地鐵多邊形車輪顯微組織分析及運維建議

尤君，黃之軍，張婷婷，蔣兵

（中車南京浦鎮車輛有限公司 轉向架研發部，南京 210031）

0 引言

隨著各大中城市軌道交通建設運營的快速發展及車輛架修期的到來，地鐵車輛車輪的磨損問題變得越來越普遍。車輪多邊形是當前軌道車輛車輪磨損的一種主要形式，不僅會引起車輛和鋼軌間的劇烈振動，嚴重時還會損壞軌道和車輛上的其它部件，如軌枕、鋼軌、扣件、輪對軸箱軸承和構架等，在誘使較大的輪軌沖擊力和滾動噪聲的同時，還會降低乘坐舒適性，甚至引起車輛脫軌的發生[1-2]。因此設法降低城市軌道誘發的振動和噪聲，讓人類與自然的關系更加和諧，成了人們普遍關注的問題。

本文針對某個城市地鐵車輛異常振動及車輪頻繁鏇修等實際問題，分析車車輛在該運營線路環境下車輪的表面狀態，分析車輪出現多邊形的原因，從而制定處置及預防措施，為減輕車輪失圓而保障車輛的平穩運營奠定理論基礎。

1 試驗用車輪采購技術要求

1.1 車輪表面質量

車輪表面不得有結巴、折疊、裂紋、壓入物、缺肉、毛刺等，且表面不允許用鑄、焊、噴涂、電或化學沉積等工藝修整。車輛出廠時，工藝規定同一輪對上的2個車輪滾動圓徑向跳動量要求不大于0.5 mm，車輪輪輞內側跳動量不大于0.5 mm。

1.2 車輪熱處理

車輪輪輞應進行淬火和回火處理，淬火時應防止輻板進水，在淬火操作中應避免淬火裂紋。

1.3 車輪硬度

車輪輪輞斷面硬度檢測應按照ISO 6506-1標準進行，壓球直徑5 mm，測量值應符合表1規定。同一車輪在輪輞上測量的硬度值變動應在30 HB范圍內。

表1 輪輞處應達到的硬度值 HB

1.4 車輪顯微組織

車輪輪輞進行淬火與回火處理后，其組織應為細珠光體和少量鐵素體，顯微組織的檢測按照晶粒度應優于7級。

2 試驗方案及要求

2.1 試驗要求

從該列車上抽取1個轉向架，選取4個車輪中磨耗嚴重的1個車輪（材質：ER9；執行標準：EN13262）進行復驗，檢測其化學成分、晶粒度及金相組織（金相組織檢查需包含檢測出的各類組織）。

2.2 復驗方案

車 輪 按GB/T 4336、GB/T 20123、GB/T 20125、GB/T 11261或GB/T 20124規定的方法進行化學成分檢測。取樣位置為輪輞標稱直徑處的踏面下15 mm處。

車輪按GB/T 13298規定的方法進行金相組織檢測，按GB/T 6394規定的方法進行晶粒度評級。金相組織及晶粒度檢測取樣位置如圖1所示，在車輪90°位置各取4個截面，截面定義為A截面、B截面、C截面、D截面，每個截面取5個試樣進行檢驗，共計20個試樣。

圖1 金相組織及晶粒度檢測取樣位置

3 試驗結果分析及討論

3.1 車輪不圓度測試及影響

選取該線路某列車中的4輛動車作為測試對象，測試采用接觸測量方法完成，其測試現場如圖2所示，車輪不圓度測試結果如表2所示。

表2 動車車輪不圓度測試結果

圖2 車輪不圓度測試及多邊形形態

從表2中可以看出，動車車輪輪徑分布在817～830 mm范圍內時，32個測試結果中有28個徑向跳動值超過0.5 mm，同一輛車車輪徑向跳動離散程度達到0.85 mm，徑跳超差必將加劇車輪與鋼軌之間的滾動沖擊，進而加速車輪的多邊形化。其次鋼軌的表面硬度（320 HB）均大于輪輞表面的硬度，車輪踏面凹陷處在輪對與鋼軌間的滾動沖擊下會產生加工硬化而逐漸形成一層硬化層，加之長期使用，未按要求進行鏇修。針對地鐵車輪多邊形的問題，目前主要的防治措施就是按修程定期修型處理，將車輪徑跳值控制在0.5 mm以內，使其達到車輛出廠時的新造標準，以減輕或者削弱輪輞的磨耗，抑制車輪多邊形的形成及發展。

3.2 車輪輪輞顯微組織分析

選取C、D組試樣做金相分析，車輪取樣位置實物圖如圖3所示，試樣典型顯微組織如圖4～圖33所示。

圖3 取樣實物圖

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從表3檢測結果可以看出，車輪組織中主要是珠光體和鐵素體，但其邊緣組織中有硬化層，10個樣品中有8個試樣組織中出現了回火貝氏體，晶粒度均為8級，心部硬度值滿足ISO 6506-1標準要求。

中、高碳鋼的上貝氏體組織在光學顯微鏡下典型特征呈羽毛狀[3]，這從圖8、圖11金相顯微組織也可以看出。上貝氏體形成溫度較高，鐵素體晶粒和碳化物顆粒較粗大，碳化物呈短桿狀平行分布在鐵素體板條之間，鐵素體和碳化物分布有明顯的方向性，這種組織狀態使鐵素體條間易產生脆斷。根據CCT 曲線，在淬火過程中，靠近車輪踏面表面，冷卻速度較快，貝氏體含量較高；靠近輪輞心部，冷卻速度較慢，貝氏體含量較低。貝氏體組織的存在，影響了車輪輪輞組織的連續性，在輪軌接觸應力作用下，使貝氏體與珠光體組織過度區域產生應力集中，在車輪與鋼軌頻繁的沖擊振動下產生疲勞裂紋，而裂紋更容易向薄弱的貝氏體和珠光體過度的區域擴展，以致脆斷最終形成剝離[4-5]。

3.3 地鐵車輪熱處理工藝分析與探討

地鐵車輪輪餅毛坯的生產工藝流程如圖34所示，其中影響車輪多邊形最關鍵的2個工序是軋制和熱處理。目前，國內外對車輪熱處理和冷卻的方法基本相同，均為車輪奧氏體化加熱后，對車輪輪輞踏面或踏面外側進行大流量連續強制性噴水冷卻，冷卻速度及噴水的均勻性都會誘使異常組織的形成，問題車輪貝氏體組織的存在與熱處理過程直接相關。

圖34 地鐵車輪生產工藝流程

地鐵車輪生產過程中與熱處理相關的工藝控制要點歸納總結見表4。因此有必要從結構、操作方法及熱處理工藝規范等方面進行研究改善，從而提高車輪輪輞表面淬火質量。

表4 地鐵車輪生產過程工藝控制要點

4 結語

未來將會有更多的地鐵車輛開通運營，隨著運營里程的增加及架修期的臨近，地鐵車輪多邊形的現象會越發頻繁普遍，不但加劇輪軌間的作用力，引起車輛振動，增加運維成本，還會影響列車的安全性、舒適性及使用壽命。經過以上分析與總結，可以歸納以下幾點運維建議：

1）車輪踏面組織不均勻性及貝氏體組織的存在，影響了車輪輪輞組織的連續性，是造成車輪產生多邊形的內在誘因。

2）有必要研究車輪整個熱處理工藝流程，對關鍵工序加以優化，使車輪化學成分、組織與熱處理工藝相匹配，從而提高車輪輪輞表面質量，延長輪對使用壽命。

3）增加在線車輪表面狀態實時監測裝置，對出現徑跳超過0.5 mm的車輪及時進行鏇修處理。

4）從線路方面尋找誘使車輪多邊形的環境因素，從而加以優化和規避。

5）長期關注和分析車輪多邊形運維大數據，借助大數據云平臺完善車輪徑跳發展規律的研究與總結，為車輪鏇修及其運營維護提供參考依據。