CRH3型動(dòng)車組車輪缺陷故障原因分析及防控措施

陳敏俊

摘 要：車輪是動(dòng)車組正常運(yùn)行的關(guān)鍵部件，在對(duì)動(dòng)車組進(jìn)行全面檢查維修時(shí)，重視車輪的故障分析，是加強(qiáng)動(dòng)車組安全風(fēng)險(xiǎn)管理的重要舉措。本文對(duì)于車輪踏面存在的缺陷進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，重點(diǎn)討論了車輪踏面剝離原因、檢修標(biāo)準(zhǔn)、缺陷處理并提出了防控措施。

關(guān)鍵詞：CRH3型動(dòng)車組；車輪故障；原因分析；檢修標(biāo)準(zhǔn)；缺陷處理；防控措施

1 CRH3型動(dòng)車組車輪故障概況

1.1 車輪故障統(tǒng)計(jì)

CRH3型動(dòng)車組投入運(yùn)用以來(lái)，多次發(fā)生車輪踏面故障。統(tǒng)計(jì)上海局南京南動(dòng)車運(yùn)用所2014年以來(lái)配屬CRH3型動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)情況，因輪對(duì)缺陷故障導(dǎo)致更換輪對(duì)的，共計(jì)9起，如表1所示。其中一、二級(jí)檢修作業(yè)發(fā)現(xiàn)故障2起，輪輞輪輻探傷（LU）發(fā)現(xiàn)故障2起，鏇修作業(yè)發(fā)現(xiàn)故障5起。同時(shí)兩頭車導(dǎo)向輪（01車、00車的1、2位輪）發(fā)生的輪對(duì)缺陷故障7起。

表1 2014以來(lái)南京南動(dòng)車運(yùn)用所輪對(duì)缺陷故障換輪情況統(tǒng)計(jì)

1.2 車輪缺陷典型故障案例及圖示

以2014年7月9日CRH380CL-5624 輪對(duì)踏面缺陷為例，動(dòng)車組全列運(yùn)用鏇輪后，00車1軸LU探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)距踏面3mm深處存在疑似缺陷，且踏面外觀存在可見(jiàn)裂紋，如圖1所示。

圖1 踏面外觀可見(jiàn)裂紋

對(duì)該故障車輪再次進(jìn)行鏇修，第一刀鏇修0.7mm后，同一位置處出現(xiàn)2處缺陷，最大處約10x15mm，如圖2所示。

圖2 鏇修后出現(xiàn)的兩處缺陷

第二刀鏇修0.5mm后，原2處缺陷仍存在，同時(shí)踏面其他位置出現(xiàn)4處不同程度缺陷，類似缺陷如圖3所示，共計(jì)6處。

圖3 鏇修后其他位置出現(xiàn)的缺陷

2 原因分析

車輪踏面剝離是車輛在運(yùn)用過(guò)程中出現(xiàn)的慣性質(zhì)量問(wèn)題，剝離是指車輪在運(yùn)用過(guò)程中制動(dòng)熱作用或輪軌接觸疲勞作用而在踏面圓周或部分圓周呈現(xiàn)出的金屬掉塊剝離損傷和魚(yú)磷狀或龜紋狀熱裂紋現(xiàn)象。車輪踏面剝離可能發(fā)生在不同型號(hào)的機(jī)車車輛上，在同一車輛上不同輪對(duì)之間可能存在差別。

隨著車輛向高速化方向發(fā)展，剝離現(xiàn)象已成為車輪失效的主要類型，車輪發(fā)生剝離后必須進(jìn)行輪對(duì)鏇修或打磨等處理，剝離嚴(yán)重時(shí)還需要更換輪對(duì)。剝離還影響車輛的行車安全，使列車在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生大的振動(dòng)和沖擊，輪軌接觸面間發(fā)出巨大噪聲，影響乘客乘座舒適性，加速其它走行部件的磨耗損壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)破壞軸承，引發(fā)燃軸事故。

結(jié)合上述表1，以及近年來(lái)路局其他動(dòng)車所輪對(duì)故障統(tǒng)計(jì)，發(fā)生幾率比較大的是頭車第一、二位輪對(duì)，其它輪對(duì)發(fā)生故障的概率相當(dāng)較小。根據(jù)對(duì)上述故障車輪鏇修后殘留痕跡所在區(qū)域以及形狀的分析，初步確認(rèn)該缺陷為滾動(dòng)接觸疲勞缺陷。

2.1 接觸疲勞剝離

接觸疲勞剝離發(fā)生在車輪踏面整個(gè)圓周部位，宏觀可觀察到裂紋，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的脫落，金相組織形貌特征表現(xiàn)為踏面表層金屬發(fā)生塑性變形，裂紋從踏面萌生并沿塑性變形流線方向發(fā)展。

接觸疲勞剝離形成機(jī)理是由于在輪軌接觸面間接觸應(yīng)力作用下，踏面表層金屬發(fā)生塑性變形及疲勞裂紋萌生并擴(kuò)展的結(jié)果，其中裂紋形成是發(fā)生剝離的必要前提。車輪在鋼軌面上滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，輪軌之間發(fā)生相互作用，車輪承受機(jī)械載荷的作用，輪軌接觸面為彈性變形的橢圓形，此接觸面符合赫茲接觸理論。接觸面上存在由軸重引起的垂向力，在垂向力作用下，輪軌接觸面上產(chǎn)生接觸壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，其中最大剪切應(yīng)力是裂紋萌生和擴(kuò)展的主要原因。車輪踏面在應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)過(guò)程中，材料發(fā)生塑性變形，達(dá)到一定程度后塑性變形區(qū)由于加工硬化作用而不產(chǎn)生新的塑性變形，從而達(dá)到一定穩(wěn)定狀態(tài)。塑性變形層深度與接觸區(qū)應(yīng)力分布和踏面材質(zhì)密切相關(guān)。

缺陷產(chǎn)生于車輪踏面與軌道接觸的滾動(dòng)圓內(nèi)外50-80mm的區(qū)域。根據(jù)赫茲接觸理論，在車輪和鋼軌的接觸面下4-8mm是最大載荷的受力位置。

2.2 裂紋源

該疲勞缺陷由于有裂紋源，在車輪運(yùn)行中，裂紋源持續(xù)受力，最終擴(kuò)展形成。而此類裂紋源可能有以下幾種：

2.2.1 表面裂紋源

由于外部沖擊形成的表面裂紋源：運(yùn)行中的車輪可能受到某些來(lái)自軌道外來(lái)物體的沖擊。頭車位置是最容易遭到外來(lái)物體沖擊的，對(duì)于其它車型發(fā)生的類似缺陷，有80%以上均出現(xiàn)在頭車位置，從而造成表面損壞，這樣有可能在表面產(chǎn)生沖擊坑。進(jìn)而造成在滾動(dòng)圓的車輪圓度超差，需要說(shuō)明的是，此類缺陷全部出現(xiàn)在車輪滾動(dòng)圓上。而由于車輪踏面形狀變化造成特別高的接觸應(yīng)力，在滾動(dòng)接觸應(yīng)力的作用下，可能導(dǎo)致表面裂紋擴(kuò)展。

2.2.2 次表面裂紋源

由于外部沖擊造成的次表面裂紋：裂紋也有可能在受到外物的沖擊后，產(chǎn)生次表面疲勞裂紋源，進(jìn)而擴(kuò)展。而該次表面深度恰恰處于原因分析1中提到的車輪受到最大的滾動(dòng)接觸疲勞區(qū)域，即表皮下4-8mm，在滾動(dòng)接觸應(yīng)力的作用下，可能導(dǎo)致次表面裂紋擴(kuò)展。

2.3 微觀缺陷

在車輪輪輞應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)存在微觀缺陷，例如非金屬夾雜，根據(jù)車輪鋼制造執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，這些微觀缺陷均沒(méi)有超過(guò)允許存在的1mm當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)在車輪踏面或表層下的某個(gè)位置存在夾雜物時(shí)，在輪軌接觸應(yīng)力作用下，輪軌接觸面間同樣產(chǎn)生塑性變形，但由于少量夾雜物的脆性和不易變形使塑性變形受到阻礙，因而在塑性變形處產(chǎn)生應(yīng)力集中，故夾雜物區(qū)域應(yīng)力遠(yuǎn)大于無(wú)夾雜物區(qū)域。由于應(yīng)力集中的原因，接觸疲勞裂紋極易在夾雜物區(qū)域萌生并發(fā)展，最終導(dǎo)致剝離現(xiàn)象發(fā)生。車輪鋼中脆性?shī)A雜物的存在是隨機(jī)的，無(wú)規(guī)律可言，此時(shí)接觸疲勞剝離一般發(fā)生在車輪踏面的局部位置。綜合分析接觸疲勞剝離的發(fā)生主要與輪軌間接觸應(yīng)力、摩擦力、車輪應(yīng)力集中及車輪材質(zhì)等密切相關(guān)。

3 日常檢修標(biāo)準(zhǔn)

（1）根據(jù)《鐵路動(dòng)車組運(yùn)用維修規(guī)程》（鐵總運(yùn){2013}158號(hào)）內(nèi)CRH3型動(dòng)車組一、二級(jí)檢修限度表，車輪踏面剝離、凹陷的檢修限度為：剝離、凹陷長(zhǎng)度≤20mm；剝離、凹陷深度≤0.5mm，面積≤200mm2；剝離、凹陷深度≤0.75mm，面積≤150mm2；剝離、凹陷深度≤1.0mm，面積≤100mm2。

（2）根據(jù)《和諧系列動(dòng)車組車輪超聲波探傷規(guī)定》（鐵總運(yùn){2013}190號(hào)）內(nèi)車輪輪輞部位判定標(biāo)準(zhǔn)為：不允許存在達(dá)到Φ3mm橫孔當(dāng)量大小。

4 缺陷處理

一旦發(fā)現(xiàn)此類缺陷，需通過(guò)鏇修方式完全消除后方可繼續(xù)運(yùn)用，同時(shí)為保證動(dòng)車組同轉(zhuǎn)向架、同車等輪徑差滿足要求、避免過(guò)度鏇修，應(yīng)合理做好故障輪對(duì)的選配。剝離嚴(yán)重不能消除時(shí)需更換輪對(duì)。

5 防控措施

（1）對(duì)于車輪在運(yùn)用過(guò)程中受外力作用而引起的運(yùn)用疲勞，無(wú)法在根本上避免其產(chǎn)生，在日常一、二級(jí)檢修中應(yīng)加強(qiáng)踏面外觀的重點(diǎn)檢查，如有異常，則需進(jìn)行進(jìn)一步超聲波檢測(cè)。

（2）提升科技保安全的意識(shí)。充分利用輪對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)、輪輞輪輻探傷機(jī)等科技檢測(cè)手段加強(qiáng)動(dòng)車組車輪的日常及定期檢測(cè)。

（3）關(guān)鍵崗位擇優(yōu)安排責(zé)任意識(shí)強(qiáng)的作業(yè)人員。針對(duì)動(dòng)車所內(nèi)探傷工、鏇輪工崗位，應(yīng)慎重選撥，有條件的應(yīng)成立以黨員為主的輪軸班組。

（4）結(jié)合車輪故障表現(xiàn)，以及CRH3型動(dòng)車組運(yùn)用鏇輪周期（20-25萬(wàn)公里）同在線輪輞輪輻探傷周期（18-25萬(wàn)公里）較為重合，建議動(dòng)車組優(yōu)先安排運(yùn)用鏇輪作業(yè)，嚴(yán)格按照鏇輪作業(yè)指導(dǎo)書(shū)要求，加強(qiáng)鏇修作業(yè)過(guò)程中的踏面外觀檢查確認(rèn)，鏇修完畢后再進(jìn)行車輪探傷。

（5）建議動(dòng)車組頭車導(dǎo)向輪的鏇輪及探傷周期縮短為10萬(wàn)公里。

（6）開(kāi)發(fā)新材料，提高車輪抗疲勞剝離的能力。高速列車車輪材料的發(fā)展方向?qū)⒂芍懈咛间撓虻吞己辖鸹姆较虬l(fā)展。

（7）加強(qiáng)出廠車輪的源頭質(zhì)量卡控，杜絕車輪內(nèi)部質(zhì)量缺陷。同時(shí)優(yōu)化車輪結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)抗疲勞強(qiáng)度，減少車輪應(yīng)力集中，改善加工工藝等都可防止踏面剝離的發(fā)生，提高車輪使用壽命。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著全路高速鐵路、客運(yùn)專線的相繼開(kāi)通，上海局配屬的各型動(dòng)車組數(shù)量不斷增多，車輪缺陷故障隨著輪對(duì)走形公里數(shù)的增加將不斷出現(xiàn)，強(qiáng)化動(dòng)車組車輪的檢修維護(hù)工作顯得尤為重要，掌握車輪缺陷故障產(chǎn)生的機(jī)理及防控措施，將進(jìn)一步提高動(dòng)車組安全風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，保障動(dòng)車組運(yùn)行安全。

參考文獻(xiàn)

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