津?yàn)I輕軌車(chē)輪異常磨耗分析

李新宇

(天津?yàn)I?？焖俳煌òl(fā)展有限公司，天津 300451)

津?yàn)I輕軌車(chē)輪異常磨耗分析

李新宇

(天津?yàn)I?？焖俳煌òl(fā)展有限公司，天津 300451)

介紹了津?yàn)I輕軌車(chē)輪異常磨耗情況，對(duì)磨耗原因進(jìn)行了調(diào)查分析，并提出了相應(yīng)的解決措施。

輕軌；車(chē)輪；異常磨耗；踏面；輪緣

0 引言

津?yàn)I輕軌自2004年2月運(yùn)營(yíng)至今，隨著運(yùn)營(yíng)里程的增加，車(chē)輛各部件均趨于老化，磨損逐漸增大。車(chē)輪是車(chē)輛安全運(yùn)營(yíng)最重要、最關(guān)鍵的部件之一，車(chē)輪的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到列車(chē)的運(yùn)行安全，其壽命直接關(guān)系到車(chē)輛的檢修成本，而車(chē)輪踏面異常磨耗會(huì)使車(chē)輪鏇修頻次增加，車(chē)輪壽命急劇下降，造成車(chē)輪維修成本增大，同時(shí)，車(chē)輪踏面異常磨耗還會(huì)惡化輪軌接觸關(guān)系，從而影響行車(chē)穩(wěn)定性和安全性。

1 車(chē)輪異常磨耗現(xiàn)象

一般車(chē)輪踏面磨損的主要原因包括輪軌接觸磨損和制動(dòng)閘瓦與踏面的滑動(dòng)磨損。輪軌接觸磨損又以在踏面的不同區(qū)域滑動(dòng)程度不同分為滑動(dòng)摩擦磨損和滾動(dòng)疲勞傷損?；瑒?dòng)摩擦磨損發(fā)生在輪緣部位，與車(chē)輛的曲線通過(guò)性能有關(guān)；而滾動(dòng)疲勞發(fā)生在踏面部位，以橫向裂紋、剝離形式出現(xiàn)。

津?yàn)I輕軌車(chē)輪因踏面出現(xiàn)溝槽、刻度狀熱裂紋導(dǎo)致的剝離和輪緣異常磨耗等，造成車(chē)輪鏇修頻次增加，車(chē)輪壽命由初期計(jì)算可運(yùn)行110萬(wàn)～130萬(wàn)km降至90萬(wàn)～100萬(wàn)km，造成維修成本增加。

1.1 踏面異常磨耗

津?yàn)I輕軌運(yùn)營(yíng)初期，采用日本制動(dòng)閘瓦，在使用過(guò)程中造成車(chē)輪踏面出現(xiàn)熱裂紋，隨著車(chē)輛運(yùn)營(yíng)里程增加，熱裂紋逐漸演變成如圖1所示刻度狀剝離，且剝離面積逐漸擴(kuò)大。同時(shí)，該型閘瓦存在金屬鑲嵌問(wèn)題，遇到雨雪天氣時(shí)閘瓦金屬鑲嵌尤為嚴(yán)重，造成踏面出現(xiàn)如圖2所示圓周溝槽。

圖1 車(chē)輪踏面熱裂紋引起的剝離

圖2 車(chē)輪踏面圓周狀溝槽

1.2 輪緣異常磨耗

津?yàn)I輕軌二期(中山門(mén)至天津站)地下線路受各種環(huán)境條件制約，線路曲線多、半徑小(天津站至大王莊站區(qū)間曲線半徑只有300 m)，輪緣磨耗急劇增大(動(dòng)車(chē)1輪和8輪磨耗量最大)，車(chē)輪鏇修量也隨之增加。動(dòng)車(chē)車(chē)輪輪緣厚度變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 動(dòng)車(chē)車(chē)輪輪緣厚度變化趨勢(shì)圖

2 車(chē)輪異常磨耗原因調(diào)查分析

2.1 制動(dòng)閘瓦問(wèn)題

制動(dòng)閘瓦屬于摩擦介質(zhì)，通過(guò)閘瓦與車(chē)輪踏面接觸產(chǎn)生摩擦力，使車(chē)輛運(yùn)行速度降低直至停車(chē)，由于閘瓦與車(chē)輪輪轂的摩擦過(guò)程極為復(fù)雜，兩者摩擦產(chǎn)生的溫度往往大于300 ℃，因此，閘瓦的性能直接影響車(chē)輪踏面狀態(tài)。

通過(guò)長(zhǎng)期觀察鏇修完畢車(chē)輪的運(yùn)用狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行超過(guò)5 000 km，踏面表面出現(xiàn)熱斑，運(yùn)行超過(guò)10 000 km，熱斑演變成微小刻度狀裂紋，隨著運(yùn)行公里數(shù)增加，裂紋逐步擴(kuò)展，其原因在于閘瓦散熱性能較差，頻繁制動(dòng)產(chǎn)生的高溫使踏面表層瞬時(shí)加熱，隨后在空氣中冷卻形成馬氏體薄層，在輪軌接觸應(yīng)力等反復(fù)作用下，裂紋逐漸形成。當(dāng)相鄰裂紋相接觸(運(yùn)行超過(guò)80 000 km)時(shí)，在輪軌接觸應(yīng)力等作用下，踏面裂紋演變?yōu)閯冸x，導(dǎo)致車(chē)輪鏇修。通過(guò)此類車(chē)輪鏇修發(fā)現(xiàn)，裂紋會(huì)向輪輞內(nèi)部發(fā)展，其深度約為裂紋長(zhǎng)度的1/6，如圖4所示。車(chē)輪鏇修后，仍存在較嚴(yán)重缺陷，造成車(chē)輪鏇修量增加。

圖4 熱裂紋造成車(chē)輪鏇修3 mm(半徑)后仍存在缺陷

閘瓦主要由碳粉、樹(shù)脂、金屬粉末等材料進(jìn)行混合攪拌，并經(jīng)過(guò)高溫高壓壓制成型。由于制動(dòng)時(shí)閘瓦與車(chē)輪踏面摩擦產(chǎn)生高溫，在高溫作用下，閘瓦中樹(shù)脂材料溶解，閘瓦與車(chē)輪摩擦產(chǎn)生的金屬粉末和輪軌接觸產(chǎn)生金屬顆粒，這些金屬磨粒就鑲嵌在因樹(shù)脂溶解而產(chǎn)生的空穴中。而這些鑲嵌在閘瓦上的金屬雜質(zhì)遇到冷空氣后，金相結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，再次制動(dòng)時(shí)閘瓦表面留存的金屬雜質(zhì)不斷剮蹭切削踏面，切削下的金屬與原有金屬雜質(zhì)在高溫高壓下融合變大，導(dǎo)致踏面出現(xiàn)溝槽。

2.2 輪緣異常磨耗問(wèn)題

車(chē)輛在區(qū)線上運(yùn)行時(shí)，由于離心力的作用，外側(cè)車(chē)輪輪緣受到的橫向力遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)車(chē)輪輪緣，特別是經(jīng)過(guò)小曲線時(shí)，橫向輪軌磨耗尤為突出。因此，外側(cè)車(chē)輪輪緣磨耗更為嚴(yán)重，且動(dòng)車(chē)車(chē)輪輪緣磨耗比拖車(chē)大，這一點(diǎn)在實(shí)際運(yùn)用中也得到了很好的驗(yàn)證。津?yàn)I輕軌二期工程全部為地下段，

曲線多、半徑小，其中最小半徑為300 m，轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線時(shí)，輪緣與外軌內(nèi)側(cè)面密貼。圖5為300 m曲線處輪軌實(shí)際接觸情況。

圖5 300 m曲線處輪軌實(shí)際接觸狀態(tài)

通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，動(dòng)車(chē)車(chē)輪輪緣磨耗約為拖車(chē)車(chē)輪輪緣磨耗量的2～3倍，且動(dòng)車(chē)1輪和8輪磨耗最為嚴(yán)重，這主要是由于車(chē)輛通過(guò)曲線時(shí)，滾動(dòng)的同時(shí)會(huì)伴隨出現(xiàn)滑動(dòng)(一般多為橫向滑動(dòng))，車(chē)輪在曲線段產(chǎn)生的附加動(dòng)壓力與曲線半徑成反比，在曲線段輪軌接觸應(yīng)力會(huì)變大，造成輪緣加速磨耗。

3 采取的措施

大量的車(chē)輪異常磨耗極大地縮短了車(chē)輪的使用壽命，增加了車(chē)輛檢修成本，在大量調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，我們采取了如下幾點(diǎn)措施：(1) 與國(guó)內(nèi)閘瓦廠家合作，通過(guò)有效控制樹(shù)脂的分解殘留物，增加閘瓦微孔率，提高閘瓦散熱性能，有效防止或減少閘瓦金屬鑲嵌物和車(chē)輪踏面熱裂紋的產(chǎn)生。自2011年采用新型閘瓦后，再未出現(xiàn)車(chē)輪踏面熱裂紋，閘瓦金屬鑲嵌現(xiàn)象降低超過(guò)93%。(2) 通過(guò)在曲線段鋼軌內(nèi)側(cè)涂抹潤(rùn)滑材料，改善軌道曲線處輪軌接觸條件，輪緣磨耗量由0.21 mm/萬(wàn)km降至0.11 mm/萬(wàn)km，輪緣磨耗量降低約50%。(3) 根據(jù)輪緣厚度變化情況及時(shí)啟用LM-26和LM-28標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車(chē)輪進(jìn)行經(jīng)濟(jì)鏇輪，降低車(chē)輪鏇修量。

4 結(jié)語(yǔ)

改善制動(dòng)閘瓦性能及軌道曲線處輪軌配合條件，可以有效控制車(chē)輪異常磨耗，延長(zhǎng)車(chē)輪使用壽命；與此同時(shí)，合理的車(chē)輪鏇修標(biāo)準(zhǔn)，也可有效降低車(chē)輪鏇修量。

[1]王福天.車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1994

[2]李霞，溫澤峰，金學(xué)松.地鐵車(chē)輪踏面異常磨耗原因分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010(8)

2014-06-16

李新宇(1978—)，男，河南人，工程師，研究方向：城市軌道交通車(chē)輛。