车轮踏面缺陷的判定方法及其产生原因的探讨

李伟

摘 要：随着动车组向高速化方向发展，踏面缺陷已成为车轮失效的主要类型，影响行车安全，踏面缺陷主要形式有踏面擦伤和踏面剥离，因为这两种问题的表观性状是非常类似的，所以给对它们的监测、分析以及区分等造成了比较大的困难，故在此做出其形成原因的分析和判定以及解决方法。并且可以依据此方法做好相应的监测和应急工作，避免造成更大的损失。

关键词：踏面缺陷 剥离 形成原因 判定方法

中图分类号：TU29 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）05（c）-0045-03

轮对是整个动车组走行部的核心，它的缺陷会影响行车安全。轮对踏面缺陷是导致其发生事故的重要原因。近期各路局统计信息显示当前的形势并不乐观，车轮踏面擦伤、剥离故障相当多，从我们各作业场反馈的车轮故障登记表上可以看出这一点，每列车都有几辆踏面擦伤或剥离故障，只不过是有的严重，有的轻微，但不管什么程度，我们都要高度重视。文章意图通过踏面的擦伤和剥离两种主要失效形式的表面性状的不同分析它们各自的形成原因，使读者对两种不同失效形式区别对待，同时在今后的工作中对此予以重视减少其发生。

1 现状

随着时代的发展，科技的进步，人们的生活水平在不断地提高，而我国的国民对当前的交通发展提出了越来越多的要求。当前，我国的铁路已经进入了高速的时代，但是在不断走向更高速度的过程里面，也暴露了一系列的问题，例如，动车组踏面产生了越来越多的问题。踏面缺陷主要为踏面擦伤和剥离。据研究表明，这样的踏面问题，会致使部分车轮无法正常工作，甚至会对动车组的舒适性带来很大的影响。因为，这些无法正常工作的车轮会带来比较严重的振动与噪声，更严重的还会让其他的车轮等元件产生一系列的连带问题，导致整个动车组的使用年限骤减。针对这一系列的不良影响，我们在切实保证车体的健康运转的情况下，也要做好相应的监测和应急工作，避免造成更大的损失。

在这几年统计的相关事件里面，大部分都是头车的车轮损坏而引起的相关问题。

踏面缺陷主要有踏面擦伤和踏面剥离。因为这两种问题的表观性状是非常类似的，所以给对它们的监测、分析以及区分等造成了比较大的困难。

2 擦伤与剥离的区别与判定

2.1 擦伤的表现形式

擦伤是动车组车轮常见的一种问题，在出现这样的问题的时候，通常能够比较明显地观察到车轮踏面上所呈现的高亮痕迹，而且具有非常突出的因为摩擦而产生的光滑形态，具体可见图1。

2.2 剥离的表现形式

和前者不同，这样的一种问题一般都是由于加工材料的自身原因而产生的，多为在加工时由于工艺不恰当等原因造成的气泡等问题。剥离发生的地方常常呈现的是不规则的粗糙状态，因为剥离通常只是局部位置产生的问题，同时每个部分所拥有的问题的严重性也不一样，所以会呈现出非常不规则的形态。具体见图2。

3 擦伤与剥离的产生原因

3.1 擦伤的产生原因

动车在实际运行过程中，受到外界环境的影响或者是出于自身的实际需要等因素，都会使得车体产生不同程度的滑行作用。例如，在制动减速的过程里面，虽然车轮及时地抱死不再旋转，但是车体由于还具有速度所以并不会即刻停下来，这个过程里面，主要是通过车轮和轨道之间的滑动摩擦力来进行车体的减速作用。但是，在滑动摩擦力的作用下，必然会导致车轮和轨道之间互相磨损，导致擦伤的产生。

3.2 剥离的产生原因

和擦伤一样，剥离的过程也是多产生于制动环节，但是剥离还有可能在长时间的车轮运转过程里面产生。因为车轮在制动过程里面，由于滑动摩擦力的作用，使得两者之间由于摩擦而产生高热量，让本身在加工过程里面由于工艺等原因而产生的气泡等问题暴露出来，完成车轮强度和刚度的不足，进而引起部分区域被剥离或者出现裂纹等问题。而在长时间的车轮作业过程里面，由于达到了车轮的疲劳强度，使得材料的性能骤减，也会产生相应的局部剥离或者产生裂纹的情况。针对这两种完成车轮局部剥离的情况，为了将两者更好地进行研究，国际上也对其进行了区分定义。定义具体为，制动所产生的相关问题是剥离，而因为长时间的车轮作业导致其达到疲劳强度进而产生的问题是剥落。可是，由于这两种情况所造成的实际影响比较类似，而且通常情况下这两种形式的问题会伴随产生，所以，为了方便对它们的研究，目前我国的相关研究是将其统一进行的，并且都命名成剥离。

因为剥离的产生形式多种多样，而且在这些形式里面更多的都是由于车轮和轨道之间的作业疲劳而产生的。这样的问题在出现以后通常能够直接被观测到，据统计，在所发生的这类问题里面，大部分都是于车轮踏面处产生的。其主要的表现形式就是不规则的粗糙性状，多有局部的材料脱开或者裂纹的产生。在实际运行过程里面，由于长期的车轮作业，导致踏面材料达到疲劳强度，进而使得材料产生塑型形变，使得其发生不可逆的变化，多为裂纹的产生。据了解，随着强度的不断提升，导致塑型变形越来越严重，进而使得相应的裂纹的波及范围逐渐扩张，统计表明，裂纹的深度通常是处于0.15～3.00 mm。更深入地分析为，当车轮和轨道之间进行作用的时候，由于相关力的不断作用，最后会在踏面上出现相应的压应力以及较大的剪切应力。而在这里面，关键的因素就是剪切应力，它能够产生比较明显的材料顺时针或者逆时针方向的相对位移，最后导致裂纹的出现甚至逐渐地加深。由于车轮踏面在实际作业的过程里面，所受到的剪切应力等等是不断地变化的，而且踏面的材料性能由于自身原因，在塑性变形达到相应的情况的时候就不会再继续地加深，因为这时材料已经发生了相应的硬化。也就是说，材料已经处在了一个比较稳定的情况之下。由材料力学的知识不难知道，在45°的范围里面所产生的剪切应力是最大的，也就是说在这样的一个角度里面最容易产生相应的塑性变形，而且裂纹的产生以及后续的逐渐扩大等等都是在这个方向上进行的。而且，根据相应的文章说明，这类型的裂纹所出现的位置常常是在距离踏面0.6 cm的位置。

同时，根据我国的实际地理情况表明，更多的铁道所经过的区域拥有着比较大的曲率半径，一般情况下都是在300 m以上的。针对这样的一种轨道形式，会更大程度地提高车轮在此区域运转的损坏程度，提高了剥离产生的可能性。而且，当车体是处在下行的轨道上面的时候，为了抵抗向下的重力分量，提高对车体速度的控制，避免产生较大的速度而导致运行的危险，通常情况下，驾驶员需要不断地采取制动的方式来进行调节。进而导致了车轮长时间地处在滑动摩擦的影响之下，同时，这样的反复作用，还会导致车轮的疲劳损伤，如此将加剧车轮的踏面剥离程度，不利于维护车轮踏面的健康运行。而且，由于轨道曲率半径的加大，导致车轮踏面内外所受到的剪切应力等等呈现差异化的区分，受到较大的剪切应力的内侧会首先产生裂纹等损坏，然后在不断的持续作用下，该种类型的损伤会不断地扩大，导致剥离作用的最终产生。同时，由于我国环境的影响，导致南北气候差异比较明显，当车体在这样的环境下面运行的时候，受到差异化的温度的交叉作用，也会很大程度上造成材料的损伤。而且，由于我国的北方气温比较低，当雨雪天气产生的时候，会因为这些作用导致车轮打滑，使得其更加容易产生擦伤。而在温度比较高的南方，则更加容易因为温度较高，而增加了材料的热剥离现象，结合着车轮和轨道之间固有的摩擦热量，会加剧剥离现象的出现和扩散。

列车在起动、制动、转弯、下坡时的滑行距离会随着列车的加速而增大，从而使得车轮的踏面更加容易产生擦伤并且出现马氏体相变。在其他条件不变的前提下，摩擦力会随着荷载的增加而增加，进而会加快轮对产生剥离速度。根据相关的研究报告可知：滚动接触疲劳寿命与P0n成正比，取区间在-118～412之间的值。除此之外，制动操作的不规范也会加快车轮踏面剥离的发生。例如有些列车司机在行驶操作时，处于自身专业知识的限制或者其他方面的影响，往往会做出不正确地操作。例如在不该制动的区域，驾驶员却多次使用这样的操作，导致了摩擦的加剧，提前加速了剥离的出现和扩散。

4 减缓车轮踏面剥离和擦伤的措施

（1）研发更加先进的材料处理以及加工方法，提高材料自身的刚度和强度。

（2）发展更加先进的车轮监测方法，及时地探知剥离或者擦伤等作用的产生，在使用之前就对其进行预先探伤作业，避免使用质量不过关的车轮。而且，还需要对现有的车体总体布置以及结构组成等等更加深入地进行研究，有效地避免集中应力的产生，防止出现较大的剪切应力，增强车体自身的质量。

（3）对车轮进行定期监测，提高在运营的车轮的健康保障，提高车轮材料的疲劳强度阈值，增强车轮材料的弹性。

（4）改变车轮踏面的形状，采用磨耗形车轮踏面，保证轮轨间一点接触，有效降低轮轨的接触应力。研究表明：利用LM类型的车轮能够获得更加小的剪切应力，有效地避免了裂纹的产生。此外，当采用的是耐磨的材料来进行车轮踏面的加工的时候，也能够很好地帮助减少相应的摩擦损伤。在对已经产生磨损和裂纹的车轮进行修理的过程中，要提高修理的工艺，避免二次产生相应的问题[7]。

5 结语

踏面剥离是车轮失效的主要类型，尽管长期以来许多专家对此进行了深入研究和分析，但并没有消除剥离现象的存在。作者认为：滚动接触疲劳剥离和制动剥离是剥离的两种主要类型，滚动接触疲劳应力、制动热作用、热裂纹和机械作用是剥离发生的主要原因所在。只有通过对剥离现象形成机理和影响因素的综合分析，才能在实际中有效地预防和减缓车轮剥离现象的发生。当前从根本上解决踏面擦伤、剥离的问题还不够现实，但可以从减少车辆踏面擦伤、剥离发生的机会和产生后对车辆方面的影响入手。

参考文献

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