姚國(guó)平 張曉峰

1.太原重工股份有限公司 山西太原 030032

2.太重軌道交通設(shè)備 山西太原 030032

地鐵車(chē)輛具有運(yùn)行速度高、啟動(dòng)快、制動(dòng)距離短、啟動(dòng)制動(dòng)頻繁等特點(diǎn)，車(chē)輪作為地鐵車(chē)輛的重要承載部件，其服役可靠性與列車(chē)的安全運(yùn)行密切相關(guān)。地鐵車(chē)輛在低速時(shí)的主要制動(dòng)方式是踏面制動(dòng)，車(chē)輪在正常運(yùn)行過(guò)程中與鋼軌形成一滾動(dòng)摩擦副，在制動(dòng)過(guò)程中與閘瓦形成一滑動(dòng)摩擦副，即車(chē)輪實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中不僅受輪軌滾動(dòng)接觸載荷，而且在閘瓦頻繁制動(dòng)過(guò)程中承受制動(dòng)熱載荷作用[1]，其工作條件十分惡劣。因此，地鐵車(chē)輪運(yùn)用過(guò)程中常出現(xiàn)擦傷及踏面熱裂紋等，并伴隨有踏面局部剝離現(xiàn)象，影響列車(chē)的舒適性、安全性以及車(chē)輪的使用壽命。本文就某地鐵車(chē)輪擦傷后鏇修不完全導(dǎo)致二次踏面剝離的原因進(jìn)行了分析，并針對(duì)該類(lèi)現(xiàn)象提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 車(chē)輪踏面二次損傷形貌

某地鐵運(yùn)營(yíng)公司反饋，有3付輪對(duì)的6個(gè)車(chē)輪在庫(kù)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)踏面存在多處擦傷，于是對(duì)傷損車(chē)輪采取了鏇修處理，鏇修后車(chē)輪踏面缺陷經(jīng)檢驗(yàn)已全部去除[1]。鏇修后的車(chē)輪重新上線運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)已鏇修的一件車(chē)輪踏面周向又出現(xiàn)了橫向裂紋，并伴隨有局部剝離現(xiàn)象，其余車(chē)輪均正常。將該損傷車(chē)輪退卸后，肉眼觀察可見(jiàn)車(chē)輪踏面中部（滾動(dòng)圓附近）周向存在多處長(zhǎng)短不等、深淺不一的裂紋、坑洞等缺陷，踏面鏇修后刀紋清晰可見(jiàn)，車(chē)輪其余部位完好，未見(jiàn)其它缺陷，踏面缺陷形貌見(jiàn)圖1。

圖1 車(chē)輪踏面缺陷形貌

2 踏面二次損傷原因分析

2.1 缺陷區(qū)域微觀檢驗(yàn)

為確定車(chē)輪踏面裂紋的產(chǎn)生原因，選取車(chē)輪踏面周向一處典型缺陷部位按圖2所示取高倍試樣，對(duì)其非金屬夾雜物、微觀組織、裂紋形貌等進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖2 高倍試樣取樣位置

（1）非金屬夾雜物。利用DM2700M金相顯微鏡，按ISO4967標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的方法在×100下對(duì)裂紋周邊的夾雜物類(lèi)型、形貌、尺寸等進(jìn)行了觀察并評(píng)級(jí)。各類(lèi)夾雜物級(jí)別見(jiàn)表1，典型夾雜物形貌見(jiàn)圖3。

表1 裂紋附近夾雜物級(jí)別

圖3 裂紋周邊典型夾雜物

裂紋附近夾雜物數(shù)量很少，夾雜物形態(tài)多數(shù)呈球狀或鏈球狀，且?jiàn)A雜物尺寸較小，鋼的純凈度較高，在車(chē)輪運(yùn)行過(guò)程中因夾雜物導(dǎo)致裂紋萌生的可能性很小。

（2）裂紋形貌。在光學(xué)顯微鏡下對(duì)裂紋的微觀形貌進(jìn)行了觀察，圖4所示為損傷部位截面裂紋形貌。根據(jù)裂紋的萌生及擴(kuò)展情況可將其分為兩類(lèi)，一類(lèi)如圖4（a）和圖4（b）所示，裂紋萌生于車(chē)輪踏面表面，并逐漸向里擴(kuò)展，擴(kuò)展到一定深度后變?yōu)樗綌U(kuò)展；另一類(lèi)如圖4（c）所示，裂紋位于次表層，裂紋兩端閉合，該類(lèi)裂紋由材料內(nèi)部萌生的微裂紋延伸擴(kuò)展而成，隨著車(chē)輪的運(yùn)行會(huì)不斷擴(kuò)展直至與其它裂紋匯合連通。

圖4

（3）微觀組織。對(duì)圖2所示試樣縱向截面利用4%HNO3酒精溶液腐蝕后，可見(jiàn)裂紋區(qū)域試樣表層存在相變白層及其熱影響區(qū)(圖5)，白層最大深度約5mm；利用金相顯微鏡對(duì)裂紋區(qū)域及基體組織進(jìn)行分析，車(chē)輪踏面表層組織有明顯的塑性變形存在（圖6a），這是車(chē)輪踏面和閘瓦及鋼軌相互作用所致，近表層組織為貝氏體和珠光體混合組織（圖6b），基體組織為細(xì)珠光體和鐵素體（圖6d），在車(chē)輪踏面相變白層與基體的過(guò)渡區(qū)域組織（圖4（c）所示裂紋附近）已發(fā)生球化，呈粒狀珠光體形態(tài)（圖6c）。

圖5

圖6

2.2 討論與分析

車(chē)輪裂紋區(qū)域未發(fā)現(xiàn)夾雜物聚集或大型夾雜物，且非金屬夾雜物數(shù)量少，尺寸較小，車(chē)輪正常運(yùn)行過(guò)程中不足以導(dǎo)致踏面裂紋萌生。

車(chē)輪踏面裂紋區(qū)域微觀組織及其硬度分布情況表明，車(chē)輪在運(yùn)行過(guò)程中曾承受高熱，使車(chē)輪近踏面溫度達(dá)到材料相變點(diǎn)以上，重新奧氏體化，但由于車(chē)輪基體以及鋼軌溫度低，產(chǎn)生激冷效應(yīng)，進(jìn)而發(fā)生相變形成淬火組織，其熱影響區(qū)最深可達(dá)5mm。檢驗(yàn)結(jié)果顯示整個(gè)熱影響區(qū)由表及里組織依次為：貝氏體和珠光體混合組織（近表層）、粒狀珠光體組織（過(guò)渡區(qū)）、片狀珠光體組織（基體），由于車(chē)輪在擦傷后已鏇修，因此踏面表層未發(fā)現(xiàn)馬氏體組織；熱影響區(qū)硬度整體呈下降趨勢(shì)，但在過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，這是由于該區(qū)原始組織（基體）在受熱后碳化物分解并球化，形成粒狀珠光體導(dǎo)致硬度降低。

車(chē)輪踏面裂紋的微觀形貌顯示，裂紋分別從踏面表面及車(chē)輪內(nèi)部?jī)晌恢妹壬U(kuò)展。起裂于車(chē)輪踏面表面的裂紋是由于踏面表層硬脆相在輪軌作用力下導(dǎo)致裂紋萌生并向內(nèi)部延伸至一定深度后，受基體阻礙，從而使裂紋改變方向，橫向或向表層擴(kuò)展，直至與其它裂紋匯通或反向擴(kuò)展至表面脫落，造成剝離。起裂于車(chē)輪內(nèi)部的裂紋萌生于圖5所示白層與基體的過(guò)渡區(qū)域，該區(qū)域組織為較軟的粒狀珠光體，被硬度很高的白層及相對(duì)較硬的基體所包圍，在輪軌作用力下，該區(qū)域更容易發(fā)生較大的塑性變形，使其位錯(cuò)密度增大，造成局部應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋萌生，并在后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中逐步擴(kuò)展至踏面表面，最終形成剝離。

綜上所述，造成該車(chē)輪踏面損傷的原因是由于列車(chē)在頻繁啟動(dòng)及制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輪踏面與鋼軌發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，造成車(chē)輪周向多部位擦傷，擦傷部位由于受高熱致使踏面形成較厚的相變層。該車(chē)輪鏇修時(shí)，由于切削量少，未將擦傷所形成的熱影響區(qū)完全去除，后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，在車(chē)輪踏面原擦傷部位萌生裂紋并逐步擴(kuò)展，直至脫落，形成局部剝離[2]。

3 預(yù)防措施

為防止車(chē)輪踏面剝離，當(dāng)出現(xiàn)車(chē)輪踏面擦傷或灼傷現(xiàn)象時(shí)，用戶(hù)通常會(huì)采用鏇修車(chē)輪的方式及時(shí)將出現(xiàn)熱損傷的區(qū)域去除。但在鏇修過(guò)程中常出現(xiàn)切削量少，不能完全去除熱損傷部位的熱影響區(qū)或踏面表層微裂紋的現(xiàn)象。根據(jù)本文車(chē)輪踏面剝離原因分析結(jié)論，熱損傷缺陷鏇修不完全易導(dǎo)致后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中車(chē)輪踏面出現(xiàn)二次剝離的現(xiàn)象，應(yīng)采用以下方法用來(lái)確定車(chē)輪熱損傷缺陷是否鏇修完全：

（1）車(chē)輪鏇修前將熱損傷區(qū)域所在相位標(biāo)識(shí)清楚，鏇修后，通過(guò)肉眼觀察原缺陷部位顏色與其它正常區(qū)域的顏色是否一致；

（2）鏇修后的車(chē)輪可在原缺陷部位利用滲透法或磁粉法進(jìn)行無(wú)損探傷，確定車(chē)輪踏面表面或近表面是否殘留有微裂紋；

（3）利用便攜式硬度計(jì)進(jìn)行踏面表面硬度測(cè)試，確定原缺陷部位與其它正常部位硬度是否處于同一水平。

結(jié)合以上三種方法，可判斷車(chē)輪熱損傷缺陷是否完全去除，有效避免車(chē)輪踏面因鏇修不完全導(dǎo)致二次剝離的產(chǎn)生。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)分析表明，車(chē)輪運(yùn)行過(guò)程中因擦傷等導(dǎo)致的熱損傷，如鏇修不完全在后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中受輪軌相互作用極易出現(xiàn)踏面二次剝離。針對(duì)車(chē)輪鏇修后難以判斷熱損傷是否完全去除的情況，本文提出了三種方法，相互結(jié)合，用以確定熱損傷是否鏇修完全，從而有效預(yù)防車(chē)輪踏面因熱損傷鏇修不完全導(dǎo)致的二次剝離形象的產(chǎn)生，延長(zhǎng)了車(chē)輪的使用壽命，同時(shí)確保了列車(chē)的安全運(yùn)行。