李偉

摘 要：隨著動(dòng)車組向高速化方向發(fā)展，踏面缺陷已成為車輪失效的主要類型，影響行車安全，踏面缺陷主要形式有踏面擦傷和踏面剝離，因?yàn)檫@兩種問題的表觀性狀是非常類似的，所以給對(duì)它們的監(jiān)測(cè)、分析以及區(qū)分等造成了比較大的困難，故在此做出其形成原因的分析和判定以及解決方法。并且可以依據(jù)此方法做好相應(yīng)的監(jiān)測(cè)和應(yīng)急工作，避免造成更大的損失。

關(guān)鍵詞：踏面缺陷 剝離 形成原因 判定方法

中圖分類號(hào)：TU29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）05（c）-0045-03

輪對(duì)是整個(gè)動(dòng)車組走行部的核心，它的缺陷會(huì)影響行車安全。輪對(duì)踏面缺陷是導(dǎo)致其發(fā)生事故的重要原因。近期各路局統(tǒng)計(jì)信息顯示當(dāng)前的形勢(shì)并不樂觀，車輪踏面擦傷、剝離故障相當(dāng)多，從我們各作業(yè)場(chǎng)反饋的車輪故障登記表上可以看出這一點(diǎn)，每列車都有幾輛踏面擦傷或剝離故障，只不過是有的嚴(yán)重，有的輕微，但不管什么程度，我們都要高度重視。文章意圖通過踏面的擦傷和剝離兩種主要失效形式的表面性狀的不同分析它們各自的形成原因，使讀者對(duì)兩種不同失效形式區(qū)別對(duì)待，同時(shí)在今后的工作中對(duì)此予以重視減少其發(fā)生。

1 現(xiàn)狀

隨著時(shí)代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，人們的生活水平在不斷地提高，而我國(guó)的國(guó)民對(duì)當(dāng)前的交通發(fā)展提出了越來越多的要求。當(dāng)前，我國(guó)的鐵路已經(jīng)進(jìn)入了高速的時(shí)代，但是在不斷走向更高速度的過程里面，也暴露了一系列的問題，例如，動(dòng)車組踏面產(chǎn)生了越來越多的問題。踏面缺陷主要為踏面擦傷和剝離。據(jù)研究表明，這樣的踏面問題，會(huì)致使部分車輪無法正常工作，甚至?xí)?duì)動(dòng)車組的舒適性帶來很大的影響。因?yàn)?，這些無法正常工作的車輪會(huì)帶來比較嚴(yán)重的振動(dòng)與噪聲，更嚴(yán)重的還會(huì)讓其他的車輪等元件產(chǎn)生一系列的連帶問題，導(dǎo)致整個(gè)動(dòng)車組的使用年限驟減。針對(duì)這一系列的不良影響，我們?cè)谇袑?shí)保證車體的健康運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，也要做好相應(yīng)的監(jiān)測(cè)和應(yīng)急工作，避免造成更大的損失。

在這幾年統(tǒng)計(jì)的相關(guān)事件里面，大部分都是頭車的車輪損壞而引起的相關(guān)問題。

踏面缺陷主要有踏面擦傷和踏面剝離。因?yàn)檫@兩種問題的表觀性狀是非常類似的，所以給對(duì)它們的監(jiān)測(cè)、分析以及區(qū)分等造成了比較大的困難。

2 擦傷與剝離的區(qū)別與判定

2.1 擦傷的表現(xiàn)形式

擦傷是動(dòng)車組車輪常見的一種問題，在出現(xiàn)這樣的問題的時(shí)候，通常能夠比較明顯地觀察到車輪踏面上所呈現(xiàn)的高亮痕跡，而且具有非常突出的因?yàn)槟Σ炼a(chǎn)生的光滑形態(tài)，具體可見圖1。

2.2 剝離的表現(xiàn)形式

和前者不同，這樣的一種問題一般都是由于加工材料的自身原因而產(chǎn)生的，多為在加工時(shí)由于工藝不恰當(dāng)?shù)仍蛟斐傻臍馀莸葐栴}。剝離發(fā)生的地方常常呈現(xiàn)的是不規(guī)則的粗糙狀態(tài)，因?yàn)閯冸x通常只是局部位置產(chǎn)生的問題，同時(shí)每個(gè)部分所擁有的問題的嚴(yán)重性也不一樣，所以會(huì)呈現(xiàn)出非常不規(guī)則的形態(tài)。具體見圖2。

3 擦傷與剝離的產(chǎn)生原因

3.1 擦傷的產(chǎn)生原因

動(dòng)車在實(shí)際運(yùn)行過程中，受到外界環(huán)境的影響或者是出于自身的實(shí)際需要等因素，都會(huì)使得車體產(chǎn)生不同程度的滑行作用。例如，在制動(dòng)減速的過程里面，雖然車輪及時(shí)地抱死不再旋轉(zhuǎn)，但是車體由于還具有速度所以并不會(huì)即刻停下來，這個(gè)過程里面，主要是通過車輪和軌道之間的滑動(dòng)摩擦力來進(jìn)行車體的減速作用。但是，在滑動(dòng)摩擦力的作用下，必然會(huì)導(dǎo)致車輪和軌道之間互相磨損，導(dǎo)致擦傷的產(chǎn)生。

3.2 剝離的產(chǎn)生原因

和擦傷一樣，剝離的過程也是多產(chǎn)生于制動(dòng)環(huán)節(jié)，但是剝離還有可能在長(zhǎng)時(shí)間的車輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程里面產(chǎn)生。因?yàn)檐囕喸谥苿?dòng)過程里面，由于滑動(dòng)摩擦力的作用，使得兩者之間由于摩擦而產(chǎn)生高熱量，讓本身在加工過程里面由于工藝等原因而產(chǎn)生的氣泡等問題暴露出來，完成車輪強(qiáng)度和剛度的不足，進(jìn)而引起部分區(qū)域被剝離或者出現(xiàn)裂紋等問題。而在長(zhǎng)時(shí)間的車輪作業(yè)過程里面，由于達(dá)到了車輪的疲勞強(qiáng)度，使得材料的性能驟減，也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的局部剝離或者產(chǎn)生裂紋的情況。針對(duì)這兩種完成車輪局部剝離的情況，為了將兩者更好地進(jìn)行研究，國(guó)際上也對(duì)其進(jìn)行了區(qū)分定義。定義具體為，制動(dòng)所產(chǎn)生的相關(guān)問題是剝離，而因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的車輪作業(yè)導(dǎo)致其達(dá)到疲勞強(qiáng)度進(jìn)而產(chǎn)生的問題是剝落?？墒?，由于這兩種情況所造成的實(shí)際影響比較類似，而且通常情況下這兩種形式的問題會(huì)伴隨產(chǎn)生，所以，為了方便對(duì)它們的研究，目前我國(guó)的相關(guān)研究是將其統(tǒng)一進(jìn)行的，并且都命名成剝離。

因?yàn)閯冸x的產(chǎn)生形式多種多樣，而且在這些形式里面更多的都是由于車輪和軌道之間的作業(yè)疲勞而產(chǎn)生的。這樣的問題在出現(xiàn)以后通常能夠直接被觀測(cè)到，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在所發(fā)生的這類問題里面，大部分都是于車輪踏面處產(chǎn)生的。其主要的表現(xiàn)形式就是不規(guī)則的粗糙性狀，多有局部的材料脫開或者裂紋的產(chǎn)生。在實(shí)際運(yùn)行過程里面，由于長(zhǎng)期的車輪作業(yè)，導(dǎo)致踏面材料達(dá)到疲勞強(qiáng)度，進(jìn)而使得材料產(chǎn)生塑型形變，使得其發(fā)生不可逆的變化，多為裂紋的產(chǎn)生。據(jù)了解，隨著強(qiáng)度的不斷提升，導(dǎo)致塑型變形越來越嚴(yán)重，進(jìn)而使得相應(yīng)的裂紋的波及范圍逐漸擴(kuò)張，統(tǒng)計(jì)表明，裂紋的深度通常是處于0.15～3.00 mm。更深入地分析為，當(dāng)車輪和軌道之間進(jìn)行作用的時(shí)候，由于相關(guān)力的不斷作用，最后會(huì)在踏面上出現(xiàn)相應(yīng)的壓應(yīng)力以及較大的剪切應(yīng)力。而在這里面，關(guān)鍵的因素就是剪切應(yīng)力，它能夠產(chǎn)生比較明顯的材料順時(shí)針或者逆時(shí)針方向的相對(duì)位移，最后導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)甚至逐漸地加深。由于車輪踏面在實(shí)際作業(yè)的過程里面，所受到的剪切應(yīng)力等等是不斷地變化的，而且踏面的材料性能由于自身原因，在塑性變形達(dá)到相應(yīng)的情況的時(shí)候就不會(huì)再繼續(xù)地加深，因?yàn)檫@時(shí)材料已經(jīng)發(fā)生了相應(yīng)的硬化。也就是說，材料已經(jīng)處在了一個(gè)比較穩(wěn)定的情況之下。由材料力學(xué)的知識(shí)不難知道，在45°的范圍里面所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力是最大的，也就是說在這樣的一個(gè)角度里面最容易產(chǎn)生相應(yīng)的塑性變形，而且裂紋的產(chǎn)生以及后續(xù)的逐漸擴(kuò)大等等都是在這個(gè)方向上進(jìn)行的。而且，根據(jù)相應(yīng)的文章說明，這類型的裂紋所出現(xiàn)的位置常常是在距離踏面0.6 cm的位置。

同時(shí)，根據(jù)我國(guó)的實(shí)際地理情況表明，更多的鐵道所經(jīng)過的區(qū)域擁有著比較大的曲率半徑，一般情況下都是在300 m以上的。針對(duì)這樣的一種軌道形式，會(huì)更大程度地提高車輪在此區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)的損壞程度，提高了剝離產(chǎn)生的可能性。而且，當(dāng)車體是處在下行的軌道上面的時(shí)候，為了抵抗向下的重力分量，提高對(duì)車體速度的控制，避免產(chǎn)生較大的速度而導(dǎo)致運(yùn)行的危險(xiǎn)，通常情況下，駕駛員需要不斷地采取制動(dòng)的方式來進(jìn)行調(diào)節(jié)。進(jìn)而導(dǎo)致了車輪長(zhǎng)時(shí)間地處在滑動(dòng)摩擦的影響之下，同時(shí)，這樣的反復(fù)作用，還會(huì)導(dǎo)致車輪的疲勞損傷，如此將加劇車輪的踏面剝離程度，不利于維護(hù)車輪踏面的健康運(yùn)行。而且，由于軌道曲率半徑的加大，導(dǎo)致車輪踏面內(nèi)外所受到的剪切應(yīng)力等等呈現(xiàn)差異化的區(qū)分，受到較大的剪切應(yīng)力的內(nèi)側(cè)會(huì)首先產(chǎn)生裂紋等損壞，然后在不斷的持續(xù)作用下，該種類型的損傷會(huì)不斷地?cái)U(kuò)大，導(dǎo)致剝離作用的最終產(chǎn)生。同時(shí)，由于我國(guó)環(huán)境的影響，導(dǎo)致南北氣候差異比較明顯，當(dāng)車體在這樣的環(huán)境下面運(yùn)行的時(shí)候，受到差異化的溫度的交叉作用，也會(huì)很大程度上造成材料的損傷。而且，由于我國(guó)的北方氣溫比較低，當(dāng)雨雪天氣產(chǎn)生的時(shí)候，會(huì)因?yàn)檫@些作用導(dǎo)致車輪打滑，使得其更加容易產(chǎn)生擦傷。而在溫度比較高的南方，則更加容易因?yàn)闇囟容^高，而增加了材料的熱剝離現(xiàn)象，結(jié)合著車輪和軌道之間固有的摩擦熱量，會(huì)加劇剝離現(xiàn)象的出現(xiàn)和擴(kuò)散。

列車在起動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、下坡時(shí)的滑行距離會(huì)隨著列車的加速而增大，從而使得車輪的踏面更加容易產(chǎn)生擦傷并且出現(xiàn)馬氏體相變。在其他條件不變的前提下，摩擦力會(huì)隨著荷載的增加而增加，進(jìn)而會(huì)加快輪對(duì)產(chǎn)生剝離速度。根據(jù)相關(guān)的研究報(bào)告可知：滾動(dòng)接觸疲勞壽命與P0n成正比，取區(qū)間在-118～412之間的值。除此之外，制動(dòng)操作的不規(guī)范也會(huì)加快車輪踏面剝離的發(fā)生。例如有些列車司機(jī)在行駛操作時(shí)，處于自身專業(yè)知識(shí)的限制或者其他方面的影響，往往會(huì)做出不正確地操作。例如在不該制動(dòng)的區(qū)域，駕駛員卻多次使用這樣的操作，導(dǎo)致了摩擦的加劇，提前加速了剝離的出現(xiàn)和擴(kuò)散。

4 減緩車輪踏面剝離和擦傷的措施

（1）研發(fā)更加先進(jìn)的材料處理以及加工方法，提高材料自身的剛度和強(qiáng)度。

（2）發(fā)展更加先進(jìn)的車輪監(jiān)測(cè)方法，及時(shí)地探知?jiǎng)冸x或者擦傷等作用的產(chǎn)生，在使用之前就對(duì)其進(jìn)行預(yù)先探傷作業(yè)，避免使用質(zhì)量不過關(guān)的車輪。而且，還需要對(duì)現(xiàn)有的車體總體布置以及結(jié)構(gòu)組成等等更加深入地進(jìn)行研究，有效地避免集中應(yīng)力的產(chǎn)生，防止出現(xiàn)較大的剪切應(yīng)力，增強(qiáng)車體自身的質(zhì)量。

（3）對(duì)車輪進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，提高在運(yùn)營(yíng)的車輪的健康保障，提高車輪材料的疲勞強(qiáng)度閾值，增強(qiáng)車輪材料的彈性。

（4）改變車輪踏面的形狀，采用磨耗形車輪踏面，保證輪軌間一點(diǎn)接觸，有效降低輪軌的接觸應(yīng)力。研究表明：利用LM類型的車輪能夠獲得更加小的剪切應(yīng)力，有效地避免了裂紋的產(chǎn)生。此外，當(dāng)采用的是耐磨的材料來進(jìn)行車輪踏面的加工的時(shí)候，也能夠很好地幫助減少相應(yīng)的摩擦損傷。在對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生磨損和裂紋的車輪進(jìn)行修理的過程中，要提高修理的工藝，避免二次產(chǎn)生相應(yīng)的問題[7]。

5 結(jié)語

踏面剝離是車輪失效的主要類型，盡管長(zhǎng)期以來許多專家對(duì)此進(jìn)行了深入研究和分析，但并沒有消除剝離現(xiàn)象的存在。作者認(rèn)為：滾動(dòng)接觸疲勞剝離和制動(dòng)剝離是剝離的兩種主要類型，滾動(dòng)接觸疲勞應(yīng)力、制動(dòng)熱作用、熱裂紋和機(jī)械作用是剝離發(fā)生的主要原因所在。只有通過對(duì)剝離現(xiàn)象形成機(jī)理和影響因素的綜合分析，才能在實(shí)際中有效地預(yù)防和減緩車輪剝離現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)前從根本上解決踏面擦傷、剝離的問題還不夠現(xiàn)實(shí)，但可以從減少車輛踏面擦傷、剝離發(fā)生的機(jī)會(huì)和產(chǎn)生后對(duì)車輛方面的影響入手。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹學(xué)軍，李文剛.強(qiáng)化車輪踏面提高踏面剝離能力[J].內(nèi)燃機(jī)車，2002（9）：891.

[2] 張斌，盧觀健.鐵道車輪、輪箍失效分析及傷損圖譜[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010：10-20.

[3] SM Kulkarni，GT Hanhn，CA Rubin，et al.Elasto-plastic FEA of Repeated 3-D EllipticalRolling Contact with Rail Wheel Properties[J].Jouranl of Tribology，1991，113（3）：434-441.

[4] R Lunden.Cracks in Railway Wheels under Rolling Contact Load[C]//10th International Wheelset Congress.1992：101.

[5] 安濤，朱宇宙.車輪接觸型損傷分析[J].馬鋼技術(shù)，1998（3）：17-22.

[6] 周仲榮，謝友柏.摩擦學(xué)設(shè)計(jì)-案例分析及論述[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2000：511-514.

[7] 張祥杰，虞大聯(lián)，宋曉文，等.動(dòng)車組輪對(duì)踏面磨耗實(shí)測(cè)分析[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2014（4）：27-30.