HXN3型機車整體輪輞踏面剝離的原因及對策

車 方

(中國鐵路沈陽局集團有限公司通遼機務段 內蒙古 通遼 028000)

1 問題的提出

2018年11月， HXN3型機車C5修時裝車CAF車輪，該車輪機械性能與HXN3型機車原裝車B級鋼材質相近，但與北美鐵路協(xié)會AAR M-107/M-208標準比對，元素含量略有差異。機車運行一段時間后，在1C1檢次陸續(xù)發(fā)現(xiàn)4臺機車共計6個輪對的輪輞踏面存在剝離和熱裂紋。初期超聲波探傷檢測輪輞近表面幾乎無法發(fā)現(xiàn)，但是其潛在的危害是向輪輞內部發(fā)展，無規(guī)律可循，一旦條件耦合會形成輞裂甚至輪輞掉塊的惡性事故。通遼機務段機車運行區(qū)域都是高寒地區(qū)中曲線半徑小、坡道多的高坡大嶺山路，線路狀況復雜，歷來是機車輪對故障多發(fā)區(qū)域(見圖1)。

圖1 機車輪輞踏面形成剝離鏇修前后的形貌

2 踏面剝離形式及特征

根據(jù)各種典型剝離現(xiàn)象的宏觀和微觀形貌特征，其成因主要有制動剝離、踏面接觸疲勞剝離、局部接觸疲勞剝離、局部擦傷剝離、輪輞內部疲勞裂紋(輪輞輞裂)等幾種類型。

(1)制動剝離。由于車輪踏面頻繁制動時摩擦產生的高熱，形成脆硬的馬氏體組織在輪軌接觸應力和列車載荷的反復相互作用下，產生制動熱剝離。

(2)踏面接觸疲勞剝離。輪軌接觸產生的最大剪應力超過車輪材料的屈服強度時就產生塑性變形，萌生微裂紋原點并逐漸擴展形成剝離，嚴重的還會向輪輞深處斜40°角發(fā)展。

(3)局部接觸疲勞剝離。由于機車運行中存在較大輪軸橫向蠕滑力，導致車輪輪緣根部、滾動圓外側一整圈出現(xiàn)魚鱗狀龜裂的現(xiàn)象，或局部脫落掉渣。

(4)輪輞內部疲勞裂紋(輪輞輞裂)。除特殊情況外，都是由于輪輞內部存在微觀夾雜物形成材質缺陷引起的，在輪輞內部各種交變載荷作用下萌生裂紋，當疲勞超過極限出現(xiàn)快速擴展的趨勢，導致“輞裂”、輪輞掉塊[1-2]。

(5)局部擦傷剝離。踏面擦傷后局部過熱及不對稱磨耗產生的失圓，造成走行部震動加大。長時間運行導致的周期性沖擊過多，加劇了踏面剝離和局部脫落，引起車載軸報裝置踏面的一級報警次數(shù)增多。

(6)其他。機砂品質不良引起的踏面密集麻點過多，麻點會隨著反復沖擊使面積迅速擴大，引起踏面疲勞形成點狀剝離。

3 原因分析

3.1 自身材質對超聲波檢測的影響

由于車輪踏面頻繁制動、摩擦產生的高熱，使踏面表層溫度瞬時間達到奧氏體相變溫度以上，隨后在空氣中迅速冷卻形成了馬氏體組織。脆硬的馬氏體組織在輪軌接觸應力和列車載荷的反復相互作用下，極易碎裂萌生熱裂紋，逐漸擴展成宏觀裂紋形成踏面剝離，表面粗糙、晶粒粗大、超聲波探傷檢測漫散射嚴重，影響聲能傳輸導致初期剝離漏檢。

3.2 運行工況的變化

HXN3型機車持續(xù)的重載、高負荷牽引運行加劇輪對的疲勞破壞，在實際運用中頻繁調速、坡起坡降、撒砂不及時、橡膠閘瓦制動引發(fā)高熱等初期制動剝離和熱裂紋問題居多，在初期裂損擴展過程中很難檢測出來, 呈現(xiàn)出各類型的剝離，擴展速率很快，隱患不斷。

3.3 檢測手段不足造成漏檢漏探

自動化檢測裝置投入不足。由于赤峰整備場目前還沒有安裝“機車輪對故障動態(tài)檢測系統(tǒng)”，在大量依靠人工目視的檢查中，檢測數(shù)據(jù)參差不齊，技術指標控制不及時，檢測手段落后，漏檢漏探時有發(fā)生，對機車安全危害居多。

3.4 車載軸報裝置對初期剝離及熱裂紋分析確認不及時

在分析車載軸報裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)時，針對踏面擦傷及異常震動報警，僅僅是遵循“一級報警鏇修、二級報警落輪”的原則，沒有分析踏面剝離故障頻譜與運行速度對應的沖擊特征，不能按剝離程度正確處置；在“沖擊趨勢分析”中僅分析10天內的沖擊次數(shù)，沒有結合沖擊幅度以及踏面剝離和熱裂紋發(fā)展趨勢進行綜合分析，造成遺漏早期剝離。

3.5 探傷檢測局限性

雙晶探頭僅是垂直于踏面分段檢測，主要是針對平行于踏面的點狀、片狀、面積狀或者踏面下體積狀的缺陷，表面下和輪緣區(qū)域處存在檢測盲區(qū)。大角度組合探頭不動車探傷的初衷是檢測輪箍的徑向裂紋，防止崩箍事故，但是探頭靈敏度低、信噪比差，遠距離檢測輪輞表面剝離時分辨率較低，極易發(fā)生漏檢，由于其技術局限性限制了輪輞剝離及熱裂紋的有效檢出，已經不能滿足現(xiàn)場的檢測需要。

3.6 熱裂紋超聲波探傷檢測存在難點

由于整體輪輞踏面上形成的近表面熱裂紋呈網紋狀或魚鱗狀、碎裂掉渣形成的剝離表面比較粗糙、晶粒粗大、漫散射嚴重，超聲波探傷檢測由于儀器阻塞效應存在著一定的盲區(qū)。而大角度橫波探頭檢測時，高頻超聲散射較大不易透射，容易出現(xiàn)林狀回波；而低頻超聲在晶粒粗大的輪輞踏面上衰減小，穿透力強，但分辨率變差，遠距離檢測不易發(fā)現(xiàn)較小的缺陷。

4 采取的措施

由剝離形成機理可知，車輪踏面剝離是一個比較復雜的失效類型，導致因素很多，車輪材質本身、運行工況變化的控制、制造工藝等問題都是導致剝離現(xiàn)象的原因，短時間內無法從根本上解決。只有立足現(xiàn)狀，才能充分發(fā)揮現(xiàn)有的探傷檢測設備及手段，發(fā)揮超聲波探傷主觀能動作用，摸索形成一套完整、有效的質量控制體系。

4.1 采用窄脈沖技術實現(xiàn)精準探傷

2019年2月開始，試驗采用高頻寬帶窄脈沖超聲波探傷技術，對小輔修機車進行精準探傷檢測，探傷操作工藝按Q/CR 331.2—2018《機車在役零部件無損檢測 第二部分 輪箍及整體輪輞超聲檢測》執(zhí)行，對發(fā)現(xiàn)的隱患問題按照落修、鏇修、跟蹤監(jiān)控三級管理建立輪對監(jiān)測探傷問題庫，輪對鏇修遵照檢修規(guī)程要求的限度分級處置。

4.2 窄脈沖檢測的實現(xiàn)和技術優(yōu)勢

考慮到現(xiàn)場檢測儀器的通用性，設計高阻尼的窄脈沖換能器是最佳選擇。但是由于高頻信號的遠距離衰減性明顯比低頻大，不利于厚度工件檢測，所以試驗優(yōu)化低頻檢測，采用復合材料晶片技術并輔以匹配層技術來減少探頭的脈沖寬度，做到最大限度的小盲區(qū)窄脈沖檢測，提高了探頭在近表面軸向的分辨率，以及缺陷定量的準確性。

寬頻窄脈沖超聲探頭回波脈沖持續(xù)時間短、波形單峰性，利于提高超聲檢測的分辨率、靈敏度高、信噪比大，更容易發(fā)現(xiàn)輪輞踏面微小缺陷，對于踏面熱裂紋剝離檢測中幾乎不存在如林狀波的干擾顯示(見圖2)，克服常規(guī)探頭近表面缺陷難以分辨的影響。

圖2 窄脈沖和寬脈沖對探頭分辨率的影響

4.3 加強車載軸報分析，細化報警處置要求

(1)優(yōu)化走行部故障監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。針對不提報踏面預警的問題，通過建立典型波形對照樣本數(shù)據(jù)分析，確定故障部位及類型。對于時域波形、頻域圖和診斷抽象綜合分析，總結出踏面剝離故障多在低速下存在的沖擊特征規(guī)律，發(fā)現(xiàn)踏面擦傷及異常剝離震動報警的，利用小輔修時機予以鏇修消除。

(2)沖擊幅度和連續(xù)分析相結合。用好沖擊趨勢分析，對10天內的“沖擊趨勢分析”中的“多紀錄作圖”進行分析，對沖擊連續(xù)且沖擊較高并有上升趨勢的結合超聲波檢測復查情況按分級鏇修處置。

4.4 鏇修策略

根據(jù)《中國鐵路總公司關于印發(fā)〈鐵路機車車輪管理辦法〉的通知》文件要求[3]、TG/JW196—2019《HXN3型內燃機車檢修技術規(guī)程》等相關規(guī)定，進一步加強機車輪對檢測和對輪對鏇修技術要求的精細化管理，明確探傷及鏇修要求(見表1)。

(1)以精準檢測及早發(fā)現(xiàn)輪輞表面及近表面潛在的危害性剝離。

(2)按照單輪鏇修和整車鏇修分別對待，采用分級鏇修處置。

(3)對于踏面表面的“魚鱗狀”層疊及剝離疏松，限度控制在0.4 mm以內為宜。

(4)剝離層預防性鏇修時，車削量控制在0.8～1.0 mm即可消除，有利于避免剝離層擴展后使鏇削量增加而造成輪徑損耗，有助于抑制剝離擴大導致嚴重的剝離掉塊。

(5)在每次鏇修時輪緣厚度始終控制在23 mm～34 mm之間，按JM3磨耗型踏面并且滿足輪徑差的限制要求，最小限度地消耗車輪材料。

(6)鏇削車輪不需要考慮恢復到標準輪廓值，避免產生過度鏇修造成極大浪費。

表1 HXN3型機車輪輞幾何尺寸限度表 /mm

5 效果

通過窄脈沖超聲波探傷技術的應用，提高了機車輪輞近表面微小剝離的檢出能力， 2019年2月～2020年6月為止，采用寬頻窄脈沖超聲波探傷技術，小輔修時先后探傷檢測366臺次機車、4 392個車輪，檢測出33臺機車、64例輪輞存在缺陷問題，其中對廠家提出索賠2例、近表面缺陷鏇修消除后循環(huán)使用34例、跟蹤監(jiān)測使用28例、車載軸報裝置分析提報鏇修7例。通過精準探傷檢測盡早發(fā)現(xiàn)輪輞表面、近表面初始剝離和熱裂紋，按評判潛在的危害程度采取分級鏇修消除，減小損耗防止輪輞剝離的擴展，通過自主鏇修間接創(chuàng)造320萬元的經濟效益。由此確定今后輪輞的質量控制體系是：“精準探傷、早期發(fā)現(xiàn)、分級處置、經濟鏇削、消除隱患、再運用”的持續(xù)循環(huán)處理方式，以延長輪輞的使用壽命。

在陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的一些輪輞踏面剝離，通過鏇削后表面形貌及狀況分析，所發(fā)現(xiàn)的缺陷已經涵蓋前述幾種輞裂形式(見圖3)，極大豐富了檢測經驗，已經達到預期試驗效果，目前仍在持續(xù)優(yōu)化檢測參數(shù)和總結經驗。

圖3 機車輪輞踏面形成幾種剝離鏇后的形貌

6 結束語

采用“精準檢測、經濟鏇削，實現(xiàn)節(jié)支降耗”的措施，及早發(fā)現(xiàn)輪輞的表面、近表面危害性剝離，采用分級鏇修處置、消除潛在隱患，是符合當前修制改革的需要。后續(xù)還需要進一步加強以下工作：(1)優(yōu)化檢測參數(shù)，做好隱患排查；(2)對HXN3型機車裝車的CAF車輪使用情況繼續(xù)跟蹤，收集該材質輪輞剝離的信息，優(yōu)化機車運用工況與車輪材質的兼顧；(3)調研輪輞裂損與探傷檢測的對應周期，摸索規(guī)律排除隱患。