李家勇 紀(jì)曉明

(1.南寧局集團(tuán)有限公司南寧機(jī)務(wù)段 廣西 南寧 530001； 2.沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司通遼機(jī)務(wù)段 內(nèi)蒙古 通遼 028000)

0 概況

機(jī)車(chē)是鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾b備，車(chē)輪作為關(guān)鍵部件承受更大的各種應(yīng)力載荷，車(chē)輪的輪輞更容易出現(xiàn)疲勞裂紋缺陷，對(duì)行車(chē)安全構(gòu)成極大的威脅，極端情況下會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪破裂，出現(xiàn)列車(chē)顛覆事故，因此對(duì)車(chē)輪的質(zhì)量要求越來(lái)越高。對(duì)產(chǎn)生缺陷的車(chē)輪進(jìn)行分析，找出裂損原因、舉一反三是解決問(wèn)題的必要手段。

2020年2月11日，某單位的機(jī)車(chē)入庫(kù)綜合監(jiān)測(cè)裝置自動(dòng)檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一例整體輪輞檢測(cè)存在缺陷報(bào)警，后經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人工超聲波檢測(cè)復(fù)核，確認(rèn)該輪輞存在周向約60 mm、距車(chē)輪踏面深約16～19 mm 的內(nèi)部缺陷反射波(見(jiàn)圖1)。2月17日，對(duì)該車(chē)輪進(jìn)行鏇修處理，踏面鏇修18 mm(半徑)深度后發(fā)現(xiàn)仍存在長(zhǎng)約50 mm 的周向裂紋，距離車(chē)輪外側(cè)面60 mm(見(jiàn)圖2)。該機(jī)車(chē)于2019年5月31日進(jìn)行C5修，2019年11月20日進(jìn)行1C1次修。輪對(duì)軸號(hào)VIII13-1919、輪輞編號(hào)1302-2100-10，鏇修前輪徑為1 217.6 mm，至故障發(fā)生日止C5修后總走行10.5 km。

圖1 損傷車(chē)輪損傷位置(現(xiàn)場(chǎng))

圖2 鏇修后車(chē)輪踏面形貌(現(xiàn)場(chǎng))

1 檢驗(yàn)依據(jù)

依據(jù)TJ/ZL-01-04《中國(guó)鐵路機(jī)車(chē)用粗制整體輾鋼車(chē)輪訂貨技術(shù)條件》要求，對(duì)該車(chē)輪進(jìn)行分析檢驗(yàn)。

2 檢驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

對(duì)車(chē)輪進(jìn)行宏觀觀察，確定車(chē)輪傷損所在位置及形貌特征。依據(jù)TJ/ZL-01-04技術(shù)條件對(duì)車(chē)輪化學(xué)成分、車(chē)輪輪輞硬度、車(chē)輪輪輞的拉伸性能及輻板沖擊性能進(jìn)行檢驗(yàn)。同時(shí)利用光學(xué)顯微鏡觀察車(chē)輪輪輞處的顯微組織，特別是損傷表層的裂紋形貌和組織類(lèi)型，評(píng)定車(chē)輪輪輞的非金屬夾雜物級(jí)別。綜合上述宏觀及微觀分析結(jié)果，判斷車(chē)輪傷損原因，以下闡述送檢車(chē)輪(取樣編號(hào)2100-10#)的具體檢驗(yàn)結(jié)果。

2.1 宏觀分析與取樣

該車(chē)輪的整體形貌及踏面剝離損傷處形貌如圖3所示。由圖可知，車(chē)輪踏面經(jīng)過(guò)鏇修后，仍有一處明顯的裂紋存在，呈“W”型形貌，傷損區(qū)域距離車(chē)輪外側(cè)面60 mm～80 mm，沿周向長(zhǎng)度約為50 mm。車(chē)輪其他位置未見(jiàn)異常。

圖3 損傷車(chē)輪宏觀觀察

2.2 化學(xué)成分

依據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法(常規(guī)法)》的要求對(duì)車(chē)輪進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)[1]，檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 車(chē)輪的化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果 /%

車(chē)輪的化學(xué)成分符合TJ/ZL-01-04 技術(shù)條件中牌號(hào)“3”材質(zhì)的要求。

2.3 拉伸、沖擊、硬度檢驗(yàn)

對(duì)車(chē)輪輪輞的拉伸性能、輪輞沖擊性能及車(chē)輪輪輞的表面硬度、斷面硬度進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果分別如表 2～表 4所示。受輪徑限制，輪輞拉伸和硬度實(shí)測(cè)位置不能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)位置要求。

表2 輪輞拉伸性能檢驗(yàn)結(jié)果

表3 車(chē)輪輻板沖擊性能的檢測(cè)結(jié)果 /J

表4 輪輞硬度的檢測(cè)結(jié)果 /HBW

疲勞由于車(chē)輪輪輞的實(shí)際拉伸試樣未能按照標(biāo)準(zhǔn)位置取樣，其結(jié)果較標(biāo)準(zhǔn)位置拉伸結(jié)果更低，但實(shí)測(cè)拉伸性能的結(jié)果仍符合TJ/ZL-01-04 技術(shù)條件中牌號(hào)“3”材質(zhì)車(chē)輪的要求。

車(chē)輪的沖擊性能符合TJ/ZL-01-04 技術(shù)條件中牌號(hào)“3”材質(zhì)車(chē)輪的要求。

車(chē)輪輪輞硬度檢測(cè)結(jié)果符合TJ/ZL-01-04 技術(shù)條件中對(duì)牌號(hào)“3”車(chē)輪的相關(guān)要求。

2.4 低倍組織檢查

在車(chē)輪輪輞處切取斷面進(jìn)行低倍組織檢驗(yàn)，將其精磨后，浸泡在1∶1的鹽酸水溶液中加熱至65～80 ℃，保溫10～15 min，取出低倍試片然后用熱水清洗后吹干。經(jīng)低倍檢查，該車(chē)輪輪輞斷面低倍組織中未發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)、殘余縮孔、分層、翻皮、異型偏析和金屬異物等。

2.5 顯微組織及非金屬夾雜物

在車(chē)輪裂紋處切取金相試樣，采用光學(xué)顯微鏡對(duì)車(chē)輪輪輞裂紋附近及踏面下5 mm位置的顯微組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。裂紋中部、裂紋尖端、裂紋開(kāi)口長(zhǎng)度7.2 mm，深度1.7 mm。

圖4 輪輞裂紋的金相組織

裂紋與踏面夾角約為13°，并由踏面表層向輪輞內(nèi)部延伸。踏面表層未見(jiàn)塑性變形組織(已鏇修)，也未見(jiàn)其他異常組織存在。車(chē)輪輪輞的金相組織為細(xì)珠光體+少量鐵素體，其晶粒度為7.5級(jí)，均滿(mǎn)足TJ/ZL-01-04 技術(shù)條件中對(duì)牌號(hào)“3”材質(zhì)車(chē)輪顯微組織的要求。

評(píng)定車(chē)輪輪輞的非金屬夾雜物級(jí)別，結(jié)果如表 5 所示。

表5 非金屬夾雜物的檢驗(yàn)結(jié)果

車(chē)輪的非金屬夾雜物級(jí)別符合TJ/ZL-01-04 技術(shù)條件中牌號(hào)“3”材質(zhì)車(chē)輪的要求。

2.6 斷口形貌

根據(jù)裂紋形貌，采用鋸切的方式將裂紋打開(kāi)，其形貌如圖5所示。由圖5可知，該缺陷呈明顯的疲勞擴(kuò)展特征，由于車(chē)輪踏面經(jīng)過(guò)鏇修，疲勞起源位置已經(jīng)被鏇修掉，但可根據(jù)疲勞弧線(xiàn)推測(cè)疲勞源的大致位置在踏面下滾動(dòng)圓區(qū)域，裂紋弧線(xiàn)以疲勞源為中心向四周擴(kuò)展。

圖5 裂紋斷口耦合面形貌

3 原因分析

車(chē)輪踏面經(jīng)過(guò)鏇修掉18 mm 后，仍殘留有一處明顯的裂紋存在，呈“W”型形貌，損傷區(qū)域距離車(chē)輪外側(cè)面60～80 mm，沿周向長(zhǎng)度約為50 mm。將裂紋打開(kāi)后，兩斷裂面均可觀察到明顯的貝紋狀疲勞擴(kuò)展條帶存在，呈現(xiàn)典型的疲勞斷裂特征。由于該車(chē)輪裂紋的疲勞起源處已經(jīng)被鏇修掉，無(wú)法對(duì)裂紋疲勞起源處及車(chē)輪踏面表層的初始狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，僅可根據(jù)殘留的疲勞弧線(xiàn)推測(cè)疲勞源的大致位置位于車(chē)輪踏面下滾動(dòng)圓區(qū)域。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)信息和實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果分析推測(cè)，該傷損為起自車(chē)輪踏面下滾動(dòng)圓區(qū)域的疲勞損傷。產(chǎn)生此種疲勞損傷的可能性有兩個(gè)方面，一是輪輞中的非金屬夾雜導(dǎo)致的輞裂，二是輪軌滾動(dòng)接觸疲勞產(chǎn)生的淺表層裂紋擴(kuò)展和延伸。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)信息和實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果分析判斷，該傷損為起自車(chē)輪踏面下滾動(dòng)圓區(qū)域的疲勞損傷[2]。

4 對(duì)策

(1)從源頭控制車(chē)輪質(zhì)量，對(duì)新品車(chē)輪加強(qiáng)品質(zhì)管控。

(2)梳理該型機(jī)車(chē)車(chē)輪的傷損信息，繼續(xù)跟蹤使用情況，對(duì)發(fā)生探傷報(bào)警應(yīng)予以充分重視。

(3)將機(jī)車(chē)入庫(kù)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置與常規(guī)超聲波檢測(cè)互相銜接，納入質(zhì)量管控體系，形成機(jī)車(chē)輪對(duì)閉環(huán)監(jiān)測(cè)管理機(jī)制。

(4)對(duì)于《機(jī)車(chē)在役零部件無(wú)損檢測(cè) 第2部分：輪箍、整體車(chē)輪輪輞超聲波檢測(cè)》Q(chēng)CR331.2—2018號(hào)文件中關(guān)于“輞裂”的重要闡述應(yīng)深刻理解與貫徹，運(yùn)用到日常超聲波檢測(cè)當(dāng)中。

(5)建立車(chē)輪壽命管理機(jī)制，摸索輪輞傷損與超聲波檢測(cè)周期的規(guī)律，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析管理，為排除隱患作出決策依據(jù)。

5 效果

通過(guò)對(duì)鏇削后輪輞表面形貌及狀況分析，所發(fā)現(xiàn)的缺陷已經(jīng)涵蓋：制動(dòng)剝離、踏面接觸疲勞剝離、局部接觸疲勞剝離、輪輞內(nèi)部疲勞裂紋(輪輞輞裂)、局部擦傷剝離、機(jī)砂品質(zhì)不良等引起的踏面密集麻點(diǎn)過(guò)多形成剝離等幾種形式，豐富了檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)檢修工作提供了參考。