馬全軍　屈春華

摘 要：本文對機車車輪踏面剝離的主要類型和機理進行了論述，介紹了影響剝離的因素，并提出了減緩車輪踏面剝離的措施。

關(guān)鍵詞：機車；車輪；踏面剝離；改進辦法

中圖分類號：U264 文獻標識碼：A

0.前言

為了快速提升神朔鐵路線的運量，滿足公司大運量的需求，神朔鐵路機務(wù)段自2013年2月起陸續(xù)配屬76臺南車株洲電力機車機車有限公司新造的HXD1型機車，擔當大柳塔至神池南煤轉(zhuǎn)線牽引任務(wù)，最高運行速度85km/h。當機車運行不到3萬km時，即出現(xiàn)車輪踏面剝離現(xiàn)象。其發(fā)生剝離的頻次遠遠高于同區(qū)段運用的SS4型機車，嚴重影響了輪對使用壽命。HXD1型車輪為整體輪，由于本機務(wù)段不具備整機車輪對檢修能力，當該型機車輪徑到限后必須要委外維修，其成本高，周期較長，而且存在嚴重的安全隱患。因此，急切需要解決該型機車車輪踏面剝離的問題。

1.輪對踏面剝離情況

HXD1型機車在本機務(wù)段自投入運用以來，輪對暴露出的主要故障是踏面剝離嚴重，同時振動大。具統(tǒng)計，自2013年～2014年間，我段首批上線的43臺HXD1型機車共發(fā)生31臺次踏面剝離故障，占運用HXD1機車總臺數(shù)的72.1%，其中8臺機車有4條輪對踏面剝離最嚴重，在鏇修過程中出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，不僅多處剝離掉塊且掉塊面積和深度嚴重，最大一處為長20mm、寬13mm、深8mm的剝離。單邊鏇修10mm仍然無法消除裂紋。因鏇削量過大，為了匹配，保證減少其他輪對的鏇修量，而只能選擇更換該輪對。

以下是更換輪對統(tǒng)計：車號7016#軸位A2發(fā)生在2013年7月30日，公里數(shù)18548；車號7016#軸位A4發(fā)生在2013年8月1日，公里數(shù)18548；車號7036#軸位B3發(fā)生在2013年9月4日，公里數(shù)25436；車號7035#軸位A2發(fā)生在2013年9月8日，公里數(shù)26680。

2.車輪踏面剝離主要類型及其形成機理

對于不同的機車、不同的車輪（材質(zhì)、結(jié)構(gòu)）以及不同的使用條件，車輪剝離、擦傷的表現(xiàn)形態(tài)也不一樣。在神朔鐵路機務(wù)段機車實際運用中，還有其他多種踏面剝離現(xiàn)象不屬于下面3種剝離類型之中。

2.1 擦傷剝離

擦傷剝離是由于車輪在鋼軌上嚴重滑行造成，圖1所示為我段神華號HXD1機車7038#B節(jié)1軸、4軸在神南出現(xiàn)的車輪剝離現(xiàn)象，其為典型的車輪擦傷剝離，表現(xiàn)為擦傷深度大、長度長、對車輪損傷較大的特點。

2.2 制動剝離

制動剝離是制動過程中在踏面表層形成脆硬馬氏體白層和熱裂紋的結(jié)果。對于采用閘瓦踏面制動方式的機車車輪，制動過程中踏面和閘瓦接觸部位因滑動摩擦產(chǎn)生高熱能，隨后在空氣中迅速冷卻形成薄的馬氏體白層。脆硬的馬氏體白層在輪軌接觸應(yīng)力、摩擦力、垂向力、熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的反復作用下極易發(fā)生碎裂，裂紋層刻度尺紋狀，最終貫通形成剝離。

2.3 接觸疲勞剝離

接觸疲勞剝離是由于輪軌接觸面在輪軌接觸應(yīng)力作用下，車輪踏面表層金屬塑性變形及疲勞裂紋萌生和發(fā)展的破壞方式。踏面塑性變形層的深度與輪軌接觸應(yīng)力及材質(zhì)強度有關(guān)，當輪軌接觸應(yīng)力超過材質(zhì)的接觸疲勞強度時，疲勞裂紋在變形層表面同時或先后萌生，同時沿變形流線方向向深處發(fā)展。當踏面磨耗速率小于疲勞裂紋擴展速率時，則會在踏面形成疲勞剝離裂紋。典型的車輪接觸疲勞剝離是剝離部位發(fā)生在整個踏面滾動圓上，剝離掉塊的深度通常與塑性變形層的深度相對應(yīng)。車輪接觸疲勞剝離主要是與輪軌接觸應(yīng)力及車輪材質(zhì)有關(guān)。

3.影響剝離的因素

影響車輛踏面剝離的原因有好多種，從神朔鐵路機務(wù)段HXD1型機車車輪踏面剝離統(tǒng)計來看，主要有以下幾個原因：

3.1 粘著控制

神朔鐵路機務(wù)段HXD1型機車安裝了兩種程序，將發(fā)生剝離故障的粘著程序版本來對比，其中初次上線的出廠版本要比后續(xù)在段試驗后所采用的新版本空轉(zhuǎn)率高達47%。因機車粘著控制不良，機車在運用過程中車輪就會出現(xiàn)空轉(zhuǎn)頻繁、卸載嚴重、坡起困難及加速性能差等問題，這種運用狀況極易加劇車輪的踏面剝離。尤其是對于重載機車，粘著控制不良已經(jīng)成為造成車輪接觸疲勞剝離的主要原因。

3.2 車輪材質(zhì)

車輪的材質(zhì)主要對其耐磨性有較大影響，通常車輪的耐磨性是通過提高硬度來達到的，提高硬度依靠提高車輪的碳含量，但是通過提高碳含量來改善車輪的耐磨性，將不可避免地降低了車輪的斷裂韌性和抗熱裂性能。

歐洲以城軌、地鐵、鐵路快運為主，機車軸重輕，車輪材質(zhì)主要采用EN 13262標準，碳含量比較低，目的在于要有效改善車輪的抗冷熱疲勞性能和沖擊韌性。美國以重載運輸為主，車輪要求高強度、高硬度，車輪材質(zhì)采用AAR標準，碳含量明顯高于歐洲車輪，車輪用鋼中碳含量對綜合性能的影響如圖2所示。因此需要根據(jù)機車實際的運營工況來決定采用什么材質(zhì)的車輪，從而降低車輪踏面剝離現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 撒砂系統(tǒng)用砂的影響

圖3為神朔鐵路機務(wù)段配屬HXD1型機車所用粗砂和細砂的對比，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，使用細砂的機車車輪很少出現(xiàn)踏面剝離現(xiàn)象，而使用粗砂的機車車輪踏面剝離現(xiàn)象比較頻繁。使用粗砂的機車運行2000km時，車輪踏面出現(xiàn)許多麻坑，麻坑會造成接觸面積減少，踏面容易出現(xiàn)滾動接觸疲勞，尤其是在重載的情況，而使用細砂的機車，在行走5萬km后，踏面依然很光滑，未出現(xiàn)剝離。

3.4 車輪失圓的影響

通過盯控不落輪鏇輪現(xiàn)場情況，發(fā)現(xiàn)大部分剝離輪對有深度達0.3mm～0.8mm的失圓度。輪對不圓度增大時，會加大輪對在鋼軌上的振動，在機車高速運行時產(chǎn)生與速度成正比的沖擊力，對輪對踏面造成沖擊，提速后輪對踏面剝離的可能性也在加大。輪對踏面擦傷和蠕滑均會加劇輪對失圓的發(fā)生。運行中輪對失圓，在輪對轉(zhuǎn)至擦傷扁疤處時，黏著力突然下降，瞬間滑動，擦傷深度、面積將擴大。

3.5 線路條件和狀態(tài)

機車上坡或下坡時，牽引力或制動力較大，尤其是重載牽引的時候，較大的牽引力或制動力會加劇車輪的滾動接觸疲勞，因此機車經(jīng)常運行在坡道較多的路段上時踏面會出現(xiàn)接觸疲勞剝離現(xiàn)象。另外鋼軌表面狀態(tài)不佳，也會導致輪軌間粘著系數(shù)下降，從而車輪出現(xiàn)空轉(zhuǎn)、打滑現(xiàn)象，加劇踏面剝離的發(fā)生。

3.6 氣候條件

雨雪天氣，輪軌間粘著系數(shù)降低，在車輪會出現(xiàn)空轉(zhuǎn)打滑現(xiàn)象，為保證正常的粘著，會撒砂到軌面上，但撒砂量過大會導致車輪踏面磨耗加劇。

4.緩解車輪踏面剝離的措施

4.1 粘著控制系統(tǒng)優(yōu)化

粘著控制系統(tǒng)優(yōu)化可以通過在線試驗進行，通過在線試驗?zāi)M車輛在實際運營中的各種工況，研究粘著控制參數(shù)、撒砂量與機車運行具體線路的最佳匹配關(guān)系，對不同控制參數(shù)進行調(diào)整使機車各軸之間的速度差達到最小，減少車輪的空轉(zhuǎn)和打滑，降低車輪踏面的剝離損傷。

4.2 使用優(yōu)質(zhì)細砂

在保證機車粘著未受到影響的情況下采用優(yōu)質(zhì)細砂，優(yōu)質(zhì)細砂粗細均勻、外形無鋒利棱角，含泥土和雜質(zhì)較少，可以顯著降低車輪踏面的損傷，緩和車輪踏面剝離的程度。

4.3 合理安排輪對鏇修

車輪出現(xiàn)輕微剝離情況時就應(yīng)該及時鏇修，否則裂紋繼續(xù)擴展，將會影響機車走行安全。由于輕微剝離一般鏇修量都較小，還可以延長車輪的壽命。

4.4 采用磨耗型踏面

踏面經(jīng)過一段時間運用磨耗后形成一種穩(wěn)定形狀，磨耗型踏面就以這種磨耗后的穩(wěn)定形狀作為初始形狀。現(xiàn)場考核表明，JM型磨耗踏面磨耗量比標準型踏面車輪減少10%～40%。

結(jié)論

自逐步實施上述措施，經(jīng)兩年以來的運用，效果顯著。時至今日HXD1型機車車輪踏面剝離故障大幅減少，年發(fā)生率僅為16%，車輪踏面剝離周期延長到6萬km以上，在實際運用中有效預防和減緩車輪剝離的發(fā)生，延長車輪的使用壽命，提高機車的運用效率，降低檢修停時和成本，保證機車的運用安全。但對比同一路況運用的SS4G型機車車輪踏面15萬km鏇修一次的情況，HXD1型號機車車輪踏面剝離現(xiàn)象的形成機理和影響因素還有待更進一步的跟蹤分析。

參考文獻

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