HXN3型机车整体轮辋踏面剥离的原因及对策

车 方

(中国铁路沈阳局集团有限公司通辽机务段 内蒙古 通辽 028000)

1 问题的提出

2018年11月， HXN3型机车C5修时装车CAF车轮，该车轮机械性能与HXN3型机车原装车B级钢材质相近，但与北美铁路协会AAR M-107/M-208标准比对，元素含量略有差异。机车运行一段时间后，在1C1检次陆续发现4台机车共计6个轮对的轮辋踏面存在剥离和热裂纹。初期超声波探伤检测轮辋近表面几乎无法发现，但是其潜在的危害是向轮辋内部发展，无规律可循，一旦条件耦合会形成辋裂甚至轮辋掉块的恶性事故。通辽机务段机车运行区域都是高寒地区中曲线半径小、坡道多的高坡大岭山路，线路状况复杂，历来是机车轮对故障多发区域(见图1)。

图1 机车轮辋踏面形成剥离镟修前后的形貌

2 踏面剥离形式及特征

根据各种典型剥离现象的宏观和微观形貌特征，其成因主要有制动剥离、踏面接触疲劳剥离、局部接触疲劳剥离、局部擦伤剥离、轮辋内部疲劳裂纹(轮辋辋裂)等几种类型。

(1)制动剥离。由于车轮踏面频繁制动时摩擦产生的高热，形成脆硬的马氏体组织在轮轨接触应力和列车载荷的反复相互作用下，产生制动热剥离。

(2)踏面接触疲劳剥离。轮轨接触产生的最大剪应力超过车轮材料的屈服强度时就产生塑性变形，萌生微裂纹原点并逐渐扩展形成剥离，严重的还会向轮辋深处斜40°角发展。

(3)局部接触疲劳剥离。由于机车运行中存在较大轮轴横向蠕滑力，导致车轮轮缘根部、滚动圆外侧一整圈出现鱼鳞状龟裂的现象，或局部脱落掉渣。

(4)轮辋内部疲劳裂纹(轮辋辋裂)。除特殊情况外，都是由于轮辋内部存在微观夹杂物形成材质缺陷引起的，在轮辋内部各种交变载荷作用下萌生裂纹，当疲劳超过极限出现快速扩展的趋势，导致“辋裂”、轮辋掉块[1-2]。

(5)局部擦伤剥离。踏面擦伤后局部过热及不对称磨耗产生的失圆，造成走行部震动加大。长时间运行导致的周期性冲击过多，加剧了踏面剥离和局部脱落，引起车载轴报装置踏面的一级报警次数增多。

(6)其他。机砂品质不良引起的踏面密集麻点过多，麻点会随着反复冲击使面积迅速扩大，引起踏面疲劳形成点状剥离。

3 原因分析

3.1 自身材质对超声波检测的影响

由于车轮踏面频繁制动、摩擦产生的高热，使踏面表层温度瞬时间达到奥氏体相变温度以上，随后在空气中迅速冷却形成了马氏体组织。脆硬的马氏体组织在轮轨接触应力和列车载荷的反复相互作用下，极易碎裂萌生热裂纹，逐渐扩展成宏观裂纹形成踏面剥离，表面粗糙、晶粒粗大、超声波探伤检测漫散射严重，影响声能传输导致初期剥离漏检。

3.2 运行工况的变化

HXN3型机车持续的重载、高负荷牵引运行加剧轮对的疲劳破坏，在实际运用中频繁调速、坡起坡降、撒砂不及时、橡胶闸瓦制动引发高热等初期制动剥离和热裂纹问题居多，在初期裂损扩展过程中很难检测出来, 呈现出各类型的剥离，扩展速率很快，隐患不断。

3.3 检测手段不足造成漏检漏探

自动化检测装置投入不足。由于赤峰整备场目前还没有安装“机车轮对故障动态检测系统”，在大量依靠人工目视的检查中，检测数据参差不齐，技术指标控制不及时，检测手段落后，漏检漏探时有发生，对机车安全危害居多。

3.4 车载轴报装置对初期剥离及热裂纹分析确认不及时

在分析车载轴报装置监测数据时，针对踏面擦伤及异常震动报警，仅仅是遵循“一级报警镟修、二级报警落轮”的原则，没有分析踏面剥离故障频谱与运行速度对应的冲击特征，不能按剥离程度正确处置；在“冲击趋势分析”中仅分析10天内的冲击次数，没有结合冲击幅度以及踏面剥离和热裂纹发展趋势进行综合分析，造成遗漏早期剥离。

3.5 探伤检测局限性

双晶探头仅是垂直于踏面分段检测，主要是针对平行于踏面的点状、片状、面积状或者踏面下体积状的缺陷，表面下和轮缘区域处存在检测盲区。大角度组合探头不动车探伤的初衷是检测轮箍的径向裂纹，防止崩箍事故，但是探头灵敏度低、信噪比差，远距离检测轮辋表面剥离时分辨率较低，极易发生漏检，由于其技术局限性限制了轮辋剥离及热裂纹的有效检出，已经不能满足现场的检测需要。

3.6 热裂纹超声波探伤检测存在难点

由于整体轮辋踏面上形成的近表面热裂纹呈网纹状或鱼鳞状、碎裂掉渣形成的剥离表面比较粗糙、晶粒粗大、漫散射严重，超声波探伤检测由于仪器阻塞效应存在着一定的盲区。而大角度横波探头检测时，高频超声散射较大不易透射，容易出现林状回波；而低频超声在晶粒粗大的轮辋踏面上衰减小，穿透力强，但分辨率变差，远距离检测不易发现较小的缺陷。

4 采取的措施

由剥离形成机理可知，车轮踏面剥离是一个比较复杂的失效类型，导致因素很多，车轮材质本身、运行工况变化的控制、制造工艺等问题都是导致剥离现象的原因，短时间内无法从根本上解决。只有立足现状，才能充分发挥现有的探伤检测设备及手段，发挥超声波探伤主观能动作用，摸索形成一套完整、有效的质量控制体系。

4.1 采用窄脉冲技术实现精准探伤

2019年2月开始，试验采用高频宽带窄脉冲超声波探伤技术，对小辅修机车进行精准探伤检测，探伤操作工艺按Q/CR 331.2—2018《机车在役零部件无损检测 第二部分 轮箍及整体轮辋超声检测》执行，对发现的隐患问题按照落修、镟修、跟踪监控三级管理建立轮对监测探伤问题库，轮对镟修遵照检修规程要求的限度分级处置。

4.2 窄脉冲检测的实现和技术优势

考虑到现场检测仪器的通用性，设计高阻尼的窄脉冲换能器是最佳选择。但是由于高频信号的远距离衰减性明显比低频大，不利于厚度工件检测，所以试验优化低频检测，采用复合材料晶片技术并辅以匹配层技术来减少探头的脉冲宽度，做到最大限度的小盲区窄脉冲检测，提高了探头在近表面轴向的分辨率，以及缺陷定量的准确性。

宽频窄脉冲超声探头回波脉冲持续时间短、波形单峰性，利于提高超声检测的分辨率、灵敏度高、信噪比大，更容易发现轮辋踏面微小缺陷，对于踏面热裂纹剥离检测中几乎不存在如林状波的干扰显示(见图2)，克服常规探头近表面缺陷难以分辨的影响。

图2 窄脉冲和宽脉冲对探头分辨率的影响

4.3 加强车载轴报分析，细化报警处置要求

(1)优化走行部故障监测数据分析。针对不提报踏面预警的问题，通过建立典型波形对照样本数据分析，确定故障部位及类型。对于时域波形、频域图和诊断抽象综合分析，总结出踏面剥离故障多在低速下存在的冲击特征规律，发现踏面擦伤及异常剥离震动报警的，利用小辅修时机予以镟修消除。

(2)冲击幅度和连续分析相结合。用好冲击趋势分析，对10天内的“冲击趋势分析”中的“多纪录作图”进行分析，对冲击连续且冲击较高并有上升趋势的结合超声波检测复查情况按分级镟修处置。

4.4 镟修策略

根据《中国铁路总公司关于印发〈铁路机车车轮管理办法〉的通知》文件要求[3]、TG/JW196—2019《HXN3型内燃机车检修技术规程》等相关规定，进一步加强机车轮对检测和对轮对镟修技术要求的精细化管理，明确探伤及镟修要求(见表1)。

(1)以精准检测及早发现轮辋表面及近表面潜在的危害性剥离。

(2)按照单轮镟修和整车镟修分别对待，采用分级镟修处置。

(3)对于踏面表面的“鱼鳞状”层叠及剥离疏松，限度控制在0.4 mm以内为宜。

(4)剥离层预防性镟修时，车削量控制在0.8～1.0 mm即可消除，有利于避免剥离层扩展后使镟削量增加而造成轮径损耗，有助于抑制剥离扩大导致严重的剥离掉块。

(5)在每次镟修时轮缘厚度始终控制在23 mm～34 mm之间，按JM3磨耗型踏面并且满足轮径差的限制要求，最小限度地消耗车轮材料。

(6)镟削车轮不需要考虑恢复到标准轮廓值，避免产生过度镟修造成极大浪费。

表1 HXN3型机车轮辋几何尺寸限度表 /mm

5 效果

通过窄脉冲超声波探伤技术的应用，提高了机车轮辋近表面微小剥离的检出能力， 2019年2月～2020年6月为止，采用宽频窄脉冲超声波探伤技术，小辅修时先后探伤检测366台次机车、4 392个车轮，检测出33台机车、64例轮辋存在缺陷问题，其中对厂家提出索赔2例、近表面缺陷镟修消除后循环使用34例、跟踪监测使用28例、车载轴报装置分析提报镟修7例。通过精准探伤检测尽早发现轮辋表面、近表面初始剥离和热裂纹，按评判潜在的危害程度采取分级镟修消除，减小损耗防止轮辋剥离的扩展，通过自主镟修间接创造320万元的经济效益。由此确定今后轮辋的质量控制体系是：“精准探伤、早期发现、分级处置、经济镟削、消除隐患、再运用”的持续循环处理方式，以延长轮辋的使用寿命。

在陆续发现的一些轮辋踏面剥离，通过镟削后表面形貌及状况分析，所发现的缺陷已经涵盖前述几种辋裂形式(见图3)，极大丰富了检测经验，已经达到预期试验效果，目前仍在持续优化检测参数和总结经验。

图3 机车轮辋踏面形成几种剥离镟后的形貌

6 结束语

采用“精准检测、经济镟削，实现节支降耗”的措施，及早发现轮辋的表面、近表面危害性剥离，采用分级镟修处置、消除潜在隐患，是符合当前修制改革的需要。后续还需要进一步加强以下工作：(1)优化检测参数，做好隐患排查；(2)对HXN3型机车装车的CAF车轮使用情况继续跟踪，收集该材质轮辋剥离的信息，优化机车运用工况与车轮材质的兼顾；(3)调研轮辋裂损与探伤检测的对应周期，摸索规律排除隐患。