動車組車輪踏面淺表層裂紋成因分析*

張　弘

(中國鐵道科學研究院　金屬及化學研究所， 北京 100081)

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專題研究

動車組車輪踏面淺表層裂紋成因分析*

張弘

(中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所， 北京 100081)

針對動車組車輪在運用過程中出現的踏面淺表層裂紋，分別通過材料檢測和理論計算對裂紋成因及影響因素進行了分析。分析表明，影響踏面淺表層裂紋形成的因素主要有兩個方面：一是在輪軌接觸應力作用下踏面下2～4 mm范圍內存在一個應力較大的區域，在該區域內車輪材料對應的強度裕量最小，容易形成材料疲勞，進而萌生疲勞裂紋；二是輪輞材料中靠近踏面表層區域可能存在脆性非金屬夾雜物，在該區域較高的應力場條件下，脆性非金屬夾雜物即成為萌生裂紋的起源。為防止產生車輪踏面淺表層裂紋，提出兩個方面的對策，一是應提高車輪制造過程中鋼材冶煉純凈度，控制脆性非金屬夾雜物的數量和分布；另一方面對出現踏面淺表層裂紋的車輪及時進行旋修，在裂紋萌生的早期即將其去除，防止裂紋向深處擴展。

車輪； 裂紋； 形貌； 應力； 分析

近期，國內動車組在運用過程中，多次出現車輪踏面淺表層裂紋，此種裂紋沿車輪踏面周向分布，對裂紋區域探傷檢查發現此類裂紋向輪輞內部擴展深度最大可達10 mm，若不及時處理，將會發展成踏面大塊脫落，嚴重威脅動車組運行安全。為消除此種缺陷必需對踏面進行大量旋修處理，這大大縮短了車輪的正常使用壽命，增加了現場檢修工作量，造成不必要的經濟損失。

因此對這種裂紋形成的機理進行研究，并提出相應的解決對策是非常有必要的。

1　車輪裂紋分布及旋修處理(見圖1～圖2)

圖1　動車組車輪踏面淺表層裂紋

圖2　踏面淺表層裂紋經旋修后的狀態

2　材料分析

抽取1件出現踏面淺表層裂紋的動車組車輪進行組織形貌觀察和材料性能檢測[1]。

將踏面淺表層裂紋打開，裂紋打開后其偶合斷口形貌如圖3所示。

從圖3中可觀察到起自踏面并向輪輞內部擴展的疲勞弧線，這表明該裂紋是自踏面萌生后向輪輞內部擴展形成的。觀察金相磨面踏面表層和裂紋周邊的組織形貌如圖5～圖7，踏面表層及裂紋部位均存在明顯的塑性變形層組織，其為輪軌接觸應力作用下車輪材料發生塑性變形所致。此種裂紋進一步擴展會形成踏面剝離。

圖3　裂紋偶合斷口形貌

圖4　踏面表層及裂紋區域的金相組織

圖5　踏面塑性變形形貌

圖6　裂紋附近塑性變形形貌

車輪輪輞芯部的金相組織為鐵素體+珠光體，如圖8為車輪輪輞的正常淬火+回火組織。

對車輪輪輞和輻板的拉伸性能、輪輞室溫和-20℃的沖擊性能、輪輞的表面硬度、斷面硬度及車輪材料化學成分進行檢驗。檢驗結果分別如表1～表4。

表1　輪輞和輻板拉伸性能檢驗結果

表2　車輪輪輞沖擊性能的檢測結果　J

表3　輪輞斷面硬度的檢測結果　HB

表4　車輪的化學成分檢驗結果　wt%

檢驗結果表明：

針對車輪的常規理化性能檢驗結果說明車輪本身的材料、制造過程及控制工藝均正常，產生車輪踏面淺表層裂紋的原因應與車輪本身的制造質量關系不大。

3　理論計算分析

為從理論角度分析車輪踏面淺表層裂紋的形成機理，采用有限元對輪軌接觸及應力分布進行計算，計算采用的有限元網格劃分如圖9。

圖9　拉伸性能曲線

3.1彈塑性參數設置

3.1.1屈服準則

應用Mises屈服準則[2]判斷輪軌接觸區是否發生屈服，該準則可描述為滿足式(1)的不等式時輪軌接觸區域發生屈服。

(1)

式中σe為Mises等效應力，σ1、σ2、σ3為第1、第2和第3主應力，σs為屈服強度。

3.1.2應力-應變特性

通過拉伸試驗可以獲得車輪鋼和鋼軌鋼的名義應力-應變曲線，名義應力-應變曲線不能直接應用到輪軌彈塑性接觸分析，需要轉化成真實應力-應變曲線再應用的有限元分析中，名義應力σ、名義應變ε與真實應力σr、真實應變εr之間的換算關系見式(2)[3]：

(2)

根據式(2)對實測車輪鋼和鋼軌鋼的名義應力-應變曲線進行轉化，最終得到材料的真實應力-應變曲線，具體如圖10所示。

由測量數據[4]可知，車輪鋼材料的屈服極限σs，為627.8 MPa；熱軋鋼軌材料沒有明顯的屈服極限，其條件屈服極限σ0.2為565.3 MPa，可作為熱軋鋼軌材料拉伸曲線的屈服點。

圖10　車輪踏面接觸區域的應力分布

3.2輪軌接觸應力計算結果

進行輪軌接觸應力計算，車輪輪輞近路面區域的應力分布情況如圖11，滾動圓位置沿踏面向內的應力梯度曲線如圖12。由圖可知，對應應力最大值的區域出現在車輪踏面表面，除此之外，在車輪踏面下2～4 mm深度處也存在一個應力較高的區域。

圖11　接觸應力沿踏面深度的分布梯度

4　裂紋成因分析

根據計算分析的結果，在輪軌接觸應力作用下，車輪踏面近表層區域存在兩處應力較大的區域，一處位于踏面表面與鋼軌接觸位置，另一處位于輪軌接觸位置表面下約2～4 mm深度處。這兩個區域的接觸應力均接近甚至超過車輪輪輞部位的材料屈服強度，因此這兩個應力較高的區域都是容易萌生裂紋的位置。其中，踏面表面的高應力區是造成車輪踏面接觸疲勞和剝離裂紋的主要原因，而表層下2～4 mm深度處存在的較高應力區是產生踏面淺表層裂紋的主要原因。也就是說，從外部運用條件上分析，輪軌接觸應力作用是產生車輪踏面表層和淺表層材料疲勞的主要誘因。但輪軌滾動接觸是車輪運用中不可避免的客觀現實和前提條件，在此種既定的外部條件下，需進一步針對車輪材料這一內部因素進行討論。

車輪踏面附近應力較高的區域在降低材料強度裕量的同時也對夾雜物尺寸非常敏感，因為隨著應力水平增加，萌生顯微裂紋的脆性非金屬夾雜物的臨界直徑也會顯著減小。當輪輞中靠近踏面表層存在脆性非金屬夾雜物時，將以夾雜物為起源點萌生顯微裂紋，顯微裂紋擴展后即以踏面淺表層裂紋的故障形式出現。若裂紋深度不大且在車輪踏面旋修時能及時發現并去除，則不會影響車輪的繼續使用；但裂紋擴展較深時，會使旋輪深度增加，降低車輪使用壽命。

通過上述分析可知，導致動車組車輪踏面淺表層裂紋的根本原因有兩個方面，外部原因是輪軌接觸應力分布特點，內部原因是車輪材料內部的脆性非金屬夾雜物。由于外部原因是車輪運用的必然條件，只能從內部原因方面入手，在一定程度上可以通過優化材料制備等手段加以控制。此外在車輪運用和維護過程中也可采取有針對性的措施加以處理，盡量控制淺表層裂紋的擴展。

5　結束語

根據車輪踏面淺表層裂紋的形成機理和影響因素分析，結合車輪生產和運用的實際情況，提出防止或減少動車組車輪踏面淺表層裂紋的對策：一是在保證符合相關技術條件要求的前提下，盡可能提高車輪制造過程中鋼材冶煉純凈度，進一步控制脆性非金屬夾雜物的形態和數量，優化其分布狀態，減少裂紋起源的可能性；另一方面，從車輪運用和維護的角度，建議一旦發現車輪踏面出現淺表層裂紋，即應盡快進行旋修處理，以便及早去除裂紋，防止其進一步向深處擴展。

[1]付秀琴，張弘，叢韜. 動車組車輪踏面裂紋分析報告[R]. 北京：中國鐵道科學研究院，2013.

[2]酈正能，張紀奎. 工程斷裂力學[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[3]張曉敏，萬玲，嚴波，等. 斷裂力學[M]. 北京：清華大學出版社，2012.

[4]張弘，付秀琴，張澎湃，等.《動車組車輪自主創新》研究報告[R]. 北京：中國鐵道科學研究院，2013.

Reason Analysis of Shallow Surface Cracks on EMU Wheels Tread

ZHANG Hong

(Metals & Chemistry Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Aiming at the shallow surface crack occurred on tread during the operation process of EMUs wheels, both methods of materials testing and theoretical calculation were used to analyze the reasons and influence factors of the crack. The analysis results show that there are two influence factors of shallow surface crack formed on tread. On one aspect, there is a large stress area 2～4 mm below the tread due to the wheel rail contact forces. The wheel material in this area shows the minimum strength margin, which is vulnerable to fatigue, leading to the initiation of fatigue crack. On the other aspect, brittle nonmetallic inclusions may exist at tread surface, which could become the crack initiation under the high stress action in this area. In order to prevent the formation of shallow surface crack at the tire tread, two countermeasures are put forward. One is to improve the steel smelting purity in the manufacturing process of wheels, and control the number and distribution of brittle nonmetallic inclusions. The other is to carry out tread turning in time, and remove the micro-cracks at the early stage of crack initiation to prevent them from expanding into cracks.

wheel; crack; morphology; stress; analysis

1008-7842 (2016) 01-0006-04

男，副研究員(

2015-10-29)

U266

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.02

*中國鐵路總公司科技研究開發計劃重大課題(2009J015);國家自然科學基金-高鐵聯合基金項目(U1234207)；中國鐵路總公司科技研究開發計劃重點課題(2014J004-I)；國家重點基礎研究發展計劃(973)項目(2015CB654800)；中國鐵路總公司科技研究開發計劃重大課題(2013J008-C);中國鐵路總公司科技研究開發計劃重點課題(2015J007-E)