HXD1型（神華號(hào)）交流機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面剝離分析

馬全軍　屈春華

摘 要：本文對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面剝離的主要類(lèi)型和機(jī)理進(jìn)行了論述，介紹了影響剝離的因素，并提出了減緩車(chē)輪踏面剝離的措施。

關(guān)鍵詞：機(jī)車(chē)；車(chē)輪；踏面剝離；改進(jìn)辦法

中圖分類(lèi)號(hào)：U264 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.前言

為了快速提升神朔鐵路線的運(yùn)量，滿足公司大運(yùn)量的需求，神朔鐵路機(jī)務(wù)段自2013年2月起陸續(xù)配屬76臺(tái)南車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)機(jī)車(chē)有限公司新造的HXD1型機(jī)車(chē)，擔(dān)當(dāng)大柳塔至神池南煤轉(zhuǎn)線牽引任務(wù)，最高運(yùn)行速度85km/h。當(dāng)機(jī)車(chē)運(yùn)行不到3萬(wàn)km時(shí)，即出現(xiàn)車(chē)輪踏面剝離現(xiàn)象。其發(fā)生剝離的頻次遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同區(qū)段運(yùn)用的SS4型機(jī)車(chē)，嚴(yán)重影響了輪對(duì)使用壽命。HXD1型車(chē)輪為整體輪，由于本機(jī)務(wù)段不具備整機(jī)車(chē)輪對(duì)檢修能力，當(dāng)該型機(jī)車(chē)輪徑到限后必須要委外維修，其成本高，周期較長(zhǎng)，而且存在嚴(yán)重的安全隱患。因此，急切需要解決該型機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面剝離的問(wèn)題。

1.輪對(duì)踏面剝離情況

HXD1型機(jī)車(chē)在本機(jī)務(wù)段自投入運(yùn)用以來(lái)，輪對(duì)暴露出的主要故障是踏面剝離嚴(yán)重，同時(shí)振動(dòng)大。具統(tǒng)計(jì)，自2013年～2014年間，我段首批上線的43臺(tái)HXD1型機(jī)車(chē)共發(fā)生31臺(tái)次踏面剝離故障，占運(yùn)用HXD1機(jī)車(chē)總臺(tái)數(shù)的72.1%，其中8臺(tái)機(jī)車(chē)有4條輪對(duì)踏面剝離最嚴(yán)重，在鏇修過(guò)程中出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，不僅多處剝離掉塊且掉塊面積和深度嚴(yán)重，最大一處為長(zhǎng)20mm、寬13mm、深8mm的剝離。單邊鏇修10mm仍然無(wú)法消除裂紋。因鏇削量過(guò)大，為了匹配，保證減少其他輪對(duì)的鏇修量，而只能選擇更換該輪對(duì)。

以下是更換輪對(duì)統(tǒng)計(jì)：車(chē)號(hào)7016#軸位A2發(fā)生在2013年7月30日，公里數(shù)18548；車(chē)號(hào)7016#軸位A4發(fā)生在2013年8月1日，公里數(shù)18548；車(chē)號(hào)7036#軸位B3發(fā)生在2013年9月4日，公里數(shù)25436；車(chē)號(hào)7035#軸位A2發(fā)生在2013年9月8日，公里數(shù)26680。

2.車(chē)輪踏面剝離主要類(lèi)型及其形成機(jī)理

對(duì)于不同的機(jī)車(chē)、不同的車(chē)輪（材質(zhì)、結(jié)構(gòu)）以及不同的使用條件，車(chē)輪剝離、擦傷的表現(xiàn)形態(tài)也不一樣。在神朔鐵路機(jī)務(wù)段機(jī)車(chē)實(shí)際運(yùn)用中，還有其他多種踏面剝離現(xiàn)象不屬于下面3種剝離類(lèi)型之中。

2.1 擦傷剝離

擦傷剝離是由于車(chē)輪在鋼軌上嚴(yán)重滑行造成，圖1所示為我段神華號(hào)HXD1機(jī)車(chē)7038#B節(jié)1軸、4軸在神南出現(xiàn)的車(chē)輪剝離現(xiàn)象，其為典型的車(chē)輪擦傷剝離，表現(xiàn)為擦傷深度大、長(zhǎng)度長(zhǎng)、對(duì)車(chē)輪損傷較大的特點(diǎn)。

2.2 制動(dòng)剝離

制動(dòng)剝離是制動(dòng)過(guò)程中在踏面表層形成脆硬馬氏體白層和熱裂紋的結(jié)果。對(duì)于采用閘瓦踏面制動(dòng)方式的機(jī)車(chē)車(chē)輪，制動(dòng)過(guò)程中踏面和閘瓦接觸部位因滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生高熱能，隨后在空氣中迅速冷卻形成薄的馬氏體白層。脆硬的馬氏體白層在輪軌接觸應(yīng)力、摩擦力、垂向力、熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的反復(fù)作用下極易發(fā)生碎裂，裂紋層刻度尺紋狀，最終貫通形成剝離。

2.3 接觸疲勞剝離

接觸疲勞剝離是由于輪軌接觸面在輪軌接觸應(yīng)力作用下，車(chē)輪踏面表層金屬塑性變形及疲勞裂紋萌生和發(fā)展的破壞方式。踏面塑性變形層的深度與輪軌接觸應(yīng)力及材質(zhì)強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)輪軌接觸應(yīng)力超過(guò)材質(zhì)的接觸疲勞強(qiáng)度時(shí)，疲勞裂紋在變形層表面同時(shí)或先后萌生，同時(shí)沿變形流線方向向深處發(fā)展。當(dāng)踏面磨耗速率小于疲勞裂紋擴(kuò)展速率時(shí)，則會(huì)在踏面形成疲勞剝離裂紋。典型的車(chē)輪接觸疲勞剝離是剝離部位發(fā)生在整個(gè)踏面滾動(dòng)圓上，剝離掉塊的深度通常與塑性變形層的深度相對(duì)應(yīng)。車(chē)輪接觸疲勞剝離主要是與輪軌接觸應(yīng)力及車(chē)輪材質(zhì)有關(guān)。

3.影響剝離的因素

影響車(chē)輛踏面剝離的原因有好多種，從神朔鐵路機(jī)務(wù)段HXD1型機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面剝離統(tǒng)計(jì)來(lái)看，主要有以下幾個(gè)原因：

3.1 粘著控制

神朔鐵路機(jī)務(wù)段HXD1型機(jī)車(chē)安裝了兩種程序，將發(fā)生剝離故障的粘著程序版本來(lái)對(duì)比，其中初次上線的出廠版本要比后續(xù)在段試驗(yàn)后所采用的新版本空轉(zhuǎn)率高達(dá)47%。因機(jī)車(chē)粘著控制不良，機(jī)車(chē)在運(yùn)用過(guò)程中車(chē)輪就會(huì)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)頻繁、卸載嚴(yán)重、坡起困難及加速性能差等問(wèn)題，這種運(yùn)用狀況極易加劇車(chē)輪的踏面剝離。尤其是對(duì)于重載機(jī)車(chē)，粘著控制不良已經(jīng)成為造成車(chē)輪接觸疲勞剝離的主要原因。

3.2 車(chē)輪材質(zhì)

車(chē)輪的材質(zhì)主要對(duì)其耐磨性有較大影響，通常車(chē)輪的耐磨性是通過(guò)提高硬度來(lái)達(dá)到的，提高硬度依靠提高車(chē)輪的碳含量，但是通過(guò)提高碳含量來(lái)改善車(chē)輪的耐磨性，將不可避免地降低了車(chē)輪的斷裂韌性和抗熱裂性能。

歐洲以城軌、地鐵、鐵路快運(yùn)為主，機(jī)車(chē)軸重輕，車(chē)輪材質(zhì)主要采用EN 13262標(biāo)準(zhǔn)，碳含量比較低，目的在于要有效改善車(chē)輪的抗冷熱疲勞性能和沖擊韌性。美國(guó)以重載運(yùn)輸為主，車(chē)輪要求高強(qiáng)度、高硬度，車(chē)輪材質(zhì)采用AAR標(biāo)準(zhǔn)，碳含量明顯高于歐洲車(chē)輪，車(chē)輪用鋼中碳含量對(duì)綜合性能的影響如圖2所示。因此需要根據(jù)機(jī)車(chē)實(shí)際的運(yùn)營(yíng)工況來(lái)決定采用什么材質(zhì)的車(chē)輪，從而降低車(chē)輪踏面剝離現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 撒砂系統(tǒng)用砂的影響

圖3為神朔鐵路機(jī)務(wù)段配屬HXD1型機(jī)車(chē)所用粗砂和細(xì)砂的對(duì)比，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，使用細(xì)砂的機(jī)車(chē)車(chē)輪很少出現(xiàn)踏面剝離現(xiàn)象，而使用粗砂的機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面剝離現(xiàn)象比較頻繁。使用粗砂的機(jī)車(chē)運(yùn)行2000km時(shí)，車(chē)輪踏面出現(xiàn)許多麻坑，麻坑會(huì)造成接觸面積減少，踏面容易出現(xiàn)滾動(dòng)接觸疲勞，尤其是在重載的情況，而使用細(xì)砂的機(jī)車(chē)，在行走5萬(wàn)km后，踏面依然很光滑，未出現(xiàn)剝離。

3.4 車(chē)輪失圓的影響

通過(guò)盯控不落輪鏇輪現(xiàn)場(chǎng)情況，發(fā)現(xiàn)大部分剝離輪對(duì)有深度達(dá)0.3mm～0.8mm的失圓度。輪對(duì)不圓度增大時(shí)，會(huì)加大輪對(duì)在鋼軌上的振動(dòng)，在機(jī)車(chē)高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生與速度成正比的沖擊力，對(duì)輪對(duì)踏面造成沖擊，提速后輪對(duì)踏面剝離的可能性也在加大。輪對(duì)踏面擦傷和蠕滑均會(huì)加劇輪對(duì)失圓的發(fā)生。運(yùn)行中輪對(duì)失圓，在輪對(duì)轉(zhuǎn)至擦傷扁疤處時(shí)，黏著力突然下降，瞬間滑動(dòng)，擦傷深度、面積將擴(kuò)大。

3.5 線路條件和狀態(tài)

機(jī)車(chē)上坡或下坡時(shí)，牽引力或制動(dòng)力較大，尤其是重載牽引的時(shí)候，較大的牽引力或制動(dòng)力會(huì)加劇車(chē)輪的滾動(dòng)接觸疲勞，因此機(jī)車(chē)經(jīng)常運(yùn)行在坡道較多的路段上時(shí)踏面會(huì)出現(xiàn)接觸疲勞剝離現(xiàn)象。另外鋼軌表面狀態(tài)不佳，也會(huì)導(dǎo)致輪軌間粘著系數(shù)下降，從而車(chē)輪出現(xiàn)空轉(zhuǎn)、打滑現(xiàn)象，加劇踏面剝離的發(fā)生。

3.6 氣候條件

雨雪天氣，輪軌間粘著系數(shù)降低，在車(chē)輪會(huì)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)打滑現(xiàn)象，為保證正常的粘著，會(huì)撒砂到軌面上，但撒砂量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪踏面磨耗加劇。

4.緩解車(chē)輪踏面剝離的措施

4.1 粘著控制系統(tǒng)優(yōu)化

粘著控制系統(tǒng)優(yōu)化可以通過(guò)在線試驗(yàn)進(jìn)行，通過(guò)在線試驗(yàn)?zāi)M車(chē)輛在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的各種工況，研究粘著控制參數(shù)、撒砂量與機(jī)車(chē)運(yùn)行具體線路的最佳匹配關(guān)系，對(duì)不同控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整使機(jī)車(chē)各軸之間的速度差達(dá)到最小，減少車(chē)輪的空轉(zhuǎn)和打滑，降低車(chē)輪踏面的剝離損傷。

4.2 使用優(yōu)質(zhì)細(xì)砂

在保證機(jī)車(chē)粘著未受到影響的情況下采用優(yōu)質(zhì)細(xì)砂，優(yōu)質(zhì)細(xì)砂粗細(xì)均勻、外形無(wú)鋒利棱角，含泥土和雜質(zhì)較少，可以顯著降低車(chē)輪踏面的損傷，緩和車(chē)輪踏面剝離的程度。

4.3 合理安排輪對(duì)鏇修

車(chē)輪出現(xiàn)輕微剝離情況時(shí)就應(yīng)該及時(shí)鏇修，否則裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，將會(huì)影響機(jī)車(chē)走行安全。由于輕微剝離一般鏇修量都較小，還可以延長(zhǎng)車(chē)輪的壽命。

4.4 采用磨耗型踏面

踏面經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)用磨耗后形成一種穩(wěn)定形狀，磨耗型踏面就以這種磨耗后的穩(wěn)定形狀作為初始形狀。現(xiàn)場(chǎng)考核表明，JM型磨耗踏面磨耗量比標(biāo)準(zhǔn)型踏面車(chē)輪減少10%～40%。

結(jié)論

自逐步實(shí)施上述措施，經(jīng)兩年以來(lái)的運(yùn)用，效果顯著。時(shí)至今日HXD1型機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面剝離故障大幅減少，年發(fā)生率僅為16%，車(chē)輪踏面剝離周期延長(zhǎng)到6萬(wàn)km以上，在實(shí)際運(yùn)用中有效預(yù)防和減緩車(chē)輪剝離的發(fā)生，延長(zhǎng)車(chē)輪的使用壽命，提高機(jī)車(chē)的運(yùn)用效率，降低檢修停時(shí)和成本，保證機(jī)車(chē)的運(yùn)用安全。但對(duì)比同一路況運(yùn)用的SS4G型機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面15萬(wàn)km鏇修一次的情況，HXD1型號(hào)機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面剝離現(xiàn)象的形成機(jī)理和影響因素還有待更進(jìn)一步的跟蹤分析。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭偉生，劉會(huì)英.關(guān)于車(chē)輪擦傷剝離的若干問(wèn)題與對(duì)策[J].鐵道車(chē)輛，2001（2）：7.

[2]王家玉，王順福.機(jī)車(chē)磨耗型踏面與踏面剝離[J].鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù)，2004（4）：26-27.