HXN3高原型內(nèi)燃機車輪對輪緣裂紋研究

廖子平

(青藏集團(tuán)有限公司格爾木機務(wù)段，青海 格爾木 816000)

1 現(xiàn)場調(diào)研

HXN3高原型內(nèi)燃機車于2018年6月7日開始在格爾木至拉薩區(qū)間擔(dān)當(dāng)客貨列車牽引任務(wù)，運用后頻繁出現(xiàn)車輪輪緣裂紋故障。2018年7月24日，筆者與中車大連公司和CAF公司技術(shù)人員一同現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)研，情況如下。

1)運行在格爾木-拉薩區(qū)間HXN3高原型機車一定數(shù)量的車輪的輪緣在與軌道內(nèi)側(cè)面接觸部位存在徑向裂紋，截至2018年8月2日，有36個車輪發(fā)生了徑向裂紋，占配屬HXN3高原型機車車輪數(shù)量的10%。根據(jù)已有統(tǒng)計數(shù)據(jù)(見表1)，3軸與6軸輪緣裂紋居多。

表1 HXN3機車車輪發(fā)生輪緣裂紋故障的軸位統(tǒng)計表

2)通過現(xiàn)場調(diào)研確認(rèn)，HXN3高原型機車運用在哈爾蓋-木里線、拉日線和西寧支線等線路期間，機車車輪未出現(xiàn)任何類型的問題。

3)格爾木至拉薩區(qū)間線路自2015年起進(jìn)行重新鋪設(shè)，2016年底鋪設(shè)完成。同年開始，在該線路上運用的NJ2機車出現(xiàn)大批量輪緣裂紋情況，新輪運用6月左右出現(xiàn)裂紋并鏇修，鏇修后的輪對運行3個月更換。但與HXN3高原型內(nèi)燃機車情況稍有不同，NJ2型內(nèi)燃機車輪緣裂紋普遍存在于機車的各軸輪對。

4)從格拉線線路圖確認(rèn)，格拉線長度約2 000多km，海拔變化約2 000 m，最大坡度20‰，持續(xù)大坡道較多，坡道起伏大，曲線密集處多，機車運行時長時間處于曲線爬坡或下坡工況，最大持續(xù)里程可達(dá)約1 000 km(見圖1)。

5)HXN3高原型內(nèi)燃機車和NJ2型內(nèi)燃機車在格拉線執(zhí)行牽引任務(wù)時，采用重聯(lián)運行方式，NJ2型內(nèi)燃機車始終為本務(wù)機車，HXN3高原型內(nèi)燃機車為非本務(wù)機車，HXN3高原型內(nèi)燃機車的3軸和6軸始終為導(dǎo)向輪對，這一特點與3、6軸輪對多發(fā)輪緣裂紋數(shù)據(jù)統(tǒng)計相互吻合。

圖1 線路條件示例

6)現(xiàn)場對一個問題輪對用滲透方法(PT)進(jìn)行無損檢測確認(rèn)，檢測結(jié)果清楚地顯示輪緣頂部出現(xiàn)數(shù)條徑向裂紋，長度最大達(dá)10～15 mm。所有裂紋都集中在接近輪緣頂部的塑性變形層的拐角處。如圖2所示。從圖中可以看出，輪緣頂部存在塑性變形層，裂紋都集中在該層的邊緣。輪緣裂紋部位圓周方向存在磨損及車輪材料淺表層剝離現(xiàn)象。機車在線路運用時，正常運用工況產(chǎn)生的載荷不足以導(dǎo)致這種現(xiàn)象的發(fā)生。

7)現(xiàn)場進(jìn)行多臺HXN3高原型內(nèi)燃機車軸箱止擋間隙測量，數(shù)據(jù)顯示間隙值普遍偏大，該問題普遍存在。以HXN30306機車軸箱橫向止擋間隙測量數(shù)值為例，結(jié)果見表2。結(jié)果顯示機車端軸一系軸箱橫向止擋間隙偏大，中間軸合格。機車運用中因軸箱橫向止擋的頻繁碰撞，會導(dǎo)致橫向止擋或橫向擋板磨損，進(jìn)而橫向止擋間隙要結(jié)合修程通過在橫向止擋處用0.5 mm和1 mm的鋼墊進(jìn)行調(diào)整，要求端軸兩邊之和為4～5 mm，中間軸兩邊之和為28～30 mm。

圖2 HXN3高原機車車輪輪緣裂紋情況

表2 HXN30306軸箱橫向止擋間隙測量值

8)現(xiàn)場確認(rèn)，輪緣潤滑裝置正確的作用在輪緣根部，能夠有效保證輪緣根部潤滑的性能，潤滑區(qū)狀態(tài)較好，并且不與磨損區(qū)重合。

2 添乘調(diào)研

為研究HXN3高原型內(nèi)燃機車車輪輪緣裂紋問題，結(jié)合前期調(diào)研情況并根據(jù)后續(xù)的工作安排，2018年11月23日-11月28日期間，筆者對格爾木-拉薩上行線路、拉薩-西寧下行線路進(jìn)行了添乘及線路調(diào)研。

1)上行添乘格爾木-拉薩區(qū)間NJ20036機車(控制牽引)+HXN30307機車(附掛牽引)編組，乘坐NJ20036機車，添乘過程中，在機車運行至公里標(biāo)977 km處附近，機車運行速度74 km/h，機車限速85 km/h，輪軌存在異常摩擦?xí)r間較長，可聽見刺耳的輪軌摩擦聲音，持續(xù)2 min左右，未見機車報空轉(zhuǎn)滑行故障，且當(dāng)時線路有小到中雪。該處線路特點是連續(xù)的長大下坡道，且伴有S型小半徑曲線。說明機車在這種線路上運行，輪軌耦合關(guān)系較差。

經(jīng)查證確認(rèn)，HXN30307機車3、6軸均出現(xiàn)過輪緣裂紋故障，通過鏇修消除后輪緣變薄，目前經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)，運用至今輪緣狀態(tài)良好，無輪緣異常產(chǎn)生。但在該機車1軸已出現(xiàn)較為明顯的輪緣頂部塑性變形。從現(xiàn)場證據(jù)指向薄輪緣車輪相對厚輪緣車輪，具有較好的輪軌耦合關(guān)系。

2)下行添乘NJ20032(控制牽引)+HXN30306機車(附掛牽引)編組，乘坐HXN30306機車，添乘過程中，機車分別運行至1 633 km標(biāo)處，機車運行速度24 km/h，機車限速105 km/h；1 156 km標(biāo)處，機車運行速度73 km/h，機車限速85 km/h；1 147 km標(biāo)處，機車運行速度75 km/h，機車限速85 km/h；機車運行在長大S型小曲線上、下坡道時，機車均出現(xiàn)相對明顯的橫向和垂向振動狀況，但較上行時NJ2振動的狀況較輕，且垂向振動較大，橫向振動較小，機車振動較快收斂，恢復(fù)既有的穩(wěn)定性。

綜合添乘NJ2與HXN3高原型機車過程中，機車橫向及垂向振動較為強烈，尤其是能夠感覺到轉(zhuǎn)向架輪軸傳導(dǎo)的振動較為強烈，可能存在一系及二系振動且不易收斂的問題，這種異常振動可能與相對較為格拉段特殊環(huán)境的線路條件有關(guān)，也可能與機車自身結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)。

3 初步原因分析

根據(jù)輪緣傷損的位置和傷損程度，可以確認(rèn)輪緣傷損部位與軌道內(nèi)側(cè)面存在長時間持續(xù)接觸及相互磨損(見圖3)，造成輪緣裂紋部位承受較大的切向應(yīng)力，包括輪緣的頂部。在應(yīng)力循環(huán)作用下，輪緣部位的材料產(chǎn)生了異常的塑性變形。最終，在輪緣的頂部形成一個圍繞著輪緣的塑性變形材料的碾堆，沿著圓周形成的碾堆不均勻，裂紋集中在碾堆頂部(見圖4)。

圖3 輪緣異常磨耗部位形態(tài)

圖4 變形層的位置和所有裂紋的集中區(qū)域

根據(jù)以現(xiàn)場對車輪的檢查結(jié)果和信息收集，HXN3高原型機車出現(xiàn)輪緣裂紋的起源和發(fā)展過程已經(jīng)十分清晰，其特征符合TB/T 3154-2007中描述的以下故障代碼和原因分析。

1)根據(jù)TB/T 3154-2007中5.16描述，整體輾鋼車輪輪緣頂部發(fā)生碾邊，故障代碼XXX0301，是由于輪軌接觸疲勞過輪軌接觸應(yīng)力過大造成的傷損，當(dāng)運用條件(輪軌接觸應(yīng)力)超出要求時，在較高的輪軌接觸應(yīng)力作用下，輪緣部位發(fā)生金屬累積塑性變形(見圖5)。

圖5 TB/T 3154-2007輪緣碾邊示例

2)根據(jù)TB/T 3154-2007中5.20描述，輪緣裂紋(掉塊)，故障代碼XXX0601，是由于輪軌接觸疲勞過輪軌接觸應(yīng)力過大造成的傷損，輪軌接觸應(yīng)力過大使輪緣處產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋擴展后可能形成輪緣掉塊(見圖6)。

圖6 TB/T 3154-2007輪緣裂紋(掉塊)示例

3)HXN3高原型機車車輪使用AAR-B級鋼材質(zhì)，制造工藝執(zhí)行TJ/JW038《交流傳動機車車輪暫行技術(shù)條件》及AAR M-107/M-108《Castings，steel specification》，屬于成熟設(shè)計產(chǎn)品，其在中車大連公司HXN3系列機車及干線內(nèi)燃機車上均有大量運用，所有機車車輪在裝車出廠前均處于質(zhì)量嚴(yán)格控制范圍內(nèi)。

綜上所述，HXN3高原型機車車輪在格爾木-拉薩區(qū)段運用過程中，可排除是由于質(zhì)量和設(shè)計原因?qū)е略撎卣鞴收系陌l(fā)生，該問題的發(fā)生是由于輪軌接觸綜合作用的結(jié)果。

4 車輪輪緣裂紋機理分析

結(jié)合調(diào)研結(jié)果并綜合考慮機車的實際運用環(huán)境，導(dǎo)致輪軌在輪緣位置產(chǎn)生較高的接觸應(yīng)力，最終超過車輪材料的屈服強度，造成輪緣裂紋的產(chǎn)生，可能的原因如下。

1)根據(jù)Bombardier公司Roger Deuce的《Wheel Tread Damage》以及巴黎地鐵和國內(nèi)重載鐵路同類故障案例的研究經(jīng)驗，造成輪緣出現(xiàn)此種故障的原因是鋼軌內(nèi)側(cè)具有較淺的溝槽深度，或軌道、道岔內(nèi)側(cè)有不規(guī)則異物，在輪緣根部與鋼軌正常貼靠前，輪緣靠近頂部的位置先于鋼軌貼靠，致使輪緣輪緣頂部接觸壓應(yīng)力和切向摩擦應(yīng)力增大，最終至輪緣頂部磨損與裂紋的發(fā)生(見圖7)。

圖7 鐵輪緣頂部磨損及裂紋故障原因分析

2)根據(jù)鮑維千《機車總體及轉(zhuǎn)向架》[1]中關(guān)于機車曲線通過的相關(guān)研究，若實際小曲線線路軌距加寬量、軌道超高、軌底坡等設(shè)置的不合理，也可能是導(dǎo)致輪緣與軌道的異常磨耗的原因之一。如軌距加寬較小，機車通過曲線時的工況相對惡劣，根據(jù)現(xiàn)場反饋，不同車號相同軸位相對較薄輪緣的車輪表面狀態(tài)要好于輪緣較厚的車輪，與此研究相吻合；曲線過小，機車會產(chǎn)生相對較大的離心力；外軌超高設(shè)置不足，這會造成機車內(nèi)向力無法平衡過曲線時產(chǎn)生離心力。尤其是在持續(xù)上坡道或下坡道時，上述影響會更為明顯。上述均會造成輪緣部位會承受較高的輪緣力，輪緣部位承受較高的摩擦切應(yīng)力和接觸應(yīng)力，包括輪緣的頂部。隨著車輪滾動，在循環(huán)應(yīng)力往復(fù)作用下，輪緣部位的材料產(chǎn)生了異常的塑性變形。最終，在輪緣的頂部形成一個圍繞著輪緣的塑性變形材料的碾堆，沿著圓周形成的碾堆不均勻，裂紋集中在碾堆頂部。

國內(nèi)某和諧型動車組投入運營后，發(fā)現(xiàn)車輪輪緣有異常磨耗現(xiàn)象，車輪鏇修量較大，影響到車輪壽命，具體特征如圖8所示，與HXN3高原型機車輪緣異常磨耗特征相近。

3)通過對現(xiàn)場軌道檢查，發(fā)現(xiàn)在段內(nèi)曲線內(nèi)側(cè)軌道磨耗部位正常，外側(cè)軌道側(cè)面磨耗嚴(yán)重，部分部位磨耗量達(dá)到10 mm，在軌道底部散部大量金屬碎屑(見圖9)。輪緣磨耗異常主要發(fā)生在進(jìn)出庫和既有線路的道岔和小曲線處，特別是當(dāng)?shù)啦砗颓€處的軌道外形在磨損后沒有及時修復(fù)，軌道沒有設(shè)置軌底坡，以及小曲線超高等與通過速度匹配不當(dāng)，是造成輪緣異常磨耗的主要原因。

4)根據(jù)調(diào)查分析結(jié)果，減輕輪緣磨耗主要從以下幾方面改進(jìn)并取得明顯的改善效果。

(1)對道岔及小曲線線路進(jìn)行調(diào)整和及時維護(hù)。

(2)對道岔和小曲線處的軌道側(cè)面進(jìn)行潤滑，減小輪軌磨擦系數(shù)。

(3)對機車進(jìn)行改進(jìn)，減小機車運行時的輪軌橫向力和磨擦功，減輕輪緣磨耗。

(4)格爾木-拉薩區(qū)間線路連續(xù)長大坡道和曲線多，也會造成輪緣與軌道間較高的接觸應(yīng)力及摩擦切應(yīng)力，同時也會產(chǎn)生較高的摩擦熱載荷，磨耗部位表面金屬溫度過高，隨著輪緣的塑性變形及磨耗變薄，輪緣部位熱負(fù)荷承載能力下降，出現(xiàn)過熱磨損。加之輪緣與軌道間的摩擦力形成切向拉力，同時材料的屈服強度隨溫度的升高而降低，金屬表面易出現(xiàn)疲勞裂紋并加速裂紋的擴展。另外，格爾木-拉薩區(qū)間溫度變化明顯，同一交路不同區(qū)段溫差相差較大，環(huán)境溫度的頻繁變化和輪軌摩擦熱量的綜合作用，使得輪緣磨耗表面更易形成粗大晶體的馬氏體組織(見圖10)，最終形成輪緣表面材料的剝離。

圖8 某型動車組的輪緣磨耗特征

圖9 段內(nèi)曲線外側(cè)和內(nèi)側(cè)軌道磨耗情況

圖10 輪緣磨損部位光亮的馬氏體層

(5)目前在段運用機車一系軸箱橫向止擋間隙比出廠值普遍偏大，研究表明，端軸軸箱止擋間隙的增大，會影響機車的平穩(wěn)性，產(chǎn)生相對較大的輪軌橫向力，對輪緣磨耗產(chǎn)生不利影響。轉(zhuǎn)向架以最大偏斜位置通過曲線是輪緣磨損最大的時候，尤其是在持續(xù)長大坡道通過曲線時，導(dǎo)致導(dǎo)向輪對輪緣力較大，使輪緣磨損增加。

5 改進(jìn)措施

1)在日常維護(hù)保養(yǎng)時注意及時調(diào)整輪緣潤滑裝置角度，盡可能使輪緣潤滑裝置潤滑棒接觸輪緣，而非偏向車輪踏面。

2)為了改善輪緣潤滑效果，對比硬度不同的干式輪緣潤滑裝置(脂)，對該類異常輪緣部位裂紋的抑制效果，選擇可降解且硬度相對較低的干式輪緣潤滑裝置(脂)，通過試驗驗證是否能夠有效改善輪軌間惡劣的接觸關(guān)系。

3)請協(xié)調(diào)工務(wù)部門獲取目前格拉線軌道線路數(shù)據(jù)，如鋼軌廓形、軌道加寬、曲線超高、軌底坡等數(shù)據(jù)。另外，鑒于車輪異常磨損的普遍性，鋼軌也必然會出現(xiàn)類似的現(xiàn)象，一并向工務(wù)部門獲取相關(guān)信息，并研究重點關(guān)注區(qū)段實地考察的可行性。

4)聯(lián)系制造廠與相關(guān)大學(xué)牽引動力實驗室溝通，分析HXN3高原型機車的動力學(xué)性能分析，從理論上分析不同編組型式的機車在格拉線上的動力學(xué)性能對輪緣異常磨耗的影響。

6 結(jié)語

為使HXN3高原型機車能夠適應(yīng)不用條件下的運用線路，能夠為格拉段提供更好的運用動力，與制造廠聯(lián)合立項攻關(guān)，通過后續(xù)工作的持續(xù)進(jìn)行，可以使輪緣裂紋的問題盡快得到抑制或解決。