葉都瑋

(上海阿爾斯通交通設(shè)備有限公司,200245,上?！钨|(zhì)量經(jīng)理)

城市軌道交通車輛車輪踏面缺陷產(chǎn)生的機(jī)理和預(yù)防措施

葉都瑋

(上海阿爾斯通交通設(shè)備有限公司,200245,上海∥質(zhì)量經(jīng)理)

分析了城市軌道交通車輛車輪踏面產(chǎn)生裂紋和剝離等缺陷的機(jī)理,提出了預(yù)防車輪踏面缺陷的措施。例如:利用高性能的防滑器防止車輪滑動(dòng);對(duì)磨損車輪及時(shí)進(jìn)行旋磨或打磨處理;降低車輪機(jī)械制動(dòng)摩擦范圍,提高電制動(dòng)的范圍;開(kāi)發(fā)新材料,提高車輪抗剝離能力等。

城市軌道交通車輛;車輪踏面;疲勞裂縫;滾動(dòng)接觸疲勞;預(yù)防措施

Author's addressShanghai Alstom Transport Co.,Ltd.,200245,Shanghai,China

城市軌道交通車輛的設(shè)計(jì)中有很多依據(jù)UIC(國(guó)際鐵路聯(lián)盟)和EN(歐洲標(biāo)準(zhǔn))開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品,尤其是轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)的設(shè)計(jì)加工工藝。但是在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中,一些車輪踏面在正常的使用壽命中開(kāi)始有缺陷。本文通過(guò)對(duì)這些車輪踏面缺陷的檢測(cè)和原因分析,通過(guò)安定極限理論等提出其產(chǎn)生機(jī)理和演變過(guò)程,并根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理和演變過(guò)程及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定測(cè)試方法,進(jìn)一步在設(shè)計(jì)和加工工藝上提出預(yù)防措施。

目前,輪對(duì)制造和生產(chǎn)依據(jù)EN 13262:2004《鐵路應(yīng)用-輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架-車輪-產(chǎn)品要求》和UIC 812,輪對(duì)的生產(chǎn)和技術(shù)要求依據(jù)EN 13260:2003《鐵路應(yīng)用-輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架輪對(duì)-生產(chǎn)要求》。例如,某城市軌道交通車輛采用無(wú)搖枕結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架、低合金鋼板焊接構(gòu)架、二系懸掛形式和磨耗型踏面的整體輾鋼車輪;每一車軸裝有兩個(gè)整體輾鋼輪,材料為R9T,新車輪徑尺寸為840 mm(根據(jù)UIC510-2)。

1 車輪踏面產(chǎn)生裂紋和剝離等缺陷的機(jī)理

根據(jù)對(duì)運(yùn)行2000 km完成滿載試驗(yàn)的城市軌道交通A型車輛的車輪踏面進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)部分車輪踏面有明顯點(diǎn)狀剝離(見(jiàn)圖1)。點(diǎn)狀剝離基本呈圓形,其周向長(zhǎng)度通常不大于5 mm,且其深度不大于1 mm。在剝離點(diǎn)周圍形成灰白色帶狀擦痕。帶狀擦痕長(zhǎng)度為點(diǎn)狀剝離直徑的15倍到20倍。

圖1 車輪踏面有明顯點(diǎn)狀剝離

在同一列車的另外2個(gè)車輪上發(fā)現(xiàn)擦傷現(xiàn)象(見(jiàn)圖2)。車輪踏面擦傷呈圓形,深度為0.5～0.75 mm,面積為80 mm2,為灰白色中間呈灰褐色。

圖2 車輪踏面的擦傷現(xiàn)象

使用李氏硬度計(jì)測(cè)試,車輪踏面點(diǎn)狀剝離處硬度沒(méi)有明顯變化;圓形擦傷處硬度急劇上升,達(dá)到HB 580～650。而正常車輪踏面硬度通常為HB 280～310。圖3中用于硬度檢測(cè)的車輪,其未見(jiàn)擦傷處硬度為HB 268,在踏面與軌道碾壓處硬度為HB 300～320。

為排除車輪本身質(zhì)量問(wèn)題,特收集分析了車輪的相關(guān)檢驗(yàn)報(bào)告。車輪出廠報(bào)告見(jiàn)表1～3。車輪材質(zhì)機(jī)械性能見(jiàn)圖4。

圖3 車輪踏面硬度分布

表1 車輪材質(zhì)連鑄圓坯化學(xué)成分報(bào)告

表2 車輪材質(zhì)金相檢驗(yàn)報(bào)告

表3 車輪材質(zhì)化學(xué)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由上述檢測(cè)報(bào)告可知,車輪材質(zhì)機(jī)械性能符合 標(biāo)準(zhǔn),硬度符合要求,可以排除車輪存在質(zhì)量問(wèn)題。

本文所討論城市軌道交通車輛采取踏面制動(dòng)。型式試驗(yàn)中,在車輪側(cè)面和制動(dòng)閘瓦側(cè)面上增加溫度試片(見(jiàn)圖5)。通過(guò)對(duì)溫度試片的測(cè)試記錄,在點(diǎn)狀剝離嚴(yán)重的車輪上溫度可達(dá)到250℃,在踏面與軌道接觸處溫度可達(dá)300～350℃;且在AW3(超載,9人/m2)狀態(tài)進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí),雖然車輛采取了防滑措施,但制動(dòng)靴對(duì)車輪踏面進(jìn)行摩擦制動(dòng)后,車輪踏面的溫度短時(shí)間會(huì)超過(guò)300～350℃。

根據(jù)硬度測(cè)試結(jié)果和溫度記錄,依據(jù)車輪的力學(xué)報(bào)告和化學(xué)組織成分報(bào)告(見(jiàn)圖6),可對(duì)踏面出現(xiàn)剝離和擦傷的機(jī)理做進(jìn)一步分析研究。

圖4 車輪材質(zhì)機(jī)械性能

圖5 溫度試片粘貼圖示

圖6 車輪成分和組織

CL60鋼的成分為珠光體和鐵素體,晶粒度為8級(jí)。

根據(jù)筆者的工作經(jīng)驗(yàn)及國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道,車輪踏面剝離大致有三種不同原因造成(見(jiàn)表4)。

表4 車輪踏面剝離類型及原因

由溫度記錄和車輪踏面剝離、擦傷的檢驗(yàn)記錄,可認(rèn)為:列車由于制動(dòng)(尤其是在AW3情況下緊急制動(dòng))和滑行,車輪受熱,并在軌面上淬火;在制動(dòng)緩解中,車輪踏面回火。車輪踏面組織中珠光體和鐵素體在300～350℃時(shí)逐步變成馬氏體和回火馬氏體,這種轉(zhuǎn)變是反復(fù)多次的。在組織比容膨脹縮小、珠光體和鐵素體變?yōu)轳R氏體和回火馬氏體中,有碳原子釋放到晶格間導(dǎo)致晶格變形,最后在晶格處產(chǎn)生裂紋,且在不同溫度下,CL60鋼的屈服極限將隨溫度變化而變化,尤其是溫度上升超過(guò)300℃后,屈服極限急劇下降(見(jiàn)圖7)。

圖7 國(guó)產(chǎn)CL60鋼溫度和屈服極限相關(guān)圖

根據(jù)安定極限理論,材質(zhì)在應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)過(guò)程中,塑性變形發(fā)生到一定程度后,塑性變形層加工硬化到一定程度,不再產(chǎn)生新的塑性變形而達(dá)到一種安定狀態(tài)。然而,本案例的車輪踏面,延伸性相對(duì)較小,回火馬氏體在表層內(nèi)阻礙了塑性變形,從而在回火馬氏體積聚的區(qū)域形成裂紋。裂紋通過(guò)奧氏體組織向踏面的表面延伸形成開(kāi)口的裂紋。在表面開(kāi)口裂紋形成后,開(kāi)口裂紋深處氧化,形成氧化物雜質(zhì),滾動(dòng)接觸疲勞加劇裂紋的擴(kuò)散。當(dāng)緊急制動(dòng)(或制動(dòng)力不匹配)過(guò)大時(shí),產(chǎn)生抱閘現(xiàn)象,輪軌的粘著力消失,輪軌間出現(xiàn)滑行或蠕滑現(xiàn)象。此時(shí)摩擦產(chǎn)生的熱量極大,車輪踏面處溫度快速上升到極高溫,很容易達(dá)到車輪鋼的高溫奧氏體相變點(diǎn)或以上;隨即快速冷卻,脆而硬的馬氏體或回火馬氏體形成,這就是擦傷。馬氏體隨著車輪的繼續(xù)摩擦,很容易碎裂和脫落,這又形成了剝離。

2 剝離和擦傷對(duì)軌道產(chǎn)生的不良影響

(1)車輪踏面形成剝離后,使車輪踏面和鋼軌間的摩擦系數(shù)提高。

(2)車輪踏面不圓度將對(duì)軌道形成沖擊。

(3)車輪踏面的硬度上升將造成軌道使用壽命降低。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),鋼軌的使用壽命縮短量與車輪踏面硬度上升的平方成反比。

(4)增加列車運(yùn)行的噪聲。

3 檢測(cè)方法

(1)內(nèi)部應(yīng)力檢測(cè),可采用超聲波檢測(cè)和鉆孔檢測(cè)。超聲波檢測(cè)可以按EN 13262:2004中《確定輪緣內(nèi)殘余應(yīng)力的超聲波方法(非破壞性方法)》對(duì)在線車輪進(jìn)行非破壞性檢測(cè),確認(rèn)其內(nèi)部應(yīng)力變化值作為參考。鉆孔檢測(cè)可參考 EN 13262:2004標(biāo)準(zhǔn)中《確定踏面深處的圓周殘余應(yīng)力變量所采用的應(yīng)力片方法(破壞性方法)》對(duì)已磨耗輪抽樣進(jìn)行內(nèi)部應(yīng)力檢測(cè),確認(rèn)其內(nèi)部應(yīng)力變化值作為參考。

(2)裂紋檢測(cè),可按鐵道部相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行周檢。

4 預(yù)防措施

(1)利用高性能的防滑器防止車輪滑動(dòng),可能的話,采取盤式制動(dòng)型式。車輪因抱死而產(chǎn)生的長(zhǎng)時(shí)期滑動(dòng)很容易導(dǎo)致車輪表面擦傷,從而在車輪表面形成馬氏體;由于馬氏體脆硬,在滾動(dòng)過(guò)程中形成大塊剝離。高性能的防滑器可有效控制蠕滑率范圍。

(2)對(duì)磨損車輪及時(shí)按嚴(yán)格的工藝過(guò)程進(jìn)行旋修或打磨處理。

(3)提高電制動(dòng)的范圍,降低機(jī)械制動(dòng)摩擦范圍。例如,上海軌道交通3號(hào)線車輪的機(jī)械摩擦制動(dòng)范圍為15%,2號(hào)線車輪的機(jī)械摩擦制動(dòng)范圍為8%。通過(guò)對(duì)比,3號(hào)線車輪的磨耗明顯大于2號(hào)線。

(4)開(kāi)發(fā)新材料,提高車輪抗剝離的能力。這是最為重要的一條途徑。

5 結(jié) 語(yǔ)

由于設(shè)計(jì)選型、產(chǎn)品加工工藝或運(yùn)行檢測(cè)等原因,造成城市軌道交通車輛的車輪踏面出現(xiàn)裂紋和剝離等缺陷。車輪踏面的損傷和裂紋會(huì)造成運(yùn)營(yíng)成本增加,同時(shí)也可能造成車輛運(yùn)行中出現(xiàn)極端惡性事故。本文通過(guò)對(duì)缺陷產(chǎn)生機(jī)理的分析,提出檢測(cè)手段和預(yù)防措施,以降低運(yùn)行成本和避免相關(guān)的運(yùn)行事故。

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Mechanism of Urban Mass Transits Wheel Tread Defects and Preventive Measures

Ye Duwei

Because many rail transit vehicles are in the operation,some of them already in the overhaul time,so defects on the wheel tread are found frequently.Wheels are one of the key parts of vehicles,if working in poor conditions,if is highly possible that defects on wheels will trigger off catastrophes.So a thorough analysis on such defects to avoid the potential catastrophes is very important.This article analyzes the mechanism of defects on wheel tread and proposes some preventive measures.

urban rail vehicle;wheel tread;fatigue fracture;rolling contact fatigue;preventive measures

U 270.331+.1

2010-01-12)