鐵路機(jī)車車輪輞裂特征分析與對策研究

容長生

（中國鐵路總公司 運(yùn)輸局機(jī)務(wù)部，北京 100844）

鐵路機(jī)車車輪輞裂特征分析與對策研究

容長生

（中國鐵路總公司 運(yùn)輸局機(jī)務(wù)部，北京 100844）

機(jī)車車輪在運(yùn)用過程中常見的損傷主要有踏面損傷及輪輞內(nèi)部裂紋（簡稱輞裂）兩大類。由于內(nèi)部裂紋極具隱蔽性，初期很難發(fā)現(xiàn)，故上述兩類損傷中又以輞裂的危害性最大。對輞裂的特征進(jìn)行總結(jié)，通過分析車輪輞裂產(chǎn)生的原因、機(jī)理及發(fā)生規(guī)律，提出在目前高速、重載條件下針對此類車輪失效模式的對策。

機(jī)車；車輪；輞裂；踏面損傷；輞裂機(jī)理

車輪作為機(jī)車的主要承載部件，通過輪軌黏著產(chǎn)生牽引力和制動力，其工作條件惡劣、受力狀況復(fù)雜，車輪質(zhì)量的穩(wěn)定對保證列車運(yùn)行安全至關(guān)重要[1-2]。機(jī)車車輪在運(yùn)用過程中常見的損傷主要有踏面損傷及輪輞內(nèi)部裂紋（簡稱輞裂）兩大類，輞裂又因其隱蔽性造成的危害性最大，若不及時發(fā)現(xiàn)，形成掉塊，會 嚴(yán)重危及行車安全[3-4]。運(yùn)用失效分析 手段 ，對輞裂車輪的特征、產(chǎn)生原因、機(jī)理及發(fā)生規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)梳理，提出在目前我國鐵路運(yùn)營條件下針對此類車輪失效模式的對策。

1 車輪輞裂失效分析

1.1 輞裂原因及機(jī)理

車輪在運(yùn)用過程中由輪輞內(nèi)部產(chǎn)生的疲勞裂紋稱為輞裂。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定尺寸后，在輪輞外側(cè)面或內(nèi)側(cè)面、輪緣處可觀察到沿車輪圓周方向的裂紋（見圖1、圖2）。

將某型輞裂車輪的裂紋打開后，其斷口存在明顯裂紋源，圍繞裂紋源可觀察到清晰的貝紋狀疲勞擴(kuò)展條紋特征，呈現(xiàn)典型的疲勞斷裂特征（見圖3）。裂紋源距離車輪踏面有一定深度，深度通常為10～20 mm。對裂紋源處進(jìn)行掃描電鏡觀察和能譜檢驗（結(jié)果見圖4），裂紋源處殘留有一定尺寸的Al2O3類非金屬夾雜物，該類夾雜屬脆性夾雜物。

圖1 輞裂在車輪外側(cè)面的表現(xiàn)形貌

圖2 輞裂在輪緣及內(nèi)側(cè)面的表現(xiàn)形貌（偶有發(fā)生）

圖3 輞裂車輪斷口的宏觀形貌

車輪中Al2O3夾雜物與基體間的彈性性能存在差異（Al2O3彈性模量為390 GPa，車輪鋼彈性模量為210 GPa），在輪軌接觸應(yīng)力作用下，Al2O3夾雜物將比周圍基體承受更大應(yīng)力，形成非均勻應(yīng)力場，故夾雜物對輞裂的形成有直接成核的效果。加之輪軌間接觸面下10～20 mm范圍是輪輞內(nèi)部剪切應(yīng)力最大區(qū)域，當(dāng)該區(qū)域存在一定尺寸脆性夾雜物時，在周期性輪軌接觸應(yīng)力作用下裂紋易在夾雜物處萌生。

圖4 裂紋源處夾雜物形貌及能譜分析結(jié)果

1.2 車輪檢驗結(jié)果

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]對輞裂車輪進(jìn)行化學(xué)成分、性能和顯微組織的檢驗。結(jié)果分別見表1、表2、圖5。

表1 車輪化學(xué)成分檢驗結(jié)果 wt%

表2 車輪性能檢驗結(jié)果

可見，表1、表2中車輪的化學(xué)成分及性能均滿足技術(shù)條件要求。由圖5可知，車輪顯微組織由細(xì)珠光體和沿晶界分布的鐵素體構(gòu)成，組織為車輪輪輞正常的淬火+回火組織，顯微組織未見異常。由此表明，輞裂車輪僅與其裂紋源處的脆性夾雜物有關(guān)，與車輪的性能無必然聯(lián)系。

圖5 車輪輪輞部位的顯微組織形貌

2 輞裂故障發(fā)生規(guī)律統(tǒng)計

隨著我國鐵路機(jī)車牽引定數(shù)和運(yùn)行速度的不斷提高，車輪輞裂也呈現(xiàn)多發(fā)趨勢。對近年來發(fā)現(xiàn)的輞裂車輪情況進(jìn)行統(tǒng)計（具體情況見圖6、圖7），存在以下規(guī)律：

（1）從裂紋源的深度分布來看，機(jī)車輞裂車輪的裂紋源主要集中在車輪踏面下10～30 mm、距外側(cè)面55～75 mm處（見圖6）。結(jié)合失效分析，該范圍通常是輪輞內(nèi)部剪切應(yīng)力最大區(qū)域。

（2）從發(fā)生輞裂機(jī)車車輪走行公里的統(tǒng)計結(jié)果來看，輞裂車輪的運(yùn)行里程基本都超過20萬km（見圖7）。由此表明車輪輞裂的發(fā)展需要一個過程，這符合材料疲勞損傷的特征，即材料疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展均需要一定時間。結(jié)合近年來的匯總統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前被普遍接受的認(rèn)識是：在發(fā)生輞裂的機(jī)車車輪中，新造、大修（C6、C5）或中修（C4）后，內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行12萬～15萬km、電力機(jī)車在運(yùn)行18萬～25萬km是車輪輞裂故障發(fā)生的高頻時段（但并非絕對）。

圖6 輞裂車輪裂紋源位置分布規(guī)律統(tǒng)計結(jié)果

3 對策研究

引起車輪輞裂的原因與車輪鋼中夾雜物有關(guān)，但車輪鋼在冶煉過程中不可避免的會存在夾雜物，且夾雜物的分布具有隨機(jī)性，因此，造成車輪輞裂的源頭缺陷很難避免。對于機(jī)車運(yùn)用部門而言，通常情況下可通過超聲波探傷、加密探傷頻次、縮短探傷周期進(jìn)行預(yù)防。但在現(xiàn)場生產(chǎn)中這又是不現(xiàn)實的，由于機(jī)車不動車車輪超聲波探傷方法雖然效率較高，但對此故障不敏感、易漏判，而采用雙晶直探頭超聲波動車探傷效率太低，探傷頻次不能太高，易錯過最佳探傷時機(jī)。結(jié)合上述對輞裂車輪的失效分析結(jié)果和統(tǒng)計規(guī)律，總結(jié)現(xiàn)場運(yùn)用維修經(jīng)驗，運(yùn)用信息化、大數(shù)據(jù)管理思路，提出以下建議和措施：

（1）在機(jī)車新造、大修或中修時，對車輪表面狀態(tài)及內(nèi)部缺陷進(jìn)行全面探傷檢測，保證車輪源頭質(zhì)量。按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]進(jìn)行超聲波探傷檢查，缺陷指示值應(yīng)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的當(dāng)量缺陷值。

（2）機(jī)車在檢修庫進(jìn)行修程檢修時，除按照修程范圍要求開展車輪探傷外，還要開展防止車輪輞裂的針對性探傷。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計的結(jié)論，內(nèi)燃機(jī)車在車輪更新后運(yùn)行12萬～15萬km、電力機(jī)車在車輪更新后運(yùn)行18萬～25萬km采用雙晶直探頭進(jìn)行超聲波檢查，在裂紋萌生和擴(kuò)展的高發(fā)期進(jìn)行預(yù)防性檢測。

（3）機(jī)車整備場建設(shè)車輪在線檢測或自動頂輪探傷裝置，發(fā)揮機(jī)務(wù)段日常質(zhì)量卡控作用。利用機(jī)車入段整備對輪輞及踏面，重點對距輪輞外側(cè)面55～75 mm的輪輞進(jìn)行超聲波自動探傷檢查和人工目視檢查。

圖7 車輪輞裂時走行公里統(tǒng)計（統(tǒng)計樣本數(shù)：36件）

（4）推進(jìn)機(jī)車車輪故障預(yù)測及健康管理系統(tǒng)（PHM+wheel）建設(shè)，建設(shè)車輪質(zhì)量信息平臺。在全路機(jī)務(wù)信息化建設(shè)初具規(guī)模基礎(chǔ)上，聯(lián)合車輪制造廠、機(jī)車主機(jī)廠、車輪檢修企業(yè)、機(jī)務(wù)段、車輪質(zhì)量檢驗單位等從事機(jī)車車輪生產(chǎn)制造、加工組裝、運(yùn)用維修的相關(guān)單位組成數(shù)據(jù)聯(lián)盟，采用車輪標(biāo)簽自動識別等自動化及信息化手段，全程記錄機(jī)車車輪全生命周期內(nèi)的檢測、磨耗、探傷、鏇修、故障信息，實現(xiàn)全路機(jī)車車輪故障預(yù)警、質(zhì)量追蹤、履歷管理、壽命預(yù)測及專家決策的信息化、智能化，全面提升機(jī)車車輪安全防控水平。

4 結(jié)束語

目前，隨著我國鐵路機(jī)車配屬數(shù)量的不斷增加，高速、重載運(yùn)輸組織的不斷發(fā)展，車輪故障的形式和概率也將呈現(xiàn)新的規(guī)律。根據(jù)車輪輞裂的失效分析及特征規(guī)律的統(tǒng)計結(jié)果，提出源頭控制、修程保證、日常防范的輞裂防控技術(shù)手段和管理措施。隨著PHM+wheel的深入研究和建設(shè)推進(jìn)，車輪全生命周期、全產(chǎn)業(yè)鏈大數(shù)據(jù)平臺的完善，將徹底改變我國鐵路機(jī)務(wù)整備場車 輪檢查依靠人工目視檢查，檢修庫探傷手工操作，大、中修探傷自動化水平不高的現(xiàn)狀，對提高我國機(jī)車車輪的安全防控水平將產(chǎn)生重要意義。

[1] 申瑞源．構(gòu)建大功率機(jī)車整備體系的研究與思考[J]．中國鐵路，2012(6)：7-10．

[2] 張大勇．提升我國機(jī)車技術(shù)水平的路徑探討[J]．中國鐵路，2015(6)：1-4．

[3] TB/T 3154—2007 機(jī)車車輛車輪和輪箍傷損代碼[S]．

[4] 果小軍，范文明．車輪輪輞深裂紋故障分析與探討[J]．中國鐵路，2015(12)：59-62．

[5] TJZL-01-04 中國鐵路機(jī)車用粗制整體輾鋼車輪訂貨技術(shù)條件[S]．

責(zé)任編輯 高紅義

On Characteristics of Cracks on Wheel Rim of Locomotives and Solutions

RONG Zhangsheng
（Locomotive Department，Transportation Bureau，CHINA RAILWAY，Beijing 100844，China）

Tread damage and internal cracks in rim (abbreviated as rim cracks) are the common kinds of damages of locomotive wheels in operation. As internal cracks are hidden and it is diff cult to notice them in the initial stage, they are the most harmful of the above two kinds. This article summarizes the characteristics of rim cracks, analyzes their causes, mechanisms and occurrences, and proposes the solutions to tackle the failure of wheels under the current high speed and heavy load conditions.

locomotive；wheel；rim crack；tread damage；mechanism of rim cracks

U260.33

A

1001-683X（2017）01-0062-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.01.062

2016-11-09

容長生（1975—），男，高級工程師。E-mail：rongzhsh@126.com