地铁多边形车轮显微组织分析及运维建议

尤君，黄之军，张婷婷，蒋兵

（中车南京浦镇车辆有限公司 转向架研发部，南京 210031）

0 引言

随着各大中城市轨道交通建设运营的快速发展及车辆架修期的到来，地铁车辆车轮的磨损问题变得越来越普遍。车轮多边形是当前轨道车辆车轮磨损的一种主要形式，不仅会引起车辆和钢轨间的剧烈振动，严重时还会损坏轨道和车辆上的其它部件，如轨枕、钢轨、扣件、轮对轴箱轴承和构架等，在诱使较大的轮轨冲击力和滚动噪声的同时，还会降低乘坐舒适性，甚至引起车辆脱轨的发生[1-2]。因此设法降低城市轨道诱发的振动和噪声，让人类与自然的关系更加和谐，成了人们普遍关注的问题。

本文针对某个城市地铁车辆异常振动及车轮频繁镟修等实际问题，分析车车辆在该运营线路环境下车轮的表面状态，分析车轮出现多边形的原因，从而制定处置及预防措施，为减轻车轮失圆而保障车辆的平稳运营奠定理论基础。

1 试验用车轮采购技术要求

1.1 车轮表面质量

车轮表面不得有结巴、折叠、裂纹、压入物、缺肉、毛刺等，且表面不允许用铸、焊、喷涂、电或化学沉积等工艺修整。车辆出厂时，工艺规定同一轮对上的2个车轮滚动圆径向跳动量要求不大于0.5 mm，车轮轮辋内侧跳动量不大于0.5 mm。

1.2 车轮热处理

车轮轮辋应进行淬火和回火处理，淬火时应防止辐板进水，在淬火操作中应避免淬火裂纹。

1.3 车轮硬度

车轮轮辋断面硬度检测应按照ISO 6506-1标准进行，压球直径5 mm，测量值应符合表1规定。同一车轮在轮辋上测量的硬度值变动应在30 HB范围内。

表1 轮辋处应达到的硬度值 HB

1.4 车轮显微组织

车轮轮辋进行淬火与回火处理后，其组织应为细珠光体和少量铁素体，显微组织的检测按照晶粒度应优于7级。

2 试验方案及要求

2.1 试验要求

从该列车上抽取1个转向架，选取4个车轮中磨耗严重的1个车轮（材质：ER9；执行标准：EN13262）进行复验，检测其化学成分、晶粒度及金相组织（金相组织检查需包含检测出的各类组织）。

2.2 复验方案

车 轮 按GB/T 4336、GB/T 20123、GB/T 20125、GB/T 11261或GB/T 20124规定的方法进行化学成分检测。取样位置为轮辋标称直径处的踏面下15 mm处。

车轮按GB/T 13298规定的方法进行金相组织检测，按GB/T 6394规定的方法进行晶粒度评级。金相组织及晶粒度检测取样位置如图1所示，在车轮90°位置各取4个截面，截面定义为A截面、B截面、C截面、D截面，每个截面取5个试样进行检验，共计20个试样。

图1 金相组织及晶粒度检测取样位置

3 试验结果分析及讨论

3.1 车轮不圆度测试及影响

选取该线路某列车中的4辆动车作为测试对象，测试采用接触测量方法完成，其测试现场如图2所示，车轮不圆度测试结果如表2所示。

表2 动车车轮不圆度测试结果

图2 车轮不圆度测试及多边形形态

从表2中可以看出，动车车轮轮径分布在817～830 mm范围内时，32个测试结果中有28个径向跳动值超过0.5 mm，同一辆车车轮径向跳动离散程度达到0.85 mm，径跳超差必将加剧车轮与钢轨之间的滚动冲击，进而加速车轮的多边形化。其次钢轨的表面硬度（320 HB）均大于轮辋表面的硬度，车轮踏面凹陷处在轮对与钢轨间的滚动冲击下会产生加工硬化而逐渐形成一层硬化层，加之长期使用，未按要求进行镟修。针对地铁车轮多边形的问题，目前主要的防治措施就是按修程定期修型处理，将车轮径跳值控制在0.5 mm以内，使其达到车辆出厂时的新造标准，以减轻或者削弱轮辋的磨耗，抑制车轮多边形的形成及发展。

3.2 车轮轮辋显微组织分析

选取C、D组试样做金相分析，车轮取样位置实物图如图3所示，试样典型显微组织如图4～图33所示。

图3 取样实物图

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从表3检测结果可以看出，车轮组织中主要是珠光体和铁素体，但其边缘组织中有硬化层，10个样品中有8个试样组织中出现了回火贝氏体，晶粒度均为8级，心部硬度值满足ISO 6506-1标准要求。

中、高碳钢的上贝氏体组织在光学显微镜下典型特征呈羽毛状[3]，这从图8、图11金相显微组织也可以看出。上贝氏体形成温度较高，铁素体晶粒和碳化物颗粒较粗大，碳化物呈短杆状平行分布在铁素体板条之间，铁素体和碳化物分布有明显的方向性，这种组织状态使铁素体条间易产生脆断。根据CCT 曲线，在淬火过程中，靠近车轮踏面表面，冷却速度较快，贝氏体含量较高；靠近轮辋心部，冷却速度较慢，贝氏体含量较低。贝氏体组织的存在，影响了车轮轮辋组织的连续性，在轮轨接触应力作用下，使贝氏体与珠光体组织过度区域产生应力集中，在车轮与钢轨频繁的冲击振动下产生疲劳裂纹，而裂纹更容易向薄弱的贝氏体和珠光体过度的区域扩展，以致脆断最终形成剥离[4-5]。

3.3 地铁车轮热处理工艺分析与探讨

地铁车轮轮饼毛坯的生产工艺流程如图34所示，其中影响车轮多边形最关键的2个工序是轧制和热处理。目前，国内外对车轮热处理和冷却的方法基本相同，均为车轮奥氏体化加热后，对车轮轮辋踏面或踏面外侧进行大流量连续强制性喷水冷却，冷却速度及喷水的均匀性都会诱使异常组织的形成，问题车轮贝氏体组织的存在与热处理过程直接相关。

图34 地铁车轮生产工艺流程

地铁车轮生产过程中与热处理相关的工艺控制要点归纳总结见表4。因此有必要从结构、操作方法及热处理工艺规范等方面进行研究改善，从而提高车轮轮辋表面淬火质量。

表4 地铁车轮生产过程工艺控制要点

4 结语

未来将会有更多的地铁车辆开通运营，随着运营里程的增加及架修期的临近，地铁车轮多边形的现象会越发频繁普遍，不但加剧轮轨间的作用力，引起车辆振动，增加运维成本，还会影响列车的安全性、舒适性及使用寿命。经过以上分析与总结，可以归纳以下几点运维建议：

1）车轮踏面组织不均匀性及贝氏体组织的存在，影响了车轮轮辋组织的连续性，是造成车轮产生多边形的内在诱因。

2）有必要研究车轮整个热处理工艺流程，对关键工序加以优化，使车轮化学成分、组织与热处理工艺相匹配，从而提高车轮轮辋表面质量，延长轮对使用寿命。

3）增加在线车轮表面状态实时监测装置，对出现径跳超过0.5 mm的车轮及时进行镟修处理。

4）从线路方面寻找诱使车轮多边形的环境因素，从而加以优化和规避。

5）长期关注和分析车轮多边形运维大数据，借助大数据云平台完善车轮径跳发展规律的研究与总结，为车轮镟修及其运营维护提供参考依据。