城市軌道交通車輪異常磨耗研究概述

宮彥華 ，趙 海 ，，劉學(xué)華 ，高 偉 ，陳 剛，毛亞男

（1. 馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，安徽馬鞍山 243000；2. 軌道交通關(guān)鍵零部件安徽省技術(shù)創(chuàng)新中心，安徽馬鞍山 243000；3. 寶武集團(tuán)馬鋼軌交材料科技有限公司，安徽馬鞍山 243000）

1 引言

在城鎮(zhèn)化高度發(fā)展的今天，城市的人口日益膨脹，隨之帶來的交通壓力也日益增大。城市軌道交通以其環(huán)保、高效、準(zhǔn)時(shí)等優(yōu)勢受到各大中城市的青睞，也是人們偏愛的交通方式之一。近幾年，城市軌道交通建設(shè)在我國如雨后春筍般大量涌現(xiàn)，城市軌道交通在國民生活中扮演越來越重要的角色。

城市軌道交通車輛線路的復(fù)雜化（多小曲率半徑、多山地等）、載客量的快速增加、運(yùn)行速度的提升、運(yùn)用過程中的頻繁啟停、輪軌接觸應(yīng)力增大、輪軌接觸狀態(tài)復(fù)雜多變等因素，致使車輪在使用過程中出現(xiàn)較多的應(yīng)用問題，如磨耗過快、輪緣異常磨耗、失圓等問題頻發(fā)，增大車輪磨損和鏇修量，影響車輪使用壽命。輪軌接觸是城市軌道交通輪軌應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)難題之一，也是城市軌道交通輪軌損傷領(lǐng)域的主要研究方向之一。鑒于此，本文旨在總結(jié)城市軌道交通車輪應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域方面的最新研究進(jìn)展。

2 城市軌道交通車輪技術(shù)要求

國內(nèi)城市軌道交通車輛一般采用ER9、CL60、CG10材質(zhì)車輪，參考標(biāo)準(zhǔn)分別為EN 13262：2004 《鐵路應(yīng)用—輪對和轉(zhuǎn)向架—車輪—產(chǎn)品要求》 《城市軌道A型車用輾鋼整體車輪行業(yè)技術(shù)規(guī)范》、TB/T 2817-1997《鐵道車輛用碾鋼整體車輪通用技術(shù)條件》，具體技術(shù)要求如表1、表2所示，城市軌道交通車輪用鋼以中高碳素鋼為主，基體組織為少量鐵素體+珠光體，珠光體是天然的耐磨材料，適用于輪軌領(lǐng)域。珠光體微觀結(jié)構(gòu)（如珠光體片層間距、珠光體團(tuán)大小等）決定車輪輪輞強(qiáng)硬度水平，也是車輪使用性能的重要表征之一。

表1 各材質(zhì)車輪主要化學(xué)成分 wt %

表2 主要性能技術(shù)要求

一般情況下，車輪鋼碳含量越高，強(qiáng)硬度水平也相對越高，磨損性能越好，所對應(yīng)的鐵素體含量越低，尤其是先共析鐵素體含量。城市軌道交通用ER9材質(zhì)車輪碳含量最低，強(qiáng)硬度要求也較低；CL60、CG10材質(zhì)車輪碳含量相當(dāng)，但CL60車輪強(qiáng)硬度要求更高，CG10材質(zhì)車輪提出沖擊和斷裂韌性的要求。從車輪技術(shù)指標(biāo)來看，CG10車輪性能要求最嚴(yán)格，工藝水平更高。

3 異常磨損的分類

目前，城市軌道交通用車輪損傷基本分為磨耗型損傷（偏磨、輪緣異常磨損、異?！鞍肌毙湍ズ?、失圓、雙坑磨耗等）和疲勞型損傷（異物壓入、擦傷或擦傷剝離、滾動接觸疲勞、碾堆等）2大 類，本文重點(diǎn)分析城市軌道交通車輪的主要損傷類型之磨耗型損傷，如表 3所示。

表3 車輪磨耗型傷損及其特點(diǎn)

3.1 偏磨

偏磨是指車輪在運(yùn)用過程中表現(xiàn)出裝載在車輛一側(cè)的車輪踏面磨耗普遍顯著高于車輛另一側(cè)車輪的踏面磨耗，致使車輛兩側(cè)車輪磨耗量存在明顯差異，如圖1所示。車輪嚴(yán)重偏磨容易導(dǎo)致車輛在運(yùn)行過程中產(chǎn)生橫向移動，對車輛平穩(wěn)性帶來影響，同時(shí)車輪嚴(yán)重偏磨會影響車輪鏇修及使用壽命。

為探究車輪偏磨形成原因，選擇對出現(xiàn)嚴(yán)重偏磨的車輪進(jìn)行解剖分析，并對車輛運(yùn)行線路進(jìn)行調(diào)研分析，結(jié)果如表4、圖2、圖3所示，可得結(jié)論為：

表4 兩側(cè)車輪主要成分、抗拉強(qiáng)度和沖擊性能

（1）出現(xiàn)偏磨車輪的成分、性能、組織一致性較好，說明車輪偏磨與車輪成分、性能、組織無關(guān)；

（2）車輛運(yùn)行線路R500 m 以下半徑曲線占比高，且左右曲線分布不均，說明車輪偏磨與車輛運(yùn)行線路情況存在較大的關(guān)系。

3.2 輪緣異常磨耗

輪緣異常磨耗是城市軌道交通用車輪運(yùn)用過程中常見的缺陷類型，其主要表現(xiàn)為車輪輪緣處磨耗較大，甚至大于踏面磨耗。輪緣異常磨耗情況下，輪緣處恢復(fù)1 mm，踏面至少需要鏇修4 mm，極大地增加車輪踏面鏇修量，嚴(yán)重影響車輪使用壽命。

對輪緣異常磨耗的車輪進(jìn)行解剖分析，如圖4所示，在硬度相當(dāng)?shù)那闆r下，輪緣處組織發(fā)生明顯的塑性變形，說明在運(yùn)用的過程中車輪輪緣處受力較大或頻繁受到高應(yīng)力的情況。經(jīng)多年的研究發(fā)現(xiàn)采用經(jīng)濟(jì)型鏇修方式是降低車輪輪緣磨耗、延長車輪使用壽命的有效手段。經(jīng)濟(jì)性鏇修主要是車輪踏面鏇修到標(biāo)準(zhǔn)型面，而輪緣處不完全恢復(fù)到成品車輪輪緣尺寸，只是仿型至尺寸要求的輪緣厚度中下限，經(jīng)濟(jì)型鏇修雖增加鏇修頻次，但可以有效的延長車輪使用壽命。

3.3 異?！鞍肌毙湍ズ?/h3>

車輪異常“凹”型磨耗指的是車輪在運(yùn)用過程中以踏面磨耗為主，但踏面磨耗速率較大，短時(shí)間內(nèi)踏面磨耗呈明顯的“凹”字型，如圖5、圖6所示。由于“凹”字型磨耗踏面的出現(xiàn)會改變輪軌接觸狀態(tài)，在“凹”字兩端受力較大，致使車輪踏面出現(xiàn)磨耗量大，同時(shí)伴有較嚴(yán)重的滾動接觸疲勞損傷（RCF），車輪在使用和鏇修過程中都會產(chǎn)生嚴(yán)重的消耗。

由于車輪在此工況下磨損量大且伴有RCF，說明該車輪材料不適合在此種工況下運(yùn)用。在某城市軌道交通線路采用高強(qiáng)度高硬度耐磨CL60材質(zhì)車輪進(jìn)行替代后，車輪異?！鞍肌毙湍ズ募疤っ娼佑|疲勞傷損情況得到明顯改善，如圖7所示。

3.4 “雙坑”磨耗

根據(jù)輪軌接觸理論，名義滾動圓處是磨耗最明顯的位置，而“雙坑”磨耗主要是名義滾動圓兩側(cè)磨耗大于名義滾動圓處磨耗。該型磨耗造成名義滾動圓處接觸應(yīng)力較大，出現(xiàn)接觸疲勞裂紋，裂紋快速擴(kuò)展，表現(xiàn)為剝離掉塊。此類踏面缺陷是車輪在運(yùn)用過程中，閘瓦、車輪以及鋼軌硬度之間存在競爭關(guān)系，若閘瓦硬度偏高，在運(yùn)行過程中閘瓦又發(fā)生橫向移動及轉(zhuǎn)動易導(dǎo)致“雙坑”磨耗出現(xiàn)，如圖8所示。

3.5 車輪周向不均勻磨耗

城市軌道交通線路條件復(fù)雜，軌道形式多樣，小半徑曲線眾多且通常伴隨不同程度的鋼軌波磨，輪軌動力相互作用劇烈。車輪失圓或多邊形磨耗問題在城市軌道交通車輛上較為常見，產(chǎn)生該問題的影響因素較多，具體如表5所示。

表5 車輪周向不均勻磨耗分類及表現(xiàn)特征

采用金相顯微鏡、硬度儀、掃描電鏡等對失圓車輪波峰、波谷處組織形態(tài)及塑性變形情況進(jìn)行分析可知，失圓車輪波峰波谷處材料的實(shí)際晶粒度、珠光體片層間距、先共析鐵素體、布氏硬度、拉伸性能、硬化情況未見明顯區(qū)別。

4 城市軌道交通車輪技術(shù)發(fā)展趨勢探討

城市軌道交通正向著“綠色智能”的方向加速發(fā)展，輪軌關(guān)系是城市軌道交通重要的研究方向之一，如輪軌振動、輪軌噪聲、輪軌硬度匹配、輪軌廓形匹配等，本文基于目前城市軌道交通輪軌匹配狀況，重點(diǎn)針對客戶急需解決的車輪異常磨耗、延長車輪使用壽命等問題來分析探討車輪技術(shù)發(fā)展方向。

4.1 高輪輞硬度要求

通過對城市軌道交通車輪運(yùn)用損傷的分析發(fā)現(xiàn)，城市軌道交通車輪存在的大量損傷為磨耗型缺陷，而直接決定磨損的性能指標(biāo)為車輪硬度。在該方面，已開展比較系統(tǒng)的研究，并形成階段性研究結(jié)論。

4.1.1 提高車輪硬度能緩解車輪失圓的發(fā)生

根據(jù)在高鐵上開展的大量跟蹤研究發(fā)現(xiàn)車輪硬度越高，抗多邊形性能越好。

在實(shí)驗(yàn)室利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)及三坐標(biāo)測量儀對ER9和ER7材質(zhì)車輪與鋼軌試樣多邊形形成過程進(jìn)行記錄，結(jié)果如表6所示。從結(jié)果可見：車輪試樣初始硬度越高，試樣多邊形形成越晚；不同材質(zhì)的車輪均表現(xiàn)為13階多邊形，試樣多邊形的階次與硬度無明顯相關(guān)性。

表6 50萬轉(zhuǎn)后試樣多邊形階數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4.1.2 提高車輪硬度能降低車輪磨耗、延長使用壽命

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室開展的硬度對車輪磨損性能的研究，以及應(yīng)用現(xiàn)場跟蹤的ER8車輪、CL60車輪磨損性能的研究結(jié)果，如圖9所示，適當(dāng)提高車輪硬度可緩解車輪快速磨耗現(xiàn)象的發(fā)生。

另外縮小車輪斷面徑向硬度差，也就是提高車輪遠(yuǎn)踏面硬度水平，可有效的提高遠(yuǎn)踏面位置的抗磨損性能，延長車輪的適用壽命。城市軌道交通車輪輪輞均采用踏面表面淬火冷卻處理，即通過控制淬火溫度、時(shí)間、水溫等參數(shù)實(shí)現(xiàn)輪輞深度方向的組織、硬度合理分布，即從踏面表面往下，隨著深度增加，車輪輪輞斷面硬度呈現(xiàn)逐漸降低的規(guī)律。如果要求車輪斷面徑向硬度差較小，則需要改變淬火溫度、淬火參數(shù)、回火溫度等，而根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平、工藝，車輪斷面徑向硬度差很難進(jìn)一步縮小，后期應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)此技術(shù)方面的研究，穩(wěn)定縮小車輪斷面徑向硬度差。

4.2 增大磨耗到限深度

為延長車輪使用壽命，將磨耗到限深度由35 mm延深至40 mm甚至45 mm是一種有效的經(jīng)濟(jì)手段，但目前仍處于思路設(shè)計(jì)階段。車輪磨耗情況與車輪結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、熱處理工藝水平、硬度、殘余應(yīng)力等因素有關(guān)，車輪磨耗到限延深至踏面下45 mm處，對車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型、工藝選擇，尤其是如何通過熱處理工藝保證踏面下45 mm處硬度處于較高的水平是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

增加車輪磨耗到限深度是車輪運(yùn)用的需求，也是延長車輪使用壽命的最直接有效的方式，更是車輪技術(shù)發(fā)展的重要研究方向之一，應(yīng)開展相關(guān)技術(shù)研究，做足技術(shù)儲備，為開發(fā)此類產(chǎn)品做好準(zhǔn)備。

5 結(jié)語

通過對城市軌道交通車輪異常磨耗的進(jìn)一步研究，可得出以下結(jié)論。

（1）城市軌道交通車輛車輪損傷基本分為磨耗型損傷和疲勞型損傷2大類，城市軌道交通車輪以磨耗型損傷為主，其中輪緣異常磨耗、異?！鞍肌毙湍ズ摹ⅰ半p坑”磨耗以及車輪周向不均勻磨耗在城市軌道交通車輪服役過程中最為頻發(fā)，嚴(yán)重影響車輪使用壽命。

（2）偏磨、輪緣異常磨耗、異常“凹”型磨耗、“雙坑”磨耗與線路條件、轉(zhuǎn)向架狀態(tài)關(guān)聯(lián)較大，提高車輪質(zhì)量（尤其是適宜的硬度水平、硬度分布）能延緩輪緣異常磨耗、踏面磨耗過快的問題。

（3）車輪失圓的影響因素復(fù)雜多樣，一般情況下，車輪偏心與車輪初始缺陷、輪對組裝、鏇修等因素有關(guān)，車輪3邊形與鏇床鏇修模式相關(guān)性較大，車輪5～8邊形、11～13邊形是由輪對一階彎曲、P2共振引起的。目前，車輪隨機(jī)非圓化的影響因素、與車輪質(zhì)量的關(guān)系尚不清楚。

（4）基于目前城市軌道交通輪軌匹配狀況，針對車輪異常磨耗影響車輪使用壽命的問題，提高車輪輪輞硬度、縮小輪輞斷面徑向硬度差、增加磨耗到限深度是延緩車輪異常磨耗、延長車輪使用壽命的重要技術(shù)方向，對車輪生產(chǎn)工藝尤其是熱處理工藝提出更高的要求。