城市轨道交通车辆车轮踏面缺陷产生的机理和预防措施

叶都玮

(上海阿尔斯通交通设备有限公司,200245,上海∥质量经理)

城市轨道交通车辆车轮踏面缺陷产生的机理和预防措施

叶都玮

(上海阿尔斯通交通设备有限公司,200245,上海∥质量经理)

分析了城市轨道交通车辆车轮踏面产生裂纹和剥离等缺陷的机理,提出了预防车轮踏面缺陷的措施。例如:利用高性能的防滑器防止车轮滑动;对磨损车轮及时进行旋磨或打磨处理;降低车轮机械制动摩擦范围,提高电制动的范围;开发新材料,提高车轮抗剥离能力等。

城市轨道交通车辆;车轮踏面;疲劳裂缝;滚动接触疲劳;预防措施

Author's addressShanghai Alstom Transport Co.,Ltd.,200245,Shanghai,China

城市轨道交通车辆的设计中有很多依据UIC(国际铁路联盟)和EN(欧洲标准)开发的产品,尤其是转向架和轮对的设计加工工艺。但是在实际运营中,一些车轮踏面在正常的使用寿命中开始有缺陷。本文通过对这些车轮踏面缺陷的检测和原因分析,通过安定极限理论等提出其产生机理和演变过程,并根据产生机理和演变过程及经验数据确定测试方法,进一步在设计和加工工艺上提出预防措施。

目前,轮对制造和生产依据EN 13262:2004《铁路应用-轮对和转向架-车轮-产品要求》和UIC 812,轮对的生产和技术要求依据EN 13260:2003《铁路应用-轮对和转向架轮对-生产要求》。例如,某城市轨道交通车辆采用无摇枕结构转向架、低合金钢板焊接构架、二系悬挂形式和磨耗型踏面的整体辗钢车轮;每一车轴装有两个整体辗钢轮,材料为R9T,新车轮径尺寸为840 mm(根据UIC510-2)。

1 车轮踏面产生裂纹和剥离等缺陷的机理

根据对运行2000 km完成满载试验的城市轨道交通A型车辆的车轮踏面进行检查,发现部分车轮踏面有明显点状剥离(见图1)。点状剥离基本呈圆形,其周向长度通常不大于5 mm,且其深度不大于1 mm。在剥离点周围形成灰白色带状擦痕。带状擦痕长度为点状剥离直径的15倍到20倍。

图1 车轮踏面有明显点状剥离

在同一列车的另外2个车轮上发现擦伤现象(见图2)。车轮踏面擦伤呈圆形,深度为0.5～0.75 mm,面积为80 mm2,为灰白色中间呈灰褐色。

图2 车轮踏面的擦伤现象

使用李氏硬度计测试,车轮踏面点状剥离处硬度没有明显变化;圆形擦伤处硬度急剧上升,达到HB 580～650。而正常车轮踏面硬度通常为HB 280～310。图3中用于硬度检测的车轮,其未见擦伤处硬度为HB 268,在踏面与轨道碾压处硬度为HB 300～320。

为排除车轮本身质量问题,特收集分析了车轮的相关检验报告。车轮出厂报告见表1～3。车轮材质机械性能见图4。

图3 车轮踏面硬度分布

表1 车轮材质连铸圆坯化学成分报告

表2 车轮材质金相检验报告

表3 车轮材质化学元素的质量分数

由上述检测报告可知,车轮材质机械性能符合 标准,硬度符合要求,可以排除车轮存在质量问题。

本文所讨论城市轨道交通车辆采取踏面制动。型式试验中,在车轮侧面和制动闸瓦侧面上增加温度试片(见图5)。通过对温度试片的测试记录,在点状剥离严重的车轮上温度可达到250℃,在踏面与轨道接触处温度可达300～350℃;且在AW3(超载,9人/m2)状态进行紧急制动时,虽然车辆采取了防滑措施,但制动靴对车轮踏面进行摩擦制动后,车轮踏面的温度短时间会超过300～350℃。

根据硬度测试结果和温度记录,依据车轮的力学报告和化学组织成分报告(见图6),可对踏面出现剥离和擦伤的机理做进一步分析研究。

图4 车轮材质机械性能

图5 温度试片粘贴图示

图6 车轮成分和组织

CL60钢的成分为珠光体和铁素体,晶粒度为8级。

根据笔者的工作经验及国内外文献报道,车轮踏面剥离大致有三种不同原因造成(见表4)。

表4 车轮踏面剥离类型及原因

由温度记录和车轮踏面剥离、擦伤的检验记录,可认为:列车由于制动(尤其是在AW3情况下紧急制动)和滑行,车轮受热,并在轨面上淬火;在制动缓解中,车轮踏面回火。车轮踏面组织中珠光体和铁素体在300～350℃时逐步变成马氏体和回火马氏体,这种转变是反复多次的。在组织比容膨胀缩小、珠光体和铁素体变为马氏体和回火马氏体中,有碳原子释放到晶格间导致晶格变形,最后在晶格处产生裂纹,且在不同温度下,CL60钢的屈服极限将随温度变化而变化,尤其是温度上升超过300℃后,屈服极限急剧下降(见图7)。

图7 国产CL60钢温度和屈服极限相关图

根据安定极限理论,材质在应力-应变循环过程中,塑性变形发生到一定程度后,塑性变形层加工硬化到一定程度,不再产生新的塑性变形而达到一种安定状态。然而,本案例的车轮踏面,延伸性相对较小,回火马氏体在表层内阻碍了塑性变形,从而在回火马氏体积聚的区域形成裂纹。裂纹通过奥氏体组织向踏面的表面延伸形成开口的裂纹。在表面开口裂纹形成后,开口裂纹深处氧化,形成氧化物杂质,滚动接触疲劳加剧裂纹的扩散。当紧急制动(或制动力不匹配)过大时,产生抱闸现象,轮轨的粘着力消失,轮轨间出现滑行或蠕滑现象。此时摩擦产生的热量极大,车轮踏面处温度快速上升到极高温,很容易达到车轮钢的高温奥氏体相变点或以上;随即快速冷却,脆而硬的马氏体或回火马氏体形成,这就是擦伤。马氏体随着车轮的继续摩擦,很容易碎裂和脱落,这又形成了剥离。

2 剥离和擦伤对轨道产生的不良影响

(1)车轮踏面形成剥离后,使车轮踏面和钢轨间的摩擦系数提高。

(2)车轮踏面不圆度将对轨道形成冲击。

(3)车轮踏面的硬度上升将造成轨道使用寿命降低。通过试验发现,钢轨的使用寿命缩短量与车轮踏面硬度上升的平方成反比。

(4)增加列车运行的噪声。

3 检测方法

(1)内部应力检测,可采用超声波检测和钻孔检测。超声波检测可以按EN 13262:2004中《确定轮缘内残余应力的超声波方法(非破坏性方法)》对在线车轮进行非破坏性检测,确认其内部应力变化值作为参考。钻孔检测可参考 EN 13262:2004标准中《确定踏面深处的圆周残余应力变量所采用的应力片方法(破坏性方法)》对已磨耗轮抽样进行内部应力检测,确认其内部应力变化值作为参考。

(2)裂纹检测,可按铁道部相应的标准进行周检。

4 预防措施

(1)利用高性能的防滑器防止车轮滑动,可能的话,采取盘式制动型式。车轮因抱死而产生的长时期滑动很容易导致车轮表面擦伤,从而在车轮表面形成马氏体;由于马氏体脆硬,在滚动过程中形成大块剥离。高性能的防滑器可有效控制蠕滑率范围。

(2)对磨损车轮及时按严格的工艺过程进行旋修或打磨处理。

(3)提高电制动的范围,降低机械制动摩擦范围。例如,上海轨道交通3号线车轮的机械摩擦制动范围为15%,2号线车轮的机械摩擦制动范围为8%。通过对比,3号线车轮的磨耗明显大于2号线。

(4)开发新材料,提高车轮抗剥离的能力。这是最为重要的一条途径。

5 结 语

由于设计选型、产品加工工艺或运行检测等原因,造成城市轨道交通车辆的车轮踏面出现裂纹和剥离等缺陷。车轮踏面的损伤和裂纹会造成运营成本增加,同时也可能造成车辆运行中出现极端恶性事故。本文通过对缺陷产生机理的分析,提出检测手段和预防措施,以降低运行成本和避免相关的运行事故。

[1]Eric Magel,Peter Sroba,Kevin Sawley,et al.Control of Rolling Contact Fatigue of Rails[R].Centre for Surface T ransportation Technology,2005.

[2]Istvan Zobory.Prediction of Wheel/Rail Profile Wear[J].Vehicle System Dynamics,1997(28):221.

[3]Istvan Zobory.T heoretical Investigation of Wheel/Rail Nonlinear Interaction due to Roughness Excitation[R].ISVR Technical Memorandum,2000.

Mechanism of Urban Mass Transits Wheel Tread Defects and Preventive Measures

Ye Duwei

Because many rail transit vehicles are in the operation,some of them already in the overhaul time,so defects on the wheel tread are found frequently.Wheels are one of the key parts of vehicles,if working in poor conditions,if is highly possible that defects on wheels will trigger off catastrophes.So a thorough analysis on such defects to avoid the potential catastrophes is very important.This article analyzes the mechanism of defects on wheel tread and proposes some preventive measures.

urban rail vehicle;wheel tread;fatigue fracture;rolling contact fatigue;preventive measures

U 270.331+.1

2010-01-12)