一起機車整體車輪的失效分析與對策

李家勇 紀曉明

(1.南寧局集團有限公司南寧機務段 廣西 南寧 530001； 2.沈陽局集團有限公司通遼機務段 內(nèi)蒙古 通遼 028000)

0 概況

機車是鐵路運輸?shù)闹匾b備，車輪作為關(guān)鍵部件承受更大的各種應力載荷，車輪的輪輞更容易出現(xiàn)疲勞裂紋缺陷，對行車安全構(gòu)成極大的威脅，極端情況下會導致車輪破裂，出現(xiàn)列車顛覆事故，因此對車輪的質(zhì)量要求越來越高。對產(chǎn)生缺陷的車輪進行分析，找出裂損原因、舉一反三是解決問題的必要手段。

2020年2月11日，某單位的機車入庫綜合監(jiān)測裝置自動檢測時，發(fā)現(xiàn)一例整體輪輞檢測存在缺陷報警，后經(jīng)過現(xiàn)場人工超聲波檢測復核，確認該輪輞存在周向約60 mm、距車輪踏面深約16～19 mm 的內(nèi)部缺陷反射波(見圖1)。2月17日，對該車輪進行鏇修處理，踏面鏇修18 mm(半徑)深度后發(fā)現(xiàn)仍存在長約50 mm 的周向裂紋，距離車輪外側(cè)面60 mm(見圖2)。該機車于2019年5月31日進行C5修，2019年11月20日進行1C1次修。輪對軸號VIII13-1919、輪輞編號1302-2100-10，鏇修前輪徑為1 217.6 mm，至故障發(fā)生日止C5修后總走行10.5 km。

圖1 損傷車輪損傷位置(現(xiàn)場)

圖2 鏇修后車輪踏面形貌(現(xiàn)場)

1 檢驗依據(jù)

依據(jù)TJ/ZL-01-04《中國鐵路機車用粗制整體輾鋼車輪訂貨技術(shù)條件》要求，對該車輪進行分析檢驗。

2 檢驗內(nèi)容及結(jié)果

對車輪進行宏觀觀察，確定車輪傷損所在位置及形貌特征。依據(jù)TJ/ZL-01-04技術(shù)條件對車輪化學成分、車輪輪輞硬度、車輪輪輞的拉伸性能及輻板沖擊性能進行檢驗。同時利用光學顯微鏡觀察車輪輪輞處的顯微組織，特別是損傷表層的裂紋形貌和組織類型，評定車輪輪輞的非金屬夾雜物級別。綜合上述宏觀及微觀分析結(jié)果，判斷車輪傷損原因，以下闡述送檢車輪(取樣編號2100-10#)的具體檢驗結(jié)果。

2.1 宏觀分析與取樣

該車輪的整體形貌及踏面剝離損傷處形貌如圖3所示。由圖可知，車輪踏面經(jīng)過鏇修后，仍有一處明顯的裂紋存在，呈“W”型形貌，傷損區(qū)域距離車輪外側(cè)面60 mm～80 mm，沿周向長度約為50 mm。車輪其他位置未見異常。

圖3 損傷車輪宏觀觀察

2.2 化學成分

依據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法(常規(guī)法)》的要求對車輪進行化學成分檢驗[1]，檢驗結(jié)果如表1所示。

表1 車輪的化學成分檢驗結(jié)果 /%

車輪的化學成分符合TJ/ZL-01-04 技術(shù)條件中牌號“3”材質(zhì)的要求。

2.3 拉伸、沖擊、硬度檢驗

對車輪輪輞的拉伸性能、輪輞沖擊性能及車輪輪輞的表面硬度、斷面硬度進行檢驗。檢驗結(jié)果分別如表 2～表 4所示。受輪徑限制，輪輞拉伸和硬度實測位置不能滿足標準檢測位置要求。

表2 輪輞拉伸性能檢驗結(jié)果

表3 車輪輻板沖擊性能的檢測結(jié)果 /J

表4 輪輞硬度的檢測結(jié)果 /HBW

疲勞由于車輪輪輞的實際拉伸試樣未能按照標準位置取樣，其結(jié)果較標準位置拉伸結(jié)果更低，但實測拉伸性能的結(jié)果仍符合TJ/ZL-01-04 技術(shù)條件中牌號“3”材質(zhì)車輪的要求。

車輪的沖擊性能符合TJ/ZL-01-04 技術(shù)條件中牌號“3”材質(zhì)車輪的要求。

車輪輪輞硬度檢測結(jié)果符合TJ/ZL-01-04 技術(shù)條件中對牌號“3”車輪的相關(guān)要求。

2.4 低倍組織檢查

在車輪輪輞處切取斷面進行低倍組織檢驗，將其精磨后，浸泡在1∶1的鹽酸水溶液中加熱至65～80 ℃，保溫10～15 min，取出低倍試片然后用熱水清洗后吹干。經(jīng)低倍檢查，該車輪輪輞斷面低倍組織中未發(fā)現(xiàn)白點、殘余縮孔、分層、翻皮、異型偏析和金屬異物等。

2.5 顯微組織及非金屬夾雜物

在車輪裂紋處切取金相試樣，采用光學顯微鏡對車輪輪輞裂紋附近及踏面下5 mm位置的顯微組織進行觀察，結(jié)果如圖4所示。裂紋中部、裂紋尖端、裂紋開口長度7.2 mm，深度1.7 mm。

圖4 輪輞裂紋的金相組織

裂紋與踏面夾角約為13°，并由踏面表層向輪輞內(nèi)部延伸。踏面表層未見塑性變形組織(已鏇修)，也未見其他異常組織存在。車輪輪輞的金相組織為細珠光體+少量鐵素體，其晶粒度為7.5級，均滿足TJ/ZL-01-04 技術(shù)條件中對牌號“3”材質(zhì)車輪顯微組織的要求。

評定車輪輪輞的非金屬夾雜物級別，結(jié)果如表 5 所示。

表5 非金屬夾雜物的檢驗結(jié)果

車輪的非金屬夾雜物級別符合TJ/ZL-01-04 技術(shù)條件中牌號“3”材質(zhì)車輪的要求。

2.6 斷口形貌

根據(jù)裂紋形貌，采用鋸切的方式將裂紋打開，其形貌如圖5所示。由圖5可知，該缺陷呈明顯的疲勞擴展特征，由于車輪踏面經(jīng)過鏇修，疲勞起源位置已經(jīng)被鏇修掉，但可根據(jù)疲勞弧線推測疲勞源的大致位置在踏面下滾動圓區(qū)域，裂紋弧線以疲勞源為中心向四周擴展。

圖5 裂紋斷口耦合面形貌

3 原因分析

車輪踏面經(jīng)過鏇修掉18 mm 后，仍殘留有一處明顯的裂紋存在，呈“W”型形貌，損傷區(qū)域距離車輪外側(cè)面60～80 mm，沿周向長度約為50 mm。將裂紋打開后，兩斷裂面均可觀察到明顯的貝紋狀疲勞擴展條帶存在，呈現(xiàn)典型的疲勞斷裂特征。由于該車輪裂紋的疲勞起源處已經(jīng)被鏇修掉，無法對裂紋疲勞起源處及車輪踏面表層的初始狀態(tài)進行檢測，僅可根據(jù)殘留的疲勞弧線推測疲勞源的大致位置位于車輪踏面下滾動圓區(qū)域。結(jié)合現(xiàn)場信息和實際檢驗結(jié)果分析推測，該傷損為起自車輪踏面下滾動圓區(qū)域的疲勞損傷。產(chǎn)生此種疲勞損傷的可能性有兩個方面，一是輪輞中的非金屬夾雜導致的輞裂，二是輪軌滾動接觸疲勞產(chǎn)生的淺表層裂紋擴展和延伸。結(jié)合現(xiàn)場信息和實際檢驗結(jié)果分析判斷，該傷損為起自車輪踏面下滾動圓區(qū)域的疲勞損傷[2]。

4 對策

(1)從源頭控制車輪質(zhì)量，對新品車輪加強品質(zhì)管控。

(2)梳理該型機車車輪的傷損信息，繼續(xù)跟蹤使用情況，對發(fā)生探傷報警應予以充分重視。

(3)將機車入庫綜合監(jiān)測系統(tǒng)裝置與常規(guī)超聲波檢測互相銜接，納入質(zhì)量管控體系，形成機車輪對閉環(huán)監(jiān)測管理機制。

(4)對于《機車在役零部件無損檢測 第2部分：輪箍、整體車輪輪輞超聲波檢測》QCR331.2—2018號文件中關(guān)于“輞裂”的重要闡述應深刻理解與貫徹，運用到日常超聲波檢測當中。

(5)建立車輪壽命管理機制，摸索輪輞傷損與超聲波檢測周期的規(guī)律，應用大數(shù)據(jù)分析管理，為排除隱患作出決策依據(jù)。

5 效果

通過對鏇削后輪輞表面形貌及狀況分析，所發(fā)現(xiàn)的缺陷已經(jīng)涵蓋：制動剝離、踏面接觸疲勞剝離、局部接觸疲勞剝離、輪輞內(nèi)部疲勞裂紋(輪輞輞裂)、局部擦傷剝離、機砂品質(zhì)不良等引起的踏面密集麻點過多形成剝離等幾種形式，豐富了檢測經(jīng)驗，為后續(xù)檢修工作提供了參考。