地鐵擦傷車輪鏇修后踏面二次剝離的原因分析

姚國(guó)平 張曉峰

1.太原重工股份有限公司 山西太原 030032

2.太重軌道交通設(shè)備 山西太原 030032

地鐵車輛具有運(yùn)行速度高、啟動(dòng)快、制動(dòng)距離短、啟動(dòng)制動(dòng)頻繁等特點(diǎn)，車輪作為地鐵車輛的重要承載部件，其服役可靠性與列車的安全運(yùn)行密切相關(guān)。地鐵車輛在低速時(shí)的主要制動(dòng)方式是踏面制動(dòng)，車輪在正常運(yùn)行過程中與鋼軌形成一滾動(dòng)摩擦副，在制動(dòng)過程中與閘瓦形成一滑動(dòng)摩擦副，即車輪實(shí)際運(yùn)行過程中不僅受輪軌滾動(dòng)接觸載荷，而且在閘瓦頻繁制動(dòng)過程中承受制動(dòng)熱載荷作用[1]，其工作條件十分惡劣。因此，地鐵車輪運(yùn)用過程中常出現(xiàn)擦傷及踏面熱裂紋等，并伴隨有踏面局部剝離現(xiàn)象，影響列車的舒適性、安全性以及車輪的使用壽命。本文就某地鐵車輪擦傷后鏇修不完全導(dǎo)致二次踏面剝離的原因進(jìn)行了分析，并針對(duì)該類現(xiàn)象提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 車輪踏面二次損傷形貌

某地鐵運(yùn)營(yíng)公司反饋，有3付輪對(duì)的6個(gè)車輪在庫(kù)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)踏面存在多處擦傷，于是對(duì)傷損車輪采取了鏇修處理，鏇修后車輪踏面缺陷經(jīng)檢驗(yàn)已全部去除[1]。鏇修后的車輪重新上線運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)已鏇修的一件車輪踏面周向又出現(xiàn)了橫向裂紋，并伴隨有局部剝離現(xiàn)象，其余車輪均正常。將該損傷車輪退卸后，肉眼觀察可見車輪踏面中部（滾動(dòng)圓附近）周向存在多處長(zhǎng)短不等、深淺不一的裂紋、坑洞等缺陷，踏面鏇修后刀紋清晰可見，車輪其余部位完好，未見其它缺陷，踏面缺陷形貌見圖1。

圖1 車輪踏面缺陷形貌

2 踏面二次損傷原因分析

2.1 缺陷區(qū)域微觀檢驗(yàn)

為確定車輪踏面裂紋的產(chǎn)生原因，選取車輪踏面周向一處典型缺陷部位按圖2所示取高倍試樣，對(duì)其非金屬夾雜物、微觀組織、裂紋形貌等進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖2 高倍試樣取樣位置

（1）非金屬夾雜物。利用DM2700M金相顯微鏡，按ISO4967標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的方法在×100下對(duì)裂紋周邊的夾雜物類型、形貌、尺寸等進(jìn)行了觀察并評(píng)級(jí)。各類夾雜物級(jí)別見表1，典型夾雜物形貌見圖3。

表1 裂紋附近夾雜物級(jí)別

圖3 裂紋周邊典型夾雜物

裂紋附近夾雜物數(shù)量很少，夾雜物形態(tài)多數(shù)呈球狀或鏈球狀，且夾雜物尺寸較小，鋼的純凈度較高，在車輪運(yùn)行過程中因夾雜物導(dǎo)致裂紋萌生的可能性很小。

（2）裂紋形貌。在光學(xué)顯微鏡下對(duì)裂紋的微觀形貌進(jìn)行了觀察，圖4所示為損傷部位截面裂紋形貌。根據(jù)裂紋的萌生及擴(kuò)展情況可將其分為兩類，一類如圖4（a）和圖4（b）所示，裂紋萌生于車輪踏面表面，并逐漸向里擴(kuò)展，擴(kuò)展到一定深度后變?yōu)樗綌U(kuò)展；另一類如圖4（c）所示，裂紋位于次表層，裂紋兩端閉合，該類裂紋由材料內(nèi)部萌生的微裂紋延伸擴(kuò)展而成，隨著車輪的運(yùn)行會(huì)不斷擴(kuò)展直至與其它裂紋匯合連通。

圖4

（3）微觀組織。對(duì)圖2所示試樣縱向截面利用4%HNO3酒精溶液腐蝕后，可見裂紋區(qū)域試樣表層存在相變白層及其熱影響區(qū)(圖5)，白層最大深度約5mm；利用金相顯微鏡對(duì)裂紋區(qū)域及基體組織進(jìn)行分析，車輪踏面表層組織有明顯的塑性變形存在（圖6a），這是車輪踏面和閘瓦及鋼軌相互作用所致，近表層組織為貝氏體和珠光體混合組織（圖6b），基體組織為細(xì)珠光體和鐵素體（圖6d），在車輪踏面相變白層與基體的過渡區(qū)域組織（圖4（c）所示裂紋附近）已發(fā)生球化，呈粒狀珠光體形態(tài)（圖6c）。

圖5

圖6

2.2 討論與分析

車輪裂紋區(qū)域未發(fā)現(xiàn)夾雜物聚集或大型夾雜物，且非金屬夾雜物數(shù)量少，尺寸較小，車輪正常運(yùn)行過程中不足以導(dǎo)致踏面裂紋萌生。

車輪踏面裂紋區(qū)域微觀組織及其硬度分布情況表明，車輪在運(yùn)行過程中曾承受高熱，使車輪近踏面溫度達(dá)到材料相變點(diǎn)以上，重新奧氏體化，但由于車輪基體以及鋼軌溫度低，產(chǎn)生激冷效應(yīng)，進(jìn)而發(fā)生相變形成淬火組織，其熱影響區(qū)最深可達(dá)5mm。檢驗(yàn)結(jié)果顯示整個(gè)熱影響區(qū)由表及里組織依次為：貝氏體和珠光體混合組織（近表層）、粒狀珠光體組織（過渡區(qū)）、片狀珠光體組織（基體），由于車輪在擦傷后已鏇修，因此踏面表層未發(fā)現(xiàn)馬氏體組織；熱影響區(qū)硬度整體呈下降趨勢(shì)，但在過渡區(qū)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，這是由于該區(qū)原始組織（基體）在受熱后碳化物分解并球化，形成粒狀珠光體導(dǎo)致硬度降低。

車輪踏面裂紋的微觀形貌顯示，裂紋分別從踏面表面及車輪內(nèi)部?jī)晌恢妹壬U(kuò)展。起裂于車輪踏面表面的裂紋是由于踏面表層硬脆相在輪軌作用力下導(dǎo)致裂紋萌生并向內(nèi)部延伸至一定深度后，受基體阻礙，從而使裂紋改變方向，橫向或向表層擴(kuò)展，直至與其它裂紋匯通或反向擴(kuò)展至表面脫落，造成剝離。起裂于車輪內(nèi)部的裂紋萌生于圖5所示白層與基體的過渡區(qū)域，該區(qū)域組織為較軟的粒狀珠光體，被硬度很高的白層及相對(duì)較硬的基體所包圍，在輪軌作用力下，該區(qū)域更容易發(fā)生較大的塑性變形，使其位錯(cuò)密度增大，造成局部應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋萌生，并在后續(xù)運(yùn)行過程中逐步擴(kuò)展至踏面表面，最終形成剝離。

綜上所述，造成該車輪踏面損傷的原因是由于列車在頻繁啟動(dòng)及制動(dòng)過程中車輪踏面與鋼軌發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，造成車輪周向多部位擦傷，擦傷部位由于受高熱致使踏面形成較厚的相變層。該車輪鏇修時(shí)，由于切削量少，未將擦傷所形成的熱影響區(qū)完全去除，后續(xù)運(yùn)行過程中，在車輪踏面原擦傷部位萌生裂紋并逐步擴(kuò)展，直至脫落，形成局部剝離[2]。

3 預(yù)防措施

為防止車輪踏面剝離，當(dāng)出現(xiàn)車輪踏面擦傷或灼傷現(xiàn)象時(shí)，用戶通常會(huì)采用鏇修車輪的方式及時(shí)將出現(xiàn)熱損傷的區(qū)域去除。但在鏇修過程中常出現(xiàn)切削量少，不能完全去除熱損傷部位的熱影響區(qū)或踏面表層微裂紋的現(xiàn)象。根據(jù)本文車輪踏面剝離原因分析結(jié)論，熱損傷缺陷鏇修不完全易導(dǎo)致后續(xù)運(yùn)行過程中車輪踏面出現(xiàn)二次剝離的現(xiàn)象，應(yīng)采用以下方法用來確定車輪熱損傷缺陷是否鏇修完全：

（1）車輪鏇修前將熱損傷區(qū)域所在相位標(biāo)識(shí)清楚，鏇修后，通過肉眼觀察原缺陷部位顏色與其它正常區(qū)域的顏色是否一致；

（2）鏇修后的車輪可在原缺陷部位利用滲透法或磁粉法進(jìn)行無損探傷，確定車輪踏面表面或近表面是否殘留有微裂紋；

（3）利用便攜式硬度計(jì)進(jìn)行踏面表面硬度測(cè)試，確定原缺陷部位與其它正常部位硬度是否處于同一水平。

結(jié)合以上三種方法，可判斷車輪熱損傷缺陷是否完全去除，有效避免車輪踏面因鏇修不完全導(dǎo)致二次剝離的產(chǎn)生。

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)分析表明，車輪運(yùn)行過程中因擦傷等導(dǎo)致的熱損傷，如鏇修不完全在后續(xù)運(yùn)行過程中受輪軌相互作用極易出現(xiàn)踏面二次剝離。針對(duì)車輪鏇修后難以判斷熱損傷是否完全去除的情況，本文提出了三種方法，相互結(jié)合，用以確定熱損傷是否鏇修完全，從而有效預(yù)防車輪踏面因熱損傷鏇修不完全導(dǎo)致的二次剝離形象的產(chǎn)生，延長(zhǎng)了車輪的使用壽命，同時(shí)確保了列車的安全運(yùn)行。