机车车辆车轮踏面剥离现状及其分析.doc

机车车辆车轮踏面剥离现状及其分析 张 斌 , 付秀琴 , 张 弘 , 刘鑫贵 (铁道科学研究院 金属及化学研究所 ,北京 100081) 摘 要 :在长期跟踪调查铁路车轮使用情况的基础上 ,针对我国铁路线路条件复杂 、南北差异较大 、客货混运线路为 主 、网运密度较大等特点 ,对不同运营条件下的车轮剥离现象进行了综合分析研究 ,通过列举不同实例及其剥离失效分 析结论 ,探讨了车轮剥离与车轮材质 、运用条件 (线路条件 、环境条件 、机车车辆设计 、司机操作 、轮轨匹配关系) 等方面之 间的关系 。 关键词 :机车车辆 ;车轮 ;踏面剥离 ;擦伤 中图分类号 : U260 . 331 + . 1 ; U270 . 331 + . 1 文献标识码 :B 铁路车轮 、轮箍 ( 以下统称车轮) 是列车运行的关 键部件之一 , 它与钢轨 、车轴并称为 铁 路三 大安 全部 件 。自 1963 年马鞍山钢铁公司生产出我国第 1 个辗 钢车轮至今已有 40 多年的历史 。目前 ,我国已形成了 以马鞍山钢铁股份有限公司 、太原重型机械 ( 集团) 公 司 (生产辗钢车轮) 和大同爱碧玺铸造有限公司 ( 生产 铸钢车轮) 3 个车轮生产基地 。随着我国铁路的不断 提速 、重载以及向高速方向发展 ,车轮在运用过程中也 出现了一些不同类型的损伤失效 。采取科学的态度正 确认识这些失效特点及其规律有助于不断提高车轮产 品质量 、开发出适应我国铁路运营条件的车轮新产品 、 改进机车车辆制造技术等 。在认识和研究过程中不可 忽视我国铁路运营条件的特点 ,即线路条件复杂 、南北 差异较大 、客货混运线路为主 、网运密度大等 ,这些综 合因素可以说是我国所独有的 。 本类型见表 1 。车轮在使用过程中发生的各种失效都 是由于其性能和质量 (包括强度 、硬度 、残余应力 、表面 质量和内部质量 、型式尺寸公差等) 因素与使用 条件 (包括轴重 、车速 、线路条件和环境 、轮轨接触应力 、制 动力等) 因素不相适应所致 。以下笔者重点对目前困 扰我国铁路运营生产的车轮剥离问题展开分析 和讨 论 。 不同运用工况条件下的车轮剥离实例及其 2 简要分析 从车轮踏面剥离产生的形式看 ,有接触疲劳剥离 、 制动剥离 、局部擦伤剥离 、局部接触疲劳剥离 4 种 。其 中制动剥离是指车轮踏面在闸瓦制动条件下产生的剥 离现象 ,主要有 2 种表现形式 ,即踏面整圈刻度状热裂 纹和踏面整圈层片状剥离掉块 。擦伤剥离是由车轮与 钢轨之间的强烈摩擦所致 ,主要表现为车轮踏面局部 擦伤及在轮轨接触应力作用下导致的剥离掉块 。 从材料失效机理上主要可以归结为两类 ,一类是 由交变接触应力引起的接触疲劳损伤 ; 另一类是由摩 擦热循环引起的热疲劳损伤 。有的国外研究将因轮轨 接触疲劳而产生的这种损伤定义为剥落 ( Shelli ng) ,而 将因热损伤产生的这种现象称之为剥离 ( Sp alli ng) 。 研究和解决车轮剥 离 归根 结底 是一 项 系统 化工 程 ,下面以几个典型实例说明不同类型的车轮剥离与 运用条件之间的关系 。 (1) 某车辆段的调查统计结果表明 ,列车提速后 惯性增大导致冲击力加大 ,造成踏面擦伤 、剥离等故障 增多是必然的 。但是 ,一些装有防滑器的新型客车 ,其 车轮踏面剥离故障却出乎意料地猛增 。这种统计结果 也提示人们防滑器所起的作用是否和车轮剥离有关 。 车轮失效基本类型 由车轮生产厂按产品供货技术条件交货的铁路车 轮 ,在检验 、加工 、组装 、检修和使用过程中 ,通常会发 现或发生各种不同类型的失效 。从产品标准实施方面 看 ,车轮失效主要反映在尺寸超差 、表面质量和内部质 量三方面 ;从使用方面看 ,车轮失效主要反映在磨耗 、 疲劳裂纹 、剥离 、掉块 、崩轮 、崩箍等 ; 从丧失功能的程 度方面看 ,车轮失效可以归纳为危及行车安全 、失去安 全工作能力 、超过规定的失效判据等 3 种情况 ;从统计 分析角度方面看 ,车轮失效可分为早期失效 、随机 ( 或 偶 然) 失效及疲劳 ( 或耗损) 失效 。铁路车轮失效的基 1 收稿日期 :2005202215 基金项目 :国家高技术研究发展专项经费资助 ( 2003A A331160)  表 1 铁路车轮失效的基本类型 失效的表现形式 车轮失效基本类型 失效机理或原因 客车 、货车 、机车车轮 机车轮箍 磨耗 踏面磨耗和轮缘磨耗 踏面磨耗和轮缘磨耗 疲劳和磨粒磨耗 踏面辗宽和轮辋侧面辗边 、轮缘圆周 凹陷 、踏面圆周不均匀磨耗和辗宽 踏面辗宽和轮辋侧面辗边 、轮缘圆周 凹陷 、踏面圆周不均匀磨耗和辗宽 辗边和压溃 金属累积塑性流动变形 轮辋内部疲劳裂纹 ( 发展至轮辋内侧 面或外侧面)