CRH2型動車組車輪滾動接觸疲勞問題分析

虞名政

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

1 問題的提出

隨著鐵路高速重載技術的快速發展，輪軌滾動接觸疲勞現象越來越嚴重，這不但會造成運營和維修成本的大幅增加，同時也直接影響列車運營安全。CRH2型動車組車輪采用ER8材質的車輪，近年來發生了多起車輪滾動接觸疲勞故障，其中頭尾車導向輪發生車輪滾動接觸疲勞概率相對較高。

2 原因分析

材料在循環應力作用下，產生局部永久性積累損傷，經過一定的循環次數后，接觸表面產生麻點、淺層或深層剝落的過程稱為接觸疲勞。車輪載荷通過一個相對很小的接觸區域傳遞給了鋼軌，通常會使局部載荷超過車輪和鋼軌材料的彈性極限，這就會導致滾動接觸疲勞裂紋的萌生。CRH2型動車組車輪滾動接觸疲勞主要為兩類，第一類主要由橫向力和縱向力引起，一般發生在車輪滾動圓外側15～30mm范圍內，裂紋與踏面間傾斜約45°，車輪周圈均存在；第二類主要由車輪硌傷引起，發生在名義滾動圓至外側15mm范圍內，一般發生在個別點，表現為鏇輪后內部出現月牙形缺陷。滾動接觸疲勞如不及時進行鏇修，均會導致剝離。

2.1 由橫向力和縱向力引起的滾動接觸疲勞

動車組運行過程中，車輪承受縱向力、橫向力和垂向力，其中縱向力主要由牽引、制動產生，橫向力主要由車輛過曲線和蛇形運動產生，垂向力主要由車輛自身重量及垂向沖擊產生。車輪表面材料反復承受上述疲勞載荷作用，踏面材料發生塑性變形，此類滾動接觸疲勞主要由橫向力和縱向力引起，在應力超過剪切強度的條件下（主要在過曲線時），塑性應變累積而形成微裂紋，最終導致滾動接觸疲勞，并在上述應力作用下裂紋沿45°方向向內部擴展，最終形成剝離。此類缺陷起源于踏面表面，由于表面裂紋萌生階段尺寸很小，肉眼看不到缺陷。動車組的頭尾車在進入彎道時導向輪對首先進入彎道，此時導向輪對車輪受到的橫向力及縱向力較中間車更大且更為復雜，因此動車組的頭車位置輪對更易發生滾動接觸疲勞現象。

2.2 由硌傷引起的滾動接觸疲勞

車輪踏面受到異物擊打或碾壓較硬異物時，可能導致踏面硌傷，硌傷部位存在便于萌生裂紋的微觀組織。動車組運行過程中，車輪與軌道接觸處存在接觸斑，接觸斑內存拉應力及剪應力，當踏面表面存在外傷時，其邊緣及尖端存在應力集中，在沖擊載荷下，塑性變形累積，在表面拉應力作用下形成裂紋源，在剪應力作用下裂紋擴展。由于最大剪應力分布在踏面以下3mm處，平行于踏面，裂紋擴展主要發生在車輪亞表面，擴展方向平行于踏面，因此此類缺陷在踏面亞表面比表面更明顯，通常在鏇輪后才能看到，發生在名義滾動圓至外側15mm范圍內，鏇輪后呈現月牙形缺陷，一般多發生在頭尾車導向輪。

2.3 鏇輪問題

踏面存在因硌傷引起的滾動接觸疲勞，且缺陷擴展較深，累計鏇修進刀次數大于7次，鏇修量大于7mm，在鏇輪過程中出現過部分車輪鏇出高階多邊形的情況。鏇出高階多邊形時鏇輪定位方式一般采用的是車輪定位，驅動輪驅動車輪旋轉，驅動輪額定轉速ω一般在（1.1～1.5）轉/s，直徑d為220mm。對前期發生過類似問題的鏇床進行研究、測試，驅動輪轉速大于100%ω時鏇床、固定爪、驅動輪會有低頻能量集中，驅動輪轉速為100%ω時會有42Hz的能量集中，驅動輪轉速為110%ω時會有46Hz的能量集中。在測試中，驅動輪更新后，鏇床依然有低頻能量集中，說明低頻能量集中與驅動輪狀態無關，以兩次典型鏇輪測試為例。

（1）測試1。

表1 測試1鏇輪情況

工況4中，驅動輪轉速為110%時會有46Hz的能量集中；工況3和工況6，由于鏇刀橫移速率為90%，相對較快，測試結果顯示振動相對較大；工況5由于驅動輪轉速及鏇刀橫移速率較低，鏇修效果較好，見表1。

（2）測試2。

表2 測試2鏇輪情況

工況1中，驅動輪轉速為110%時會有46Hz的能量集中；工況4中，驅動輪轉速為100%時會有42Hz的能量集中，見表2。

不同鏇床其驅動輪轉速及振動頻率可能不同。

（3）振動頻率與車輪多邊形的關系。車輪鏇出多邊形數量n與鏇輪各參數的關系如下：

n=f/(η·ω·(D/d))

d為驅動輪直徑，D為車輪直徑，ω為驅動輪額定轉速，f為振動頻率。

以前期發生的典型故障及試驗驗證情況為例，見表3。

表3 典型故障多邊形計算

該故障車輛現場檢測車輪為113邊形，與計算結果相吻合。

（4）結論及建議。通過上述對鏇床的測試及對故障輪對的分析，初步分析原因可能是鏇床低頻振動，車輪缺陷和驅動輪轉速過快共同作用的結果，驅動輪以恒定的轉速和進給量鏇修了多次（大于7刀），反復鏇修過程中，耦合調制產生的鏇修缺陷被放大，產生高階多邊形。為解決鏇出多邊形問題，建議對鏇床進行系統測試，研究鏇床振動頻率與車輪輪徑關系，找出對于存在內部缺陷的車輪多次鏇修的最佳鏇修方案。

3 安全性分析

對于由橫向力和縱向力引起的滾動接觸疲勞，其缺陷主要是在列車通過曲線或蛇形時產生，擴展速率較慢，且外觀表現明顯，易于在日常檢修中發現。對于由硌傷引起的滾動接觸疲勞，其外觀表現不明顯，踏面裂紋是在次表層剪應力的作用下擴展的，而較大剪應力橫向只存在于輪軌接觸點周圍約12mm范圍內，考慮輪對常用左右橫移接觸點15mm的移動，裂紋橫向擴展范圍約27mm，不會再向輪緣或外側擴展。深度方向，最大剪應力距踏面4mm～8mm范圍內，隨深度急劇下降，且剪應力方向與車輪切向成小角度，裂紋不會沿徑向深層擴展。在圓周方向，次表面裂紋在剪應力方向與車輪切向成小角度擴展，在切向力作用下外移，牽引制動載荷下剝落，而不會周向擴大。根據以上分析，初步認為上述兩種車輪滾動接觸疲勞裂紋不會形成貫穿性裂紋，不會導致輞裂故障，但在日常檢修過程中，如發現車輪滾動接觸疲勞，需及時進行鏇修。

4 解決措施

（1）加強日常對車輪踏面檢查，及時發現存在異常的車輪。

（2）對于存在踏面缺陷的車輪及時進行鏇修。

（3）對于需多次鏇修車輪，建議適當較低鏇床驅動輪轉速及進刀量。

[1]趙少汴.抗疲勞設計[M].北京：機械工業出版社.1994.

[2]嚴雋耄.車輛工程[M].北京：中國鐵道出版社.1992.

[3]金學松，沈志云.輪軌滾動接觸疲勞問題研究的最新進展[J].鐵道學報，2001,23（2）：92-107.