陳敏俊

摘 要：車輪是動車組正常運行的關(guān)鍵部件，在對動車組進(jìn)行全面檢查維修時，重視車輪的故障分析，是加強動車組安全風(fēng)險管理的重要舉措。本文對于車輪踏面存在的缺陷進(jìn)行了統(tǒng)計分析，重點討論了車輪踏面剝離原因、檢修標(biāo)準(zhǔn)、缺陷處理并提出了防控措施。

關(guān)鍵詞：CRH3型動車組；車輪故障；原因分析；檢修標(biāo)準(zhǔn)；缺陷處理；防控措施

1 CRH3型動車組車輪故障概況

1.1 車輪故障統(tǒng)計

CRH3型動車組投入運用以來，多次發(fā)生車輪踏面故障。統(tǒng)計上海局南京南動車運用所2014年以來配屬CRH3型動車組運營情況，因輪對缺陷故障導(dǎo)致更換輪對的，共計9起，如表1所示。其中一、二級檢修作業(yè)發(fā)現(xiàn)故障2起，輪輞輪輻探傷（LU）發(fā)現(xiàn)故障2起，鏇修作業(yè)發(fā)現(xiàn)故障5起。同時兩頭車導(dǎo)向輪（01車、00車的1、2位輪）發(fā)生的輪對缺陷故障7起。

表1 2014以來南京南動車運用所輪對缺陷故障換輪情況統(tǒng)計

1.2 車輪缺陷典型故障案例及圖示

以2014年7月9日CRH380CL-5624 輪對踏面缺陷為例，動車組全列運用鏇輪后，00車1軸LU探傷時發(fā)現(xiàn)距踏面3mm深處存在疑似缺陷，且踏面外觀存在可見裂紋，如圖1所示。

圖1 踏面外觀可見裂紋

對該故障車輪再次進(jìn)行鏇修，第一刀鏇修0.7mm后，同一位置處出現(xiàn)2處缺陷，最大處約10x15mm，如圖2所示。

圖2 鏇修后出現(xiàn)的兩處缺陷

第二刀鏇修0.5mm后，原2處缺陷仍存在，同時踏面其他位置出現(xiàn)4處不同程度缺陷，類似缺陷如圖3所示，共計6處。

圖3 鏇修后其他位置出現(xiàn)的缺陷

2 原因分析

車輪踏面剝離是車輛在運用過程中出現(xiàn)的慣性質(zhì)量問題，剝離是指車輪在運用過程中制動熱作用或輪軌接觸疲勞作用而在踏面圓周或部分圓周呈現(xiàn)出的金屬掉塊剝離損傷和魚磷狀或龜紋狀熱裂紋現(xiàn)象。車輪踏面剝離可能發(fā)生在不同型號的機車車輛上，在同一車輛上不同輪對之間可能存在差別。

隨著車輛向高速化方向發(fā)展，剝離現(xiàn)象已成為車輪失效的主要類型，車輪發(fā)生剝離后必須進(jìn)行輪對鏇修或打磨等處理，剝離嚴(yán)重時還需要更換輪對。剝離還影響車輛的行車安全，使列車在運行過程中產(chǎn)生大的振動和沖擊，輪軌接觸面間發(fā)出巨大噪聲，影響乘客乘座舒適性，加速其它走行部件的磨耗損壞，嚴(yán)重時還會破壞軸承，引發(fā)燃軸事故。

結(jié)合上述表1，以及近年來路局其他動車所輪對故障統(tǒng)計，發(fā)生幾率比較大的是頭車第一、二位輪對，其它輪對發(fā)生故障的概率相當(dāng)較小。根據(jù)對上述故障車輪鏇修后殘留痕跡所在區(qū)域以及形狀的分析，初步確認(rèn)該缺陷為滾動接觸疲勞缺陷。

2.1 接觸疲勞剝離

接觸疲勞剝離發(fā)生在車輪踏面整個圓周部位，宏觀可觀察到裂紋，呈現(xiàn)出不規(guī)則的網(wǎng)狀或龜紋狀，沿裂紋處伴有層狀或小塊金屬的的脫落，金相組織形貌特征表現(xiàn)為踏面表層金屬發(fā)生塑性變形，裂紋從踏面萌生并沿塑性變形流線方向發(fā)展。

接觸疲勞剝離形成機理是由于在輪軌接觸面間接觸應(yīng)力作用下，踏面表層金屬發(fā)生塑性變形及疲勞裂紋萌生并擴展的結(jié)果，其中裂紋形成是發(fā)生剝離的必要前提。車輪在鋼軌面上滾動運動時，輪軌之間發(fā)生相互作用，車輪承受機械載荷的作用，輪軌接觸面為彈性變形的橢圓形，此接觸面符合赫茲接觸理論。接觸面上存在由軸重引起的垂向力，在垂向力作用下，輪軌接觸面上產(chǎn)生接觸壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，其中最大剪切應(yīng)力是裂紋萌生和擴展的主要原因。車輪踏面在應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)過程中，材料發(fā)生塑性變形，達(dá)到一定程度后塑性變形區(qū)由于加工硬化作用而不產(chǎn)生新的塑性變形，從而達(dá)到一定穩(wěn)定狀態(tài)。塑性變形層深度與接觸區(qū)應(yīng)力分布和踏面材質(zhì)密切相關(guān)。

缺陷產(chǎn)生于車輪踏面與軌道接觸的滾動圓內(nèi)外50-80mm的區(qū)域。根據(jù)赫茲接觸理論，在車輪和鋼軌的接觸面下4-8mm是最大載荷的受力位置。

2.2 裂紋源

該疲勞缺陷由于有裂紋源，在車輪運行中，裂紋源持續(xù)受力，最終擴展形成。而此類裂紋源可能有以下幾種：

2.2.1 表面裂紋源

由于外部沖擊形成的表面裂紋源：運行中的車輪可能受到某些來自軌道外來物體的沖擊。頭車位置是最容易遭到外來物體沖擊的，對于其它車型發(fā)生的類似缺陷，有80%以上均出現(xiàn)在頭車位置，從而造成表面損壞，這樣有可能在表面產(chǎn)生沖擊坑。進(jìn)而造成在滾動圓的車輪圓度超差，需要說明的是，此類缺陷全部出現(xiàn)在車輪滾動圓上。而由于車輪踏面形狀變化造成特別高的接觸應(yīng)力，在滾動接觸應(yīng)力的作用下，可能導(dǎo)致表面裂紋擴展。

2.2.2 次表面裂紋源

由于外部沖擊造成的次表面裂紋：裂紋也有可能在受到外物的沖擊后，產(chǎn)生次表面疲勞裂紋源，進(jìn)而擴展。而該次表面深度恰恰處于原因分析1中提到的車輪受到最大的滾動接觸疲勞區(qū)域，即表皮下4-8mm，在滾動接觸應(yīng)力的作用下，可能導(dǎo)致次表面裂紋擴展。

2.3 微觀缺陷

在車輪輪輞應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)存在微觀缺陷，例如非金屬夾雜，根據(jù)車輪鋼制造執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，這些微觀缺陷均沒有超過允許存在的1mm當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)在車輪踏面或表層下的某個位置存在夾雜物時，在輪軌接觸應(yīng)力作用下，輪軌接觸面間同樣產(chǎn)生塑性變形，但由于少量夾雜物的脆性和不易變形使塑性變形受到阻礙，因而在塑性變形處產(chǎn)生應(yīng)力集中，故夾雜物區(qū)域應(yīng)力遠(yuǎn)大于無夾雜物區(qū)域。由于應(yīng)力集中的原因，接觸疲勞裂紋極易在夾雜物區(qū)域萌生并發(fā)展，最終導(dǎo)致剝離現(xiàn)象發(fā)生。車輪鋼中脆性夾雜物的存在是隨機的，無規(guī)律可言，此時接觸疲勞剝離一般發(fā)生在車輪踏面的局部位置。綜合分析接觸疲勞剝離的發(fā)生主要與輪軌間接觸應(yīng)力、摩擦力、車輪應(yīng)力集中及車輪材質(zhì)等密切相關(guān)。

3 日常檢修標(biāo)準(zhǔn)

（1）根據(jù)《鐵路動車組運用維修規(guī)程》（鐵總運{2013}158號）內(nèi)CRH3型動車組一、二級檢修限度表，車輪踏面剝離、凹陷的檢修限度為：剝離、凹陷長度≤20mm；剝離、凹陷深度≤0.5mm，面積≤200mm2；剝離、凹陷深度≤0.75mm，面積≤150mm2；剝離、凹陷深度≤1.0mm，面積≤100mm2。

（2）根據(jù)《和諧系列動車組車輪超聲波探傷規(guī)定》（鐵總運{2013}190號）內(nèi)車輪輪輞部位判定標(biāo)準(zhǔn)為：不允許存在達(dá)到Φ3mm橫孔當(dāng)量大小。

4 缺陷處理

一旦發(fā)現(xiàn)此類缺陷，需通過鏇修方式完全消除后方可繼續(xù)運用，同時為保證動車組同轉(zhuǎn)向架、同車等輪徑差滿足要求、避免過度鏇修，應(yīng)合理做好故障輪對的選配。剝離嚴(yán)重不能消除時需更換輪對。

5 防控措施

（1）對于車輪在運用過程中受外力作用而引起的運用疲勞，無法在根本上避免其產(chǎn)生，在日常一、二級檢修中應(yīng)加強踏面外觀的重點檢查，如有異常，則需進(jìn)行進(jìn)一步超聲波檢測。

（2）提升科技保安全的意識。充分利用輪對檢測系統(tǒng)、輪輞輪輻探傷機等科技檢測手段加強動車組車輪的日常及定期檢測。

（3）關(guān)鍵崗位擇優(yōu)安排責(zé)任意識強的作業(yè)人員。針對動車所內(nèi)探傷工、鏇輪工崗位，應(yīng)慎重選撥，有條件的應(yīng)成立以黨員為主的輪軸班組。

（4）結(jié)合車輪故障表現(xiàn)，以及CRH3型動車組運用鏇輪周期（20-25萬公里）同在線輪輞輪輻探傷周期（18-25萬公里）較為重合，建議動車組優(yōu)先安排運用鏇輪作業(yè)，嚴(yán)格按照鏇輪作業(yè)指導(dǎo)書要求，加強鏇修作業(yè)過程中的踏面外觀檢查確認(rèn)，鏇修完畢后再進(jìn)行車輪探傷。

（5）建議動車組頭車導(dǎo)向輪的鏇輪及探傷周期縮短為10萬公里。

（6）開發(fā)新材料，提高車輪抗疲勞剝離的能力。高速列車車輪材料的發(fā)展方向?qū)⒂芍懈咛间撓虻吞己辖鸹姆较虬l(fā)展。

（7）加強出廠車輪的源頭質(zhì)量卡控，杜絕車輪內(nèi)部質(zhì)量缺陷。同時優(yōu)化車輪結(jié)構(gòu)，增強抗疲勞強度，減少車輪應(yīng)力集中，改善加工工藝等都可防止踏面剝離的發(fā)生，提高車輪使用壽命。

6 結(jié)束語

隨著全路高速鐵路、客運專線的相繼開通，上海局配屬的各型動車組數(shù)量不斷增多，車輪缺陷故障隨著輪對走形公里數(shù)的增加將不斷出現(xiàn)，強化動車組車輪的檢修維護(hù)工作顯得尤為重要，掌握車輪缺陷故障產(chǎn)生的機理及防控措施，將進(jìn)一步提高動車組安全風(fēng)險意識，保障動車組運行安全。

參考文獻(xiàn)

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