少空轉(zhuǎn)滑行、減少機(jī)車撒沙消耗等方面作為主機(jī)廠有責(zé)任和義務(wù)應(yīng)作進(jìn)一步的改進(jìn)、完善工作。如在機(jī)車結(jié)構(gòu)上采用防空轉(zhuǎn)功能的牽引電機(jī)。

4 結(jié)束語

防止車輪踏面剝離是一個系統(tǒng)工程，產(chǎn)生的原因也是多種多樣的。據(jù)以上分析，機(jī)車整體車輪產(chǎn)生踏面剝離的形式主要是制動剝離，在制動時用沙的不規(guī)范加劇了車輪踏面剝離的發(fā)生。因此不規(guī)范用沙是剝離的主要原因。

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