車 方

(中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司通遼機(jī)務(wù)段 內(nèi)蒙古 通遼 028000)

1 問(wèn)題的提出

2018年11月， HXN3型機(jī)車C5修時(shí)裝車CAF車輪，該車輪機(jī)械性能與HXN3型機(jī)車原裝車B級(jí)鋼材質(zhì)相近，但與北美鐵路協(xié)會(huì)AAR M-107/M-208標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)，元素含量略有差異。機(jī)車運(yùn)行一段時(shí)間后，在1C1檢次陸續(xù)發(fā)現(xiàn)4臺(tái)機(jī)車共計(jì)6個(gè)輪對(duì)的輪輞踏面存在剝離和熱裂紋。初期超聲波探傷檢測(cè)輪輞近表面幾乎無(wú)法發(fā)現(xiàn)，但是其潛在的危害是向輪輞內(nèi)部發(fā)展，無(wú)規(guī)律可循，一旦條件耦合會(huì)形成輞裂甚至輪輞掉塊的惡性事故。通遼機(jī)務(wù)段機(jī)車運(yùn)行區(qū)域都是高寒地區(qū)中曲線半徑小、坡道多的高坡大嶺山路，線路狀況復(fù)雜，歷來(lái)是機(jī)車輪對(duì)故障多發(fā)區(qū)域(見(jiàn)圖1)。

圖1 機(jī)車輪輞踏面形成剝離鏇修前后的形貌

2 踏面剝離形式及特征

根據(jù)各種典型剝離現(xiàn)象的宏觀和微觀形貌特征，其成因主要有制動(dòng)剝離、踏面接觸疲勞剝離、局部接觸疲勞剝離、局部擦傷剝離、輪輞內(nèi)部疲勞裂紋(輪輞輞裂)等幾種類型。

(1)制動(dòng)剝離。由于車輪踏面頻繁制動(dòng)時(shí)摩擦產(chǎn)生的高熱，形成脆硬的馬氏體組織在輪軌接觸應(yīng)力和列車載荷的反復(fù)相互作用下，產(chǎn)生制動(dòng)熱剝離。

(2)踏面接觸疲勞剝離。輪軌接觸產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力超過(guò)車輪材料的屈服強(qiáng)度時(shí)就產(chǎn)生塑性變形，萌生微裂紋原點(diǎn)并逐漸擴(kuò)展形成剝離，嚴(yán)重的還會(huì)向輪輞深處斜40°角發(fā)展。

(3)局部接觸疲勞剝離。由于機(jī)車運(yùn)行中存在較大輪軸橫向蠕滑力，導(dǎo)致車輪輪緣根部、滾動(dòng)圓外側(cè)一整圈出現(xiàn)魚鱗狀龜裂的現(xiàn)象，或局部脫落掉渣。

(4)輪輞內(nèi)部疲勞裂紋(輪輞輞裂)。除特殊情況外，都是由于輪輞內(nèi)部存在微觀夾雜物形成材質(zhì)缺陷引起的，在輪輞內(nèi)部各種交變載荷作用下萌生裂紋，當(dāng)疲勞超過(guò)極限出現(xiàn)快速擴(kuò)展的趨勢(shì)，導(dǎo)致“輞裂”、輪輞掉塊[1-2]。

(5)局部擦傷剝離。踏面擦傷后局部過(guò)熱及不對(duì)稱磨耗產(chǎn)生的失圓，造成走行部震動(dòng)加大。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致的周期性沖擊過(guò)多，加劇了踏面剝離和局部脫落，引起車載軸報(bào)裝置踏面的一級(jí)報(bào)警次數(shù)增多。

(6)其他。機(jī)砂品質(zhì)不良引起的踏面密集麻點(diǎn)過(guò)多，麻點(diǎn)會(huì)隨著反復(fù)沖擊使面積迅速擴(kuò)大，引起踏面疲勞形成點(diǎn)狀剝離。

3 原因分析

3.1 自身材質(zhì)對(duì)超聲波檢測(cè)的影響

由于車輪踏面頻繁制動(dòng)、摩擦產(chǎn)生的高熱，使踏面表層溫度瞬時(shí)間達(dá)到奧氏體相變溫度以上，隨后在空氣中迅速冷卻形成了馬氏體組織。脆硬的馬氏體組織在輪軌接觸應(yīng)力和列車載荷的反復(fù)相互作用下，極易碎裂萌生熱裂紋，逐漸擴(kuò)展成宏觀裂紋形成踏面剝離，表面粗糙、晶粒粗大、超聲波探傷檢測(cè)漫散射嚴(yán)重，影響聲能傳輸導(dǎo)致初期剝離漏檢。

3.2 運(yùn)行工況的變化

HXN3型機(jī)車持續(xù)的重載、高負(fù)荷牽引運(yùn)行加劇輪對(duì)的疲勞破壞，在實(shí)際運(yùn)用中頻繁調(diào)速、坡起坡降、撒砂不及時(shí)、橡膠閘瓦制動(dòng)引發(fā)高熱等初期制動(dòng)剝離和熱裂紋問(wèn)題居多，在初期裂損擴(kuò)展過(guò)程中很難檢測(cè)出來(lái), 呈現(xiàn)出各類型的剝離，擴(kuò)展速率很快，隱患不斷。

3.3 檢測(cè)手段不足造成漏檢漏探

自動(dòng)化檢測(cè)裝置投入不足。由于赤峰整備場(chǎng)目前還沒(méi)有安裝“機(jī)車輪對(duì)故障動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)”，在大量依靠人工目視的檢查中，檢測(cè)數(shù)據(jù)參差不齊，技術(shù)指標(biāo)控制不及時(shí)，檢測(cè)手段落后，漏檢漏探時(shí)有發(fā)生，對(duì)機(jī)車安全危害居多。

3.4 車載軸報(bào)裝置對(duì)初期剝離及熱裂紋分析確認(rèn)不及時(shí)

在分析車載軸報(bào)裝置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，針對(duì)踏面擦傷及異常震動(dòng)報(bào)警，僅僅是遵循“一級(jí)報(bào)警鏇修、二級(jí)報(bào)警落輪”的原則，沒(méi)有分析踏面剝離故障頻譜與運(yùn)行速度對(duì)應(yīng)的沖擊特征，不能按剝離程度正確處置；在“沖擊趨勢(shì)分析”中僅分析10天內(nèi)的沖擊次數(shù)，沒(méi)有結(jié)合沖擊幅度以及踏面剝離和熱裂紋發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜合分析，造成遺漏早期剝離。

3.5 探傷檢測(cè)局限性

雙晶探頭僅是垂直于踏面分段檢測(cè)，主要是針對(duì)平行于踏面的點(diǎn)狀、片狀、面積狀或者踏面下體積狀的缺陷，表面下和輪緣區(qū)域處存在檢測(cè)盲區(qū)。大角度組合探頭不動(dòng)車探傷的初衷是檢測(cè)輪箍的徑向裂紋，防止崩箍事故，但是探頭靈敏度低、信噪比差，遠(yuǎn)距離檢測(cè)輪輞表面剝離時(shí)分辨率較低，極易發(fā)生漏檢，由于其技術(shù)局限性限制了輪輞剝離及熱裂紋的有效檢出，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)需要。

3.6 熱裂紋超聲波探傷檢測(cè)存在難點(diǎn)

由于整體輪輞踏面上形成的近表面熱裂紋呈網(wǎng)紋狀或魚鱗狀、碎裂掉渣形成的剝離表面比較粗糙、晶粒粗大、漫散射嚴(yán)重，超聲波探傷檢測(cè)由于儀器阻塞效應(yīng)存在著一定的盲區(qū)。而大角度橫波探頭檢測(cè)時(shí)，高頻超聲散射較大不易透射，容易出現(xiàn)林狀回波；而低頻超聲在晶粒粗大的輪輞踏面上衰減小，穿透力強(qiáng)，但分辨率變差，遠(yuǎn)距離檢測(cè)不易發(fā)現(xiàn)較小的缺陷。

4 采取的措施

由剝離形成機(jī)理可知，車輪踏面剝離是一個(gè)比較復(fù)雜的失效類型，導(dǎo)致因素很多，車輪材質(zhì)本身、運(yùn)行工況變化的控制、制造工藝等問(wèn)題都是導(dǎo)致剝離現(xiàn)象的原因，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法從根本上解決。只有立足現(xiàn)狀，才能充分發(fā)揮現(xiàn)有的探傷檢測(cè)設(shè)備及手段，發(fā)揮超聲波探傷主觀能動(dòng)作用，摸索形成一套完整、有效的質(zhì)量控制體系。

4.1 采用窄脈沖技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)探傷

2019年2月開(kāi)始，試驗(yàn)采用高頻寬帶窄脈沖超聲波探傷技術(shù)，對(duì)小輔修機(jī)車進(jìn)行精準(zhǔn)探傷檢測(cè)，探傷操作工藝按Q/CR 331.2—2018《機(jī)車在役零部件無(wú)損檢測(cè) 第二部分 輪箍及整體輪輞超聲檢測(cè)》執(zhí)行，對(duì)發(fā)現(xiàn)的隱患問(wèn)題按照落修、鏇修、跟蹤監(jiān)控三級(jí)管理建立輪對(duì)監(jiān)測(cè)探傷問(wèn)題庫(kù)，輪對(duì)鏇修遵照檢修規(guī)程要求的限度分級(jí)處置。

4.2 窄脈沖檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)

考慮到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀器的通用性，設(shè)計(jì)高阻尼的窄脈沖換能器是最佳選擇。但是由于高頻信號(hào)的遠(yuǎn)距離衰減性明顯比低頻大，不利于厚度工件檢測(cè)，所以試驗(yàn)優(yōu)化低頻檢測(cè)，采用復(fù)合材料晶片技術(shù)并輔以匹配層技術(shù)來(lái)減少探頭的脈沖寬度，做到最大限度的小盲區(qū)窄脈沖檢測(cè)，提高了探頭在近表面軸向的分辨率，以及缺陷定量的準(zhǔn)確性。

寬頻窄脈沖超聲探頭回波脈沖持續(xù)時(shí)間短、波形單峰性，利于提高超聲檢測(cè)的分辨率、靈敏度高、信噪比大，更容易發(fā)現(xiàn)輪輞踏面微小缺陷，對(duì)于踏面熱裂紋剝離檢測(cè)中幾乎不存在如林狀波的干擾顯示(見(jiàn)圖2)，克服常規(guī)探頭近表面缺陷難以分辨的影響。

圖2 窄脈沖和寬脈沖對(duì)探頭分辨率的影響

4.3 加強(qiáng)車載軸報(bào)分析，細(xì)化報(bào)警處置要求

(1)優(yōu)化走行部故障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。針對(duì)不提報(bào)踏面預(yù)警的問(wèn)題，通過(guò)建立典型波形對(duì)照樣本數(shù)據(jù)分析，確定故障部位及類型。對(duì)于時(shí)域波形、頻域圖和診斷抽象綜合分析，總結(jié)出踏面剝離故障多在低速下存在的沖擊特征規(guī)律，發(fā)現(xiàn)踏面擦傷及異常剝離震動(dòng)報(bào)警的，利用小輔修時(shí)機(jī)予以鏇修消除。

(2)沖擊幅度和連續(xù)分析相結(jié)合。用好沖擊趨勢(shì)分析，對(duì)10天內(nèi)的“沖擊趨勢(shì)分析”中的“多紀(jì)錄作圖”進(jìn)行分析，對(duì)沖擊連續(xù)且沖擊較高并有上升趨勢(shì)的結(jié)合超聲波檢測(cè)復(fù)查情況按分級(jí)鏇修處置。

4.4 鏇修策略

根據(jù)《中國(guó)鐵路總公司關(guān)于印發(fā)〈鐵路機(jī)車車輪管理辦法〉的通知》文件要求[3]、TG/JW196—2019《HXN3型內(nèi)燃機(jī)車檢修技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)規(guī)定，進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)車輪對(duì)檢測(cè)和對(duì)輪對(duì)鏇修技術(shù)要求的精細(xì)化管理，明確探傷及鏇修要求(見(jiàn)表1)。

(1)以精準(zhǔn)檢測(cè)及早發(fā)現(xiàn)輪輞表面及近表面潛在的危害性剝離。

(2)按照單輪鏇修和整車鏇修分別對(duì)待，采用分級(jí)鏇修處置。

(3)對(duì)于踏面表面的“魚鱗狀”層疊及剝離疏松，限度控制在0.4 mm以內(nèi)為宜。

(4)剝離層預(yù)防性鏇修時(shí)，車削量控制在0.8～1.0 mm即可消除，有利于避免剝離層擴(kuò)展后使鏇削量增加而造成輪徑損耗，有助于抑制剝離擴(kuò)大導(dǎo)致嚴(yán)重的剝離掉塊。

(5)在每次鏇修時(shí)輪緣厚度始終控制在23 mm～34 mm之間，按JM3磨耗型踏面并且滿足輪徑差的限制要求，最小限度地消耗車輪材料。

(6)鏇削車輪不需要考慮恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)輪廓值，避免產(chǎn)生過(guò)度鏇修造成極大浪費(fèi)。

表1 HXN3型機(jī)車輪輞幾何尺寸限度表 /mm

5 效果

通過(guò)窄脈沖超聲波探傷技術(shù)的應(yīng)用，提高了機(jī)車輪輞近表面微小剝離的檢出能力， 2019年2月～2020年6月為止，采用寬頻窄脈沖超聲波探傷技術(shù)，小輔修時(shí)先后探傷檢測(cè)366臺(tái)次機(jī)車、4 392個(gè)車輪，檢測(cè)出33臺(tái)機(jī)車、64例輪輞存在缺陷問(wèn)題，其中對(duì)廠家提出索賠2例、近表面缺陷鏇修消除后循環(huán)使用34例、跟蹤監(jiān)測(cè)使用28例、車載軸報(bào)裝置分析提報(bào)鏇修7例。通過(guò)精準(zhǔn)探傷檢測(cè)盡早發(fā)現(xiàn)輪輞表面、近表面初始剝離和熱裂紋，按評(píng)判潛在的危害程度采取分級(jí)鏇修消除，減小損耗防止輪輞剝離的擴(kuò)展，通過(guò)自主鏇修間接創(chuàng)造320萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。由此確定今后輪輞的質(zhì)量控制體系是：“精準(zhǔn)探傷、早期發(fā)現(xiàn)、分級(jí)處置、經(jīng)濟(jì)鏇削、消除隱患、再運(yùn)用”的持續(xù)循環(huán)處理方式，以延長(zhǎng)輪輞的使用壽命。

在陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的一些輪輞踏面剝離，通過(guò)鏇削后表面形貌及狀況分析，所發(fā)現(xiàn)的缺陷已經(jīng)涵蓋前述幾種輞裂形式(見(jiàn)圖3)，極大豐富了檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)達(dá)到預(yù)期試驗(yàn)效果，目前仍在持續(xù)優(yōu)化檢測(cè)參數(shù)和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

圖3 機(jī)車輪輞踏面形成幾種剝離鏇后的形貌

6 結(jié)束語(yǔ)

采用“精準(zhǔn)檢測(cè)、經(jīng)濟(jì)鏇削，實(shí)現(xiàn)節(jié)支降耗”的措施，及早發(fā)現(xiàn)輪輞的表面、近表面危害性剝離，采用分級(jí)鏇修處置、消除潛在隱患，是符合當(dāng)前修制改革的需要。后續(xù)還需要進(jìn)一步加強(qiáng)以下工作：(1)優(yōu)化檢測(cè)參數(shù)，做好隱患排查；(2)對(duì)HXN3型機(jī)車裝車的CAF車輪使用情況繼續(xù)跟蹤，收集該材質(zhì)輪輞剝離的信息，優(yōu)化機(jī)車運(yùn)用工況與車輪材質(zhì)的兼顧；(3)調(diào)研輪輞裂損與探傷檢測(cè)的對(duì)應(yīng)周期，摸索規(guī)律排除隱患。