沈陽地鐵車輛車輪踏面剝離情況分析及處理措施

馬麗萍, 王友平, 祁昌衡

(沈陽地鐵集團有限公司 運營分公司, 沈陽 110000)

0 引 言

從2020年12月8日起,沈陽地鐵10號線(以下簡稱“10號線”)在檢修時陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多輛列車車輪踏面出現(xiàn)剝離情況。截至2021年2月20日,共發(fā)現(xiàn)20列列車共計140處車輪存在不同程度的損傷剝離。剝離根據(jù)嚴重程度表現(xiàn)為不同形態(tài),具體如圖1所示。

圖1 車輪踏面剝離掉塊情況

剝離一般發(fā)生在輪緣根部或踏面滾動圓處,最大深度達1.5 mm,最大長度為50 mm,部分剝離發(fā)生在同一條輪對左右車輪的相同位置,剝離表面存在踏面表層金屬擠壓、破碎或脫落情況,部分剝離坑內(nèi)可見碾壓擴展或疲勞擴展痕跡[1]。從剝離的發(fā)展趨勢來看,總體上是緩慢的,2個月只有3條既有剝離加長了2～3 mm。剝離未對正線運營造成影響,正線無異響和振動情況發(fā)生。

在軌道方面,10號線正線最小曲線半徑為300 m,最大坡度為30‰,出入段線曲線半徑為200 m,最大坡度為35‰,與其他線路相似。其中正線小半徑曲線(R≤400)總長為4.1 km,分布在4個區(qū)間,線行設計與其他線路相似。在對鋼軌檢修時全線共發(fā)現(xiàn)40處輕微剝離掉塊情況,最長為200 mm,最深為2 mm,剝離在初期并未被發(fā)現(xiàn),直到由裂紋逐步發(fā)展為掉塊后才逐漸被發(fā)現(xiàn),如圖2所示。

圖2 軌道剝離掉塊情況

1 車輪踏面剝離原理

按照物理形狀,車輪踏面剝離可以分為3種情況:點狀剝離,主要表現(xiàn)為車輪整個踏面的圓周面都存在不同形狀的點狀剝離,剝離點面積小;片狀剝離,剝離形狀呈片狀,面積較大;塊狀剝離,剝離面積大,剝離較深。

按照剝離的失效類型踏面剝離可分為4種情況[2-3]。

1.1 接觸疲勞剝離

接觸疲勞剝離出現(xiàn)在踏面的整個圓周部位,有宏觀裂紋,呈現(xiàn)出不規(guī)則的網(wǎng)狀或龜紋狀,沿裂紋處伴有層狀或小塊金屬的脫落。經(jīng)過金相組織分析可知,由于輪軌滾動接觸疲勞的原因,車輪踏面表層發(fā)生塑性變形[4-5],裂紋從踏面萌生,沿塑性變形流線方向傾斜向踏面以下發(fā)展,剝離層深度和塑性變形層深度一致。

1.2 局部接觸疲勞剝離

局部接觸疲勞剝離表現(xiàn)為踏面局部有不規(guī)則的網(wǎng)狀裂紋,沿裂紋處層狀剝離掉塊,掉塊處有時會觀察到貝紋狀疲勞弧線特征[6]。經(jīng)過金相組織分析可知,疲勞剝離內(nèi)部存在非金屬夾雜物,而剝離的形成則是夾雜物處裂紋的萌生和連續(xù)擴展。

1.3 制動剝離

制動剝離產(chǎn)生于制動閘瓦制動車輪的整個踏面的圓周部位,呈刻度狀或者麻坑狀剝落,沿裂紋層狀剝離掉塊[7]。經(jīng)過金相組織分析可知,制動剝離位置的金相組織為熱影響層和馬氏體白層,熱裂紋垂直于熱影響層,剝離層深度與熱影響層深度一致[8]。

1.4 局部擦傷剝離

局部擦傷剝離表現(xiàn)為局部龜紋狀裂紋,裂紋周圍可見淺色橢圓層或者圓形邊界,沿裂紋處踏面局部層狀剝離掉塊。經(jīng)過金相組織分析可知,剝離擦傷位置的金相組織與制動剝離較為相似,且裂紋垂直于馬氏體白層,剝離深度與馬氏體深度一致。

2 剝離類型分析

2.1 接觸疲勞剝離

車輪踏面根部的斜裂紋屬于車輪接觸疲勞剝離類型[9],呈圓周分布,是踏面表層金屬發(fā)生塑性變形及疲勞裂紋萌生并擴展的結(jié)果(圖3)。由于根部斜裂紋程度輕微,未出現(xiàn)剝離情況,對車輪損傷較小,且其形成原因復雜,所以暫時不作為此次分析的主要內(nèi)容。

圖3 車輪踏面斜裂紋

2.2 局部接觸疲勞

由于局部接觸疲勞為非金屬夾雜引起,故選取2個樣件對其非金屬夾雜物進行檢測(圖4)[10]。

圖4 送檢車輪樣件

檢測結(jié)果為2件車輪的非金屬夾雜物級別均符合TB/T 2817—1997標準中CL60材質(zhì)的相關(guān)要求(表1)。

表1 非金屬夾雜物的檢測結(jié)果

通過圖5的能譜分析,確認白層組織與基體組織成分基本一致,所以可以排除外來異物的可能。

圖5 典型車輪剝離處能譜分析

2.3 制動剝離

制動剝離的特點是剝離產(chǎn)生于閘瓦作用的整個圓周[11-12],這與10號線的剝離現(xiàn)象不吻合。而且,對閘瓦拆卸后發(fā)現(xiàn),閘瓦表面無損傷,未出現(xiàn)由于溫度造成表面基體熔化的現(xiàn)象,所以可以確認10號線的剝離不是制動剝離造成的。

2.4 局部擦傷剝離

宏觀觀察發(fā)現(xiàn),剝離損傷均位于車輪滾動圓附近位置,剝離坑表面存在踏面表層金屬擠壓、破碎及脫落,并有擦傷痕跡,剝離坑內(nèi)可見碾壓擴展痕跡,車輪踏面周向其他位置狀態(tài)良好(圖6)。

圖6 典型車輪剝離形貌照片

根據(jù)熱酸浸蝕和剝離表層顯微組織的檢測結(jié)果可知,剝離損傷表面存在明顯的塊狀或者片狀馬氏體白層組織(圖7),馬氏體組織的最大深度約為1.2 mm,馬氏體白層的顯微維氏硬度明顯高于車輪基體;由掃描電鏡能譜分析判斷,馬氏體白層組織的化學成分與車輪基體近似,可以排除外來異物的因素。

(a) 剝離處整體形貌(b) 踏面馬氏體白層形貌

馬氏體白層組織的存在是由于車輪踏面局部微區(qū)曾承受了較高的溫度作用,并在隨后的快速冷卻中表層微區(qū)發(fā)生相變所導致的[13],多由于車輪在運用過程中的局部擦傷而形成。由于馬氏體屬硬脆組織,在車輛運行過程中,隨著車輪的滾動和振動,脆硬的馬氏體部位極易發(fā)生碎裂和剝落[14]。同時,可觀察到馬氏體白層內(nèi)的微裂紋。在馬氏體內(nèi)部及馬氏體與基體界面處易萌發(fā)疲勞裂紋,并在持續(xù)的輪軌力作用下裂紋不斷擴展,最終發(fā)展為表層裂紋。裂紋在輪軌接觸應力作用下發(fā)生疲勞擴展,至一定程度后形成踏面剝離損傷。

綜上所述,踏面剝離裂紋損傷應是擦傷所致。

3 擦傷原因分析

3.1 材質(zhì)及工藝原因

由于材質(zhì)配比和工藝加工中的誤差會造成車輪性能參數(shù)不達標,因而對材質(zhì)和性能參數(shù)進行了檢測。按照國家標準要求對車輪的拉伸性能、斷面硬度和沖擊性能、車輪輪輞斷面硬度、車輪輻板沖擊性能、輪箍的化學成分進行檢測,檢測結(jié)果均滿足國家要求,具體情況見表2～5。

表2 車輪輪輞拉伸性能檢測結(jié)果

表3 車輪輪輞斷面硬度檢測結(jié)果(HB)

表4 車輪輻板沖擊性能的檢測結(jié)果(J)

表5 輪箍的化學成分檢測結(jié)果(%)

3.2 運用原因

3.2.1 空氣制動滑行

空氣制動滑行的邏輯為當空氣制動系統(tǒng)檢測到發(fā)生滑行的時間超過1 s后,BCU向DCU 發(fā)出“電制動力切除”信號,由空氣制動系統(tǒng)進行防滑控制[15]。BCU收到“電制動滑行”信號持續(xù)3 s后,向DCU發(fā)出“電制動力切除”信號,并由空氣制動系統(tǒng)進行防滑控制。

一般情況下,由空氣制動造成的滑行,擦傷長度都會較長,在擦傷表面表現(xiàn)出藍色發(fā)熱現(xiàn)象,并且TCMS一定會報出滑行故障,但實際現(xiàn)象與此不符,所以可以排除空氣制動滑行的原因。

3.2.2 牽引空轉(zhuǎn)

判斷空轉(zhuǎn)有2個條件,一是輪對加/減速度大于設定閾值至少持續(xù)200 ms;二是黏著實際牽引力(電制動力)小于給定牽引力(電制動力)的70%(80%),至少持續(xù)200 ms。

從10號線電客車開通至2021年1月份,通過對正線運營車輛運行進行故障跟蹤和對車輛故障履歷進行檢查,并未發(fā)現(xiàn)有運營車輛空轉(zhuǎn)故障發(fā)生,但是電客車到達沈陽現(xiàn)場之前的情況沒有記錄,所以推斷擦傷有可能是在到達現(xiàn)場之前車輛跑行過程中造成的。

另外一種可能就是在運營初期,因運營條件不良等原因,輪軌間由于空轉(zhuǎn)形成小于200 ms時長的擦傷,而目前的空轉(zhuǎn)檢測精度無法判斷。

由于車輛在跑合、轉(zhuǎn)運過程中存在不確定因素,另外,新建線路運營初期,正線施工、輪軌間磨合、設備調(diào)試等各種不確定性因素的存在[16],可能會造成輪軌間存在無法判斷的滑行擦傷情況,但是,隨著運行時間延長,不確定因素減少,輪軌間磨合改善,輪軌剝離情況也會隨之改善。

4 處置措施

4.1 對車輪進行鏇修處理

從2020年12月至2021年6月,已完成所有剝離車輪的鏇修,鏇修后的車輪沒有再次出現(xiàn)剝離情況。

4.2 對鋼軌進行維護和預打磨

截至2021年9月,對10號線鋼軌完成預打磨操作,目前未再出現(xiàn)鋼軌損傷情況。

5 結(jié) 語

線路運營初期,由于跑合、轉(zhuǎn)運及線路條件不良等原因易產(chǎn)生擦傷,從而造成車輪踏面剝離情況,而擦傷造成的原因是多方面的;但剝離長度和深度較小,一般不會對運營造成影響,隨著運營條件的改善,鏇修后的車輪剝離情況不會再次發(fā)生。