地鐵多邊形車輪顯微組織分析及運(yùn)維建議

尤君，黃之軍，張婷婷，蔣兵

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，南京 210031）

0 引言

隨著各大中城市軌道交通建設(shè)運(yùn)營的快速發(fā)展及車輛架修期的到來，地鐵車輛車輪的磨損問題變得越來越普遍。車輪多邊形是當(dāng)前軌道車輛車輪磨損的一種主要形式，不僅會引起車輛和鋼軌間的劇烈振動，嚴(yán)重時還會損壞軌道和車輛上的其它部件，如軌枕、鋼軌、扣件、輪對軸箱軸承和構(gòu)架等，在誘使較大的輪軌沖擊力和滾動噪聲的同時，還會降低乘坐舒適性，甚至引起車輛脫軌的發(fā)生[1-2]。因此設(shè)法降低城市軌道誘發(fā)的振動和噪聲，讓人類與自然的關(guān)系更加和諧，成了人們普遍關(guān)注的問題。

本文針對某個城市地鐵車輛異常振動及車輪頻繁鏇修等實(shí)際問題，分析車車輛在該運(yùn)營線路環(huán)境下車輪的表面狀態(tài)，分析車輪出現(xiàn)多邊形的原因，從而制定處置及預(yù)防措施，為減輕車輪失圓而保障車輛的平穩(wěn)運(yùn)營奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)用車輪采購技術(shù)要求

1.1 車輪表面質(zhì)量

車輪表面不得有結(jié)巴、折疊、裂紋、壓入物、缺肉、毛刺等，且表面不允許用鑄、焊、噴涂、電或化學(xué)沉積等工藝修整。車輛出廠時，工藝規(guī)定同一輪對上的2個車輪滾動圓徑向跳動量要求不大于0.5 mm，車輪輪輞內(nèi)側(cè)跳動量不大于0.5 mm。

1.2 車輪熱處理

車輪輪輞應(yīng)進(jìn)行淬火和回火處理，淬火時應(yīng)防止輻板進(jìn)水，在淬火操作中應(yīng)避免淬火裂紋。

1.3 車輪硬度

車輪輪輞斷面硬度檢測應(yīng)按照ISO 6506-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，壓球直徑5 mm，測量值應(yīng)符合表1規(guī)定。同一車輪在輪輞上測量的硬度值變動應(yīng)在30 HB范圍內(nèi)。

表1 輪輞處應(yīng)達(dá)到的硬度值 HB

1.4 車輪顯微組織

車輪輪輞進(jìn)行淬火與回火處理后，其組織應(yīng)為細(xì)珠光體和少量鐵素體，顯微組織的檢測按照晶粒度應(yīng)優(yōu)于7級。

2 試驗(yàn)方案及要求

2.1 試驗(yàn)要求

從該列車上抽取1個轉(zhuǎn)向架，選取4個車輪中磨耗嚴(yán)重的1個車輪（材質(zhì)：ER9；執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：EN13262）進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，檢測其化學(xué)成分、晶粒度及金相組織（金相組織檢查需包含檢測出的各類組織）。

2.2 復(fù)驗(yàn)方案

車 輪 按GB/T 4336、GB/T 20123、GB/T 20125、GB/T 11261或GB/T 20124規(guī)定的方法進(jìn)行化學(xué)成分檢測。取樣位置為輪輞標(biāo)稱直徑處的踏面下15 mm處。

車輪按GB/T 13298規(guī)定的方法進(jìn)行金相組織檢測，按GB/T 6394規(guī)定的方法進(jìn)行晶粒度評級。金相組織及晶粒度檢測取樣位置如圖1所示，在車輪90°位置各取4個截面，截面定義為A截面、B截面、C截面、D截面，每個截面取5個試樣進(jìn)行檢驗(yàn)，共計(jì)20個試樣。

圖1 金相組織及晶粒度檢測取樣位置

3 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

3.1 車輪不圓度測試及影響

選取該線路某列車中的4輛動車作為測試對象，測試采用接觸測量方法完成，其測試現(xiàn)場如圖2所示，車輪不圓度測試結(jié)果如表2所示。

表2 動車車輪不圓度測試結(jié)果

圖2 車輪不圓度測試及多邊形形態(tài)

從表2中可以看出，動車車輪輪徑分布在817～830 mm范圍內(nèi)時，32個測試結(jié)果中有28個徑向跳動值超過0.5 mm，同一輛車車輪徑向跳動離散程度達(dá)到0.85 mm，徑跳超差必將加劇車輪與鋼軌之間的滾動沖擊，進(jìn)而加速車輪的多邊形化。其次鋼軌的表面硬度（320 HB）均大于輪輞表面的硬度，車輪踏面凹陷處在輪對與鋼軌間的滾動沖擊下會產(chǎn)生加工硬化而逐漸形成一層硬化層，加之長期使用，未按要求進(jìn)行鏇修。針對地鐵車輪多邊形的問題，目前主要的防治措施就是按修程定期修型處理，將車輪徑跳值控制在0.5 mm以內(nèi)，使其達(dá)到車輛出廠時的新造標(biāo)準(zhǔn)，以減輕或者削弱輪輞的磨耗，抑制車輪多邊形的形成及發(fā)展。

3.2 車輪輪輞顯微組織分析

選取C、D組試樣做金相分析，車輪取樣位置實(shí)物圖如圖3所示，試樣典型顯微組織如圖4～圖33所示。

圖3 取樣實(shí)物圖

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從表3檢測結(jié)果可以看出，車輪組織中主要是珠光體和鐵素體，但其邊緣組織中有硬化層，10個樣品中有8個試樣組織中出現(xiàn)了回火貝氏體，晶粒度均為8級，心部硬度值滿足ISO 6506-1標(biāo)準(zhǔn)要求。

中、高碳鋼的上貝氏體組織在光學(xué)顯微鏡下典型特征呈羽毛狀[3]，這從圖8、圖11金相顯微組織也可以看出。上貝氏體形成溫度較高，鐵素體晶粒和碳化物顆粒較粗大，碳化物呈短桿狀平行分布在鐵素體板條之間，鐵素體和碳化物分布有明顯的方向性，這種組織狀態(tài)使鐵素體條間易產(chǎn)生脆斷。根據(jù)CCT 曲線，在淬火過程中，靠近車輪踏面表面，冷卻速度較快，貝氏體含量較高；靠近輪輞心部，冷卻速度較慢，貝氏體含量較低。貝氏體組織的存在，影響了車輪輪輞組織的連續(xù)性，在輪軌接觸應(yīng)力作用下，使貝氏體與珠光體組織過度區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，在車輪與鋼軌頻繁的沖擊振動下產(chǎn)生疲勞裂紋，而裂紋更容易向薄弱的貝氏體和珠光體過度的區(qū)域擴(kuò)展，以致脆斷最終形成剝離[4-5]。

3.3 地鐵車輪熱處理工藝分析與探討

地鐵車輪輪餅毛坯的生產(chǎn)工藝流程如圖34所示，其中影響車輪多邊形最關(guān)鍵的2個工序是軋制和熱處理。目前，國內(nèi)外對車輪熱處理和冷卻的方法基本相同，均為車輪奧氏體化加熱后，對車輪輪輞踏面或踏面外側(cè)進(jìn)行大流量連續(xù)強(qiáng)制性噴水冷卻，冷卻速度及噴水的均勻性都會誘使異常組織的形成，問題車輪貝氏體組織的存在與熱處理過程直接相關(guān)。

圖34 地鐵車輪生產(chǎn)工藝流程

地鐵車輪生產(chǎn)過程中與熱處理相關(guān)的工藝控制要點(diǎn)歸納總結(jié)見表4。因此有必要從結(jié)構(gòu)、操作方法及熱處理工藝規(guī)范等方面進(jìn)行研究改善，從而提高車輪輪輞表面淬火質(zhì)量。

表4 地鐵車輪生產(chǎn)過程工藝控制要點(diǎn)

4 結(jié)語

未來將會有更多的地鐵車輛開通運(yùn)營，隨著運(yùn)營里程的增加及架修期的臨近，地鐵車輪多邊形的現(xiàn)象會越發(fā)頻繁普遍，不但加劇輪軌間的作用力，引起車輛振動，增加運(yùn)維成本，還會影響列車的安全性、舒適性及使用壽命。經(jīng)過以上分析與總結(jié)，可以歸納以下幾點(diǎn)運(yùn)維建議：

1）車輪踏面組織不均勻性及貝氏體組織的存在，影響了車輪輪輞組織的連續(xù)性，是造成車輪產(chǎn)生多邊形的內(nèi)在誘因。

2）有必要研究車輪整個熱處理工藝流程，對關(guān)鍵工序加以優(yōu)化，使車輪化學(xué)成分、組織與熱處理工藝相匹配，從而提高車輪輪輞表面質(zhì)量，延長輪對使用壽命。

3）增加在線車輪表面狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測裝置，對出現(xiàn)徑跳超過0.5 mm的車輪及時進(jìn)行鏇修處理。

4）從線路方面尋找誘使車輪多邊形的環(huán)境因素，從而加以優(yōu)化和規(guī)避。

5）長期關(guān)注和分析車輪多邊形運(yùn)維大數(shù)據(jù)，借助大數(shù)據(jù)云平臺完善車輪徑跳發(fā)展規(guī)律的研究與總結(jié)，為車輪鏇修及其運(yùn)營維護(hù)提供參考依據(jù)。