動車組轉向架車輪制動盤裂紋分析研究

鄭世偉 張楊寧 李建

摘要：本文主要針對高速動車組輪裝制動盤裂紋形成原因進行分析，并為后續車輛制動盤的安全運營提供參考。

關鍵詞：制動盤;熱負荷;裂紋

0? 引言

制動盤是軌道交通車輛中的關鍵零部件，其主要作用是與制動夾鉗配合，從而使高速列車停車、降速。高速列車在頻繁的制動力作用下，制動盤和閘片產生制動熱負荷使制動盤在短時間內承受很大的溫度梯度，長期作用下，這種冷熱循環的交變載荷會使盤面出現熱斑、磨損甚至裂紋，不僅會大大降低制動盤的使用壽命，甚至會引起災難性的事故，通過對高速動車組輪盤裂紋的深入調查，對制動盤裂紋發生的原因進行了深入分析，可有效提高制動盤的使用壽命及可靠性。本文通過對裂紋制動盤的材料及機械性能等進行研究，分析確定裂紋缺陷的產生原因，并根據原因分析提出解決措施，消除安全隱患。

1? 調查分析

選取1套發生裂紋的制動盤進行分析研究，該套制動盤內側制動盤未見裂紋，外側輪盤緊固螺栓孔處存在2處裂紋，靠近制動盤外緣裂紋深度約為2mm，靠近螺栓孔附近裂紋深度已延伸至螺栓孔根部。螺栓防松標記無錯位，制動盤表面光滑平整、無異物擊打痕跡，閘片狀態無異常。

通過對運營過程中的裂紋制動盤進行解刨分析情況如下：

1.1 斷口宏觀形貌

裂紋超限輪盤其裂紋已基本貫穿盤體厚度，靠近摩擦面表層的斷口已明顯發黑、被氧化;擴展區氧化程度較低，有明顯的撕裂棱，指向裂紋淺表層的氧化區方向，說明表面裂紋形成后并向內繼續擴展;壓斷區為新壓開的斷口，呈現淺灰色。

1.2 斷口微觀形貌

將裂紋斷口試樣置于SEM上進行觀察，螺栓孔倒尖端部位是裂紋的起源位置。靠近制動盤摩擦面的斷口表面已發生嚴重氧化。裂紋擴展區可見明顯的沿晶斷裂特征，疲勞裂紋呈現較快速擴展。壓斷區以韌窩+準解理特征為主，表現出一定的塑性。

1.3 金相組織

1.3.1 裂紋及同車輪內側制動盤金相組織

裂紋擴展路徑呈長、直擴展，短程內存在彎曲刻面。裂紋尖端附近及遠離裂紋區域的金相組織均勻性差，在整個摩擦環厚度（含散熱筋）內存在粗大樹枝晶，且有一定程度的縮松，縮松呈規律性分布于枝晶間，裂紋擴展路徑上存在裂紋與顯微縮松孔洞的匯合現象。

對裂紋制動盤樹枝晶、微結構進行對比觀察。其中內側盤（未發現裂紋）二次枝晶間距約200μm～230μm，二次枝晶密集;外側盤二次枝晶間距約180μm～300μm，二次枝晶稀疏。

1.3.2 同批次無裂紋制動盤金相組織

將服役后無裂紋的同批次輪盤作為對照進行解剖觀察金相組織，可見制動盤摩擦環內的金相組織存在樹枝晶，散熱筋內無樹枝晶。

1.3.3 不同批次無裂紋制動盤金相組織

將服役后無裂紋的不同批次輪盤作為對照進行解剖觀察金相組織。可見制動盤本體的金相組織為回火索氏體，組織均勻性較好，未見樹枝晶，縮松位置未呈明顯規律性分布。

1.3.4 小結

裂紋已基本貫穿盤體厚度，螺栓孔倒尖端部位是裂紋的起源位置。裂紋擴展區可見明顯的沿晶斷裂特征，疲勞裂紋呈現較快速擴展。

裂紋輪盤組織不均勻，存在粗大的樹枝晶，導致枝晶偏析且伴有顯微縮松，枝晶偏析可促使裂紋沿晶快速擴展。同批次輪盤中同樣觀察到樹枝晶，3個不同批次的輪盤2個未見樹枝晶，1個存在樹枝晶，但二次枝晶密集。

2? 分析結論

基于以上分析，推測輪盤裂紋的原因：輪盤鑄造時在螺栓孔倒棱處及摩擦面附近存在縮孔、疏松等缺陷，存在粗大的樹枝晶，輪盤熱處理不當所致，是裂紋產生的主要原因。

在制動過程中循環熱載荷導致的熱應力的驅動下，在螺栓孔倒棱處及摩擦面附近存在的鑄造缺陷萌生微裂紋，形成裂紋源，粗大的樹枝晶組織加速了裂紋的擴展。

3? 建議及措施

①對普查發現裂紋的制動盤進行跟蹤，對裂紋超限的輪盤及時進行更換;②加強制動盤熱處理及鑄造工藝質量管控，提高制動盤內在質量;③加強制動盤熱處理工藝的控制質量;④定期對新品制動盤進行金相組織檢驗。

參考文獻：

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