引言

伴隨著石德線電氣化改造的完成，石家莊電力機(jī)務(wù)段石太線、石德線長(zhǎng)交路的貫通，機(jī)車牽引噸位的不斷提高，使得機(jī)車輪對(duì)踏面缺陷頻繁發(fā)生。這不僅導(dǎo)致了機(jī)車輪對(duì)需要頻繁地鏇修，浪費(fèi)大量的人力、物力，更易引起為機(jī)車的運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。本文通過(guò)分析機(jī)車輪對(duì)踏面缺陷形成的原因，提出了一些改善措施，通過(guò)多種方法進(jìn)行改善輪對(duì)的工作條件，減少輪對(duì)踏面剝離的現(xiàn)象，保證機(jī)車運(yùn)行的安全。

1、問(wèn)題的提出

2011年石德線電氣化改造的完成后，將石太線交路延伸至了濟(jì)南、青島，自此，石家莊電力機(jī)務(wù)段的韶山4型電力機(jī)車開始擔(dān)當(dāng)了更長(zhǎng)的交路運(yùn)行。調(diào)整后，不僅交路得到了延伸，機(jī)車牽引重量也大大提高，其中石太線上行5000噸、下行4200噸，石濟(jì)線5000噸，石聊線6000噸。隨之而來(lái)的，是機(jī)車輪對(duì)的工作環(huán)境進(jìn)一步惡化，不僅輪緣踏面磨耗加劇，而且輪對(duì)踏面缺陷現(xiàn)象頻發(fā)，其中2011年全年，因踏面缺陷鏇修機(jī)車44臺(tái)次，占到全年總鏇修臺(tái)數(shù)144臺(tái)次的30.6%。而在10月份交路、牽引噸位調(diào)整后發(fā)生的踏面缺陷為20臺(tái)次，占全年踏面缺陷臺(tái)數(shù)的45.5%。而2012年全年，因踏面缺陷鏇修機(jī)車78臺(tái)次，占全年總鏇修臺(tái)數(shù)189臺(tái)次的41.3%?？梢?jiàn)交路、牽引噸位的調(diào)整對(duì)機(jī)車輪對(duì)踏面質(zhì)量的影響十分明顯。

2、原因分析與改進(jìn)措施

常見(jiàn)的踏面缺陷主要有踏面裂紋、踏面擦傷和踏面剝離等。下面就造成輪對(duì)踏面缺陷主要類型的原因進(jìn)行分析。

2.1踏面裂紋。踏面裂紋主要是由制動(dòng)熱裂紋形成。當(dāng)車輪被強(qiáng)烈制動(dòng)時(shí)，其輪輞踏面表層因摩擦形成一受熱層，由于受熱層的熱膨脹受到輪輞冷金屬基體的約束，在受熱層內(nèi)會(huì)形成周向壓縮應(yīng)力。隨著制動(dòng)過(guò)程中車輪受熱層溫度升高，形成的周向壓應(yīng)力之和達(dá)到車輪鋼的屈服極限而使受熱層局部產(chǎn)生塑性變形，從而使受熱層周向壓縮應(yīng)力松弛。其后隨著摩擦力降低，受熱層冷卻，在受熱層內(nèi)產(chǎn)生了周向拉應(yīng)力，以后的每次制動(dòng)都將重復(fù)受熱層由周向拉應(yīng)力下降→發(fā)生塑性變形→周向拉應(yīng)力這一循環(huán)過(guò)程，經(jīng)較少周次的循環(huán)后就會(huì)萌生疲勞裂紋。踏面下區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)決定了裂紋擴(kuò)展的最終結(jié)果，熱裂紋發(fā)展可歸納為兩種形態(tài)：1.由于劇烈制動(dòng)的時(shí)間短促，因此發(fā)熱影響層深度很淺且小于加工硬化層，當(dāng)熱裂紋垂直發(fā)展到加工硬化層內(nèi)時(shí)，其尖端受到加工硬化層壓應(yīng)力所封閉而不再沿車輪徑向發(fā)展，見(jiàn)圖1（a）2.發(fā)生熱裂紋車輪在與鋼軌滾動(dòng)接觸應(yīng)力（剪切應(yīng)力）作用下，機(jī)械疲勞裂紋從熱裂紋尖端產(chǎn)生，并與踏面呈一定傾角擴(kuò)展，當(dāng)疲勞裂紋互相接觸時(shí)，就形成踏面掉塊，見(jiàn)圖1（b）。

圖1

2.2踏面剝離

踏面剝離一般發(fā)生在踏面閘瓦制動(dòng)的車輪上。踏面制動(dòng)時(shí)，輪瓦接觸部位的磨擦產(chǎn)生高熱使踏面局部瞬時(shí)加熱到相變點(diǎn)溫度以上，隨后冷卻時(shí)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)力作用下極易碎裂和薄片狀脫落，在隨后輪軌接觸應(yīng)力作用下，將發(fā)展成為大面積剝落掉塊。如圖2所示。輪輞經(jīng)熱處理后沿輪輞圓周方向?qū)a(chǎn)生壓縮應(yīng)力，周向殘余壓應(yīng)力可以減緩或抑制踏面上疲勞裂紋沿徑向擴(kuò)展。因此，當(dāng)車輪、輪箍踏面出現(xiàn)較淺的熱影響層時(shí)，輪輞仍為殘余壓應(yīng)力狀態(tài)，產(chǎn)生于馬氏體白層處的裂紋的擴(kuò)展主要受輪軌接觸應(yīng)力控制，疲勞裂紋擴(kuò)展方向逐漸傾斜和轉(zhuǎn)向到平行于踏面，導(dǎo)致形成剝離掉塊傷損。由于石太線、石德線最大坡度達(dá)到20‰，且多處為大坡度線路，加上相對(duì)線路調(diào)整前的牽引重量大幅提升，使得這種缺陷目前較為普遍。

2.3擦傷。如果在運(yùn)行期間發(fā)生車輪鎖定，則輪軌原先較小的接觸表面由于滑行摩擦而遭磨損呈橢圓狀，并且接觸表面擴(kuò)大（在新的輪、軌斷面上橢圓表面的長(zhǎng)軸為3～8mm）。隨著車輪在鋼軌上滑動(dòng)，就會(huì)發(fā)熱，而導(dǎo)致整個(gè)車輪輪輞上滑動(dòng)部位周圍區(qū)域受熱并發(fā)生組織上的變化，產(chǎn)生馬氏體，由于馬氏體的硬脆性，隨著車輪的滾動(dòng)，馬氏體部位極易碎裂、剝落，而導(dǎo)致車輪踏面損傷，這種損傷我們稱之為擦傷。

車輪、輪箍擦傷的出現(xiàn)是由于在停車或緊急制動(dòng)時(shí)，由于輪軌間劇烈摩擦使踏面形成近似于橢圓形的傷痕。摩擦產(chǎn)生的高溫使踏面金屬組織變硬變脆。在列車荷載多次作用下，較淺的擦傷可能由于與鋼軌磨耗而消失，較深或多次重復(fù)擦傷可能發(fā)展成為踏面剝落。

3.改進(jìn)措施

根據(jù)對(duì)以上各種常見(jiàn)踏面缺陷的形成原因的分析，建議采取以下幾點(diǎn)改進(jìn)措施：1）調(diào)整制動(dòng)工況或改踏面制動(dòng)為非踏面制動(dòng)（如盤式制動(dòng)等）。車輪熱裂紋的產(chǎn)生與制動(dòng)工況好壞有直接關(guān)系，因此在防止熱裂紋產(chǎn)生或熱裂紋已經(jīng)產(chǎn)生時(shí)，盡量避免使用與踏面接觸的制動(dòng)方式。2）改進(jìn)閘瓦的材質(zhì)，使車輪踏面散熱良好。合成閘瓦的使用對(duì)踏面制動(dòng)車輪會(huì)施加更為沉重的熱負(fù)荷，這是由于合成閘瓦的導(dǎo)熱性比鑄鐵閘瓦差。3）增大閘瓦與車輪踏面接觸面積，使用雙側(cè)制動(dòng)閘瓦。雙側(cè)制動(dòng)閘瓦，即在車輪滾動(dòng)方向的前后側(cè)各布置一副閘瓦，將制動(dòng)力分布在更大的接觸面積后，可以有效降低因摩擦產(chǎn)生的溫升。4）加強(qiáng)乘務(wù)員作業(yè)技術(shù)培訓(xùn)。盡量減少使用機(jī)械制動(dòng)，優(yōu)化作業(yè)過(guò)程，減少擦傷出現(xiàn)的幾率。

4、結(jié)束語(yǔ)

本文給出了機(jī)車輪對(duì)踏面缺陷的常見(jiàn)原因，同時(shí)本文針對(duì)產(chǎn)生輪對(duì)踏面缺陷產(chǎn)生的原因提供了一些減少輪對(duì)踏面缺陷的措施。另外，必須注意的是輪對(duì)踏面缺陷如果不能及時(shí)進(jìn)行消除這些缺陷，會(huì)隨著機(jī)車的運(yùn)用而不斷發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生輞裂、崩箍等涉及運(yùn)用安全的危害。因此，在發(fā)現(xiàn)輪對(duì)踏面缺陷后，應(yīng)及時(shí)采取恰當(dāng)措施對(duì)踏面狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù)，必要時(shí)，對(duì)輪對(duì)進(jìn)行超聲波探傷，確保輪對(duì)內(nèi)部狀態(tài)良好。