城市軌道交通車輛車輪踏面缺陷產生的機理和預防措施

葉都瑋

(上海阿爾斯通交通設備有限公司,200245,上海∥質量經理)

城市軌道交通車輛車輪踏面缺陷產生的機理和預防措施

葉都瑋

(上海阿爾斯通交通設備有限公司,200245,上海∥質量經理)

分析了城市軌道交通車輛車輪踏面產生裂紋和剝離等缺陷的機理,提出了預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;對磨損車輪及時進行旋磨或打磨處理;降低車輪機械制動摩擦范圍,提高電制動的范圍;開發新材料,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;滾動接觸疲勞;預防措施

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

城市軌道交通車輛的設計中有很多依據UIC(國際鐵路聯盟)和EN(歐洲標準)開發的產品,尤其是轉向架和輪對的設計加工工藝。但是在實際運營中,一些車輪踏面在正常的使用壽命中開始有缺陷。本文通過對這些車輪踏面缺陷的檢測和原因分析,通過安定極限理論等提出其產生機理和演變過程,并根據產生機理和演變過程及經驗數據確定測試方法,進一步在設計和加工工藝上提出預防措施。

目前,輪對制造和生產依據EN 13262:2004《鐵路應用-輪對和轉向架-車輪-產品要求》和UIC 812,輪對的生產和技術要求依據EN 13260:2003《鐵路應用-輪對和轉向架輪對-生產要求》。例如,某城市軌道交通車輛采用無搖枕結構轉向架、低合金鋼板焊接構架、二系懸掛形式和磨耗型踏面的整體輾鋼車輪;每一車軸裝有兩個整體輾鋼輪,材料為R9T,新車輪徑尺寸為840 mm(根據UIC510-2)。

1 車輪踏面產生裂紋和剝離等缺陷的機理

根據對運行2000 km完成滿載試驗的城市軌道交通A型車輛的車輪踏面進行檢查,發現部分車輪踏面有明顯點狀剝離(見圖1)。點狀剝離基本呈圓形,其周向長度通常不大于5 mm,且其深度不大于1 mm。在剝離點周圍形成灰白色帶狀擦痕。帶狀擦痕長度為點狀剝離直徑的15倍到20倍。

圖1 車輪踏面有明顯點狀剝離

在同一列車的另外2個車輪上發現擦傷現象(見圖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 車輪踏面的擦傷現象

使用李氏硬度計測試,車輪踏面點狀剝離處硬度沒有明顯變化;圓形擦傷處硬度急劇上升,達到HB 580～650。而正常車輪踏面硬度通常為HB 280～310。圖3中用于硬度檢測的車輪,其未見擦傷處硬度為HB 268,在踏面與軌道碾壓處硬度為HB 300～320。

為排除車輪本身質量問題,特收集分析了車輪的相關檢驗報告。車輪出廠報告見表1～3。車輪材質機械性能見圖4。

圖3 車輪踏面硬度分布

表1 車輪材質連鑄圓坯化學成分報告

表2 車輪材質金相檢驗報告

表3 車輪材質化學元素的質量分數

由上述檢測報告可知,車輪材質機械性能符合 標準,硬度符合要求,可以排除車輪存在質量問題。

本文所討論城市軌道交通車輛采取踏面制動。型式試驗中,在車輪側面和制動閘瓦側面上增加溫度試片(見圖5)。通過對溫度試片的測試記錄,在點狀剝離嚴重的車輪上溫度可達到250℃,在踏面與軌道接觸處溫度可達300～350℃;且在AW3(超載,9人/m2)狀態進行緊急制動時,雖然車輛采取了防滑措施,但制動靴對車輪踏面進行摩擦制動后,車輪踏面的溫度短時間會超過300～350℃。

根據硬度測試結果和溫度記錄,依據車輪的力學報告和化學組織成分報告(見圖6),可對踏面出現剝離和擦傷的機理做進一步分析研究。

圖4 車輪材質機械性能

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。

根據筆者的工作經驗及國內外文獻報道,車輪踏面剝離大致有三種不同原因造成(見表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、擦傷的檢驗記錄,可認為:列車由于制動(尤其是在AW3情況下緊急制動)和滑行,車輪受熱,并在軌面上淬火;在制動緩解中,車輪踏面回火。車輪踏面組織中珠光體和鐵素體在300～350℃時逐步變成馬氏體和回火馬氏體,這種轉變是反復多次的。在組織比容膨脹縮小、珠光體和鐵素體變為馬氏體和回火馬氏體中,有碳原子釋放到晶格間導致晶格變形,最后在晶格處產生裂紋,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300℃后,屈服極限急劇下降(見圖7)。

圖7 國產CL60鋼溫度和屈服極限相關圖

根據安定極限理論,材質在應力-應變循環過程中,塑性變形發生到一定程度后,塑性變形層加工硬化到一定程度,不再產生新的塑性變形而達到一種安定狀態。然而,本案例的車輪踏面,延伸性相對較小,回火馬氏體在表層內阻礙了塑性變形,從而在回火馬氏體積聚的區域形成裂紋。裂紋通過奧氏體組織向踏面的表面延伸形成開口的裂紋。在表面開口裂紋形成后,開口裂紋深處氧化,形成氧化物雜質,滾動接觸疲勞加劇裂紋的擴散。當緊急制動(或制動力不匹配)過大時,產生抱閘現象,輪軌的粘著力消失,輪軌間出現滑行或蠕滑現象。此時摩擦產生的熱量極大,車輪踏面處溫度快速上升到極高溫,很容易達到車輪鋼的高溫奧氏體相變點或以上;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摩擦,很容易碎裂和脫落,這又形成了剝離。

2 剝離和擦傷對軌道產生的不良影響

(1)車輪踏面形成剝離后,使車輪踏面和鋼軌間的摩擦系數提高。

(2)車輪踏面不圓度將對軌道形成沖擊。

(3)車輪踏面的硬度上升將造成軌道使用壽命降低。通過試驗發現,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)增加列車運行的噪聲。

3 檢測方法

(1)內部應力檢測,可采用超聲波檢測和鉆孔檢測。超聲波檢測可以按EN 13262:2004中《確定輪緣內殘余應力的超聲波方法(非破壞性方法)》對在線車輪進行非破壞性檢測,確認其內部應力變化值作為參考。鉆孔檢測可參考 EN 13262:2004標準中《確定踏面深處的圓周殘余應力變量所采用的應力片方法(破壞性方法)》對已磨耗輪抽樣進行內部應力檢測,確認其內部應力變化值作為參考。

(2)裂紋檢測,可按鐵道部相應的標準進行周檢。

4 預防措施

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

(2)對磨損車輪及時按嚴格的工藝過程進行旋修或打磨處理。

(3)提高電制動的范圍,降低機械制動摩擦范圍。例如,上海軌道交通3號線車輪的機械摩擦制動范圍為15%,2號線車輪的機械摩擦制動范圍為8%。通過對比,3號線車輪的磨耗明顯大于2號線。

(4)開發新材料,提高車輪抗剝離的能力。這是最為重要的一條途徑。

5 結 語

由于設計選型、產品加工工藝或運行檢測等原因,造成城市軌道交通車輛的車輪踏面出現裂紋和剝離等缺陷。車輪踏面的損傷和裂紋會造成運營成本增加,同時也可能造成車輛運行中出現極端惡性事故。本文通過對缺陷產生機理的分析,提出檢測手段和預防措施,以降低運行成本和避免相關的運行事故。

[1]Eric Magel,Peter Sroba,Kevin Sawley,et al.Control of Rolling Contact Fatigue of Rails[R].Centre for Surface T ransportation Technology,2005.

[2]Istvan Zobory.Prediction of Wheel/Rail Profile Wear[J].Vehicle System Dynamics,1997(28):221.

[3]Istvan Zobory.T heoretical Investigation of Wheel/Rail Nonlinear Interaction due to Roughness Excitation[R].ISVR Technical Memorandum,2000.

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.

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U 270.331+.1

2010-01-12)