機車整體車輪踏面剝離原因分析與研究＊

王玉輝

（湖南鐵路科技職業技術學院，湖南株洲412000）

機車車輪是鐵路車輛、機車的重要走行部件。目前隨著鐵路運營全面提速，在走行部件上出現的問題也逐漸增多，表現在車輪上的主要問題是踏面剝離現象，占目前車輪各種操作失效比例的絕大多數［1－4］，給機車車輛制造部門和現場運用部門造成很大損失。車輪踏面剝離是一個比較復雜的失效種類，導致其剝離的因素很多，無論是車輪材質本身，還是運用工況的變化或機車車輛的結構設計等方面缺陷，均有可能導致剝離現象的產生［5－6］。因此，正確判別剝離失效的特性，找出產生剝離的主要原因，對指導現場進行正確的預防，保證機車車輛的安全行駛具有重要意義。

1 整體車輪踏面產生剝離的現狀

自2001年4月新造機車裝用整體車輪以來，無論是SS3B型電力機車還是DF8B型內燃機車車輪踏面運行5～30萬km期間經常發生車輪踏面剝離故障。對49臺SS3B（整體輪）機車在4個機務段、241臺DF8B（整體輪）機車在10個機務段的運用中發生的車輪踏面剝離的狀況進行了整理，共發生147起，其中發生在機車1、3、4、6位輪對（即撒沙位）的116起，占78.91%。其中SS3B型機車49臺中發生車輪踏面剝離59件，發生率為20.07%；DF8B型機車241臺中發生車輪踏面剝離88件，發生率為6.09%。

SS3B型（整體輪）3臺機車在有6‰坡道的運用中，發生車輪踏面剝離2件，發生率為11.11%；38臺機車在有12‰坡道的運用中，發生車輪踏面剝離30件，發生率為13.16%；8臺機車在有20‰坡道的運用中，發生車輪踏面剝離27件，發生率為56.26%。對機車用沙進行了查看，發現粗沙較多，大的有6～7mm、呈不規則狀，均未按用沙的相關標準執行。

DF3B型（整體輪）119臺機車在有6‰及以下的坡道運用中，發生車輪踏面剝離21件，發生率為2.94%。共有6個機務段，其中錦州機務段共40臺機車未發生1起；107臺機車在有10‰、12‰坡道的運用中，發生車輪踏面剝離22件，發生率為3.42%。其中在哈密機務段55臺機車只發生了2起車輪踏面剝離的情況；15臺機車在有20‰坡道的運用中，發生車輪踏面剝離45件，發生率為50%。

上述統計表明，在長大坡道上運用的機車車輪踏面剝離發生率明顯增高，這是因為運用于長大坡道上的機車牽引時牽引力大，制動時制動力大且頻繁。

2 整體車輪踏面產生剝離的原因分析

2.1 發生整體車輪踏面剝離頻次的現象

根據以上的數據統計，機車在運用中軌道狀況的差異、氣候環境的不同對車輪踏面剝離的發生有較大的影響。現象之一是隨著軌道坡度的加大，車輪踏面剝離發生的頻次隨之增高，長大坡道更為突出。現象之二是發生車輪踏面剝離大多數在機車的1、3、4、6位輪對（即有撒沙位的車輪）；現象之三用沙不規范，沙粒大小不均，發生的車輪踏面剝離嚴重且多，用沙較為規范的幾乎未發生或發生的少一些；現象之四整體車輪比分體式車輪的輪箍發生的踏面剝離要多。

2.2 車輪踏面產生剝離的原因分析

車輪踏面產生的剝離機理，一般分為疲勞剝離和制動剝離兩種形式。制動剝離是經受機械應力反復作用的結果，相鄰的熱裂紋之間貫通便引起掉塊［7－9］。

（1）制動的影響

機車在長大坡道或雨水較多的環境中運行時，為提高機車黏著牽引力，機車撒沙頻次隨之增多，車輪、沙、鋼軌在垂向力和牽引力的作用下，車輪踏面和鋼軌表面可能產生微裂紋［9－40］。由于鋼軌面的硬度高于車輪踏面，因此在車輪踏面上產生的微裂紋較鋼軌面上的要多，而坡道運行中制動力的作用較為頻繁，輪瓦接觸部位的摩擦產生高熱而可能產生熱裂紋。特別是隨著機車閘瓦普遍采用合成閘瓦以后，雖然機車制動力得到增加，但閘瓦散熱能力卻比鑄鐵閘瓦降低、制動時產生的熱能大大增加。在反復的撒沙和制動的作用下，相鄰的熱裂紋之間貫通便引起掉塊產生車輪踏面剝離。

（2）沙質量的影響

根據統計數據，發生在1、3、4、6位的116起占78.91%。撒沙部位的車輪發生踏面剝離的幾率高，是因為沙粒啃傷或擦傷車輪的幾率高，車輪經沙粒的反復啃傷或擦傷，加之車輪與鋼軌、閘瓦摩擦力的作用下，使踏面局部產生龜紋狀裂紋，直至沿裂紋處層狀淬裂剝離掉塊。所以用沙的質量直接影響到車輪踏面剝離發生的頻次。

我們對機車用沙的使用情況進行了調查，發現用沙的差異較大：如圖1所示為廠部裝車用沙，如圖2所示為某用戶（該用戶處踏面剝離情況最為嚴重）的用沙圖片，如圖3所示為用戶產生的車輪踏面剝離，如圖4所示為用戶產生的鋼軌被啃傷的圖片。

圖1 廠部新造機車裝用的沙子

圖2 某用戶機車 制動用沙

圖3 用戶產生的車輪踏面剝離的狀況

圖4 用戶產生的鋼軌 被啃傷的狀況

由于所用沙粒大的有6～7mm，致使車輪踏面被啃傷，如圖3所示，在圓周產生麻坑狀，不論是車輪與鋼軌的接觸面積還是與閘瓦的接觸面積均減小，摩擦產生的熱量隨之增高，尤其是輪瓦接觸部位的摩擦產生高熱使踏面局部瞬時加熱甚至到車輪鋼相變點溫度以上，隨后冷卻時形成所謂熱機械作用的馬氏體白層，脆硬的馬氏體白層在輪軌接觸應力、熱應力和組織應力作用下淬裂和脫落，在隨后輪軌接觸應力作用下發展成大面積剝落掉塊。該用戶發生車輪踏面剝離的發生率已達56.25%。

而在哈密機務段和錦州機務段的用沙相比之下就較為規范，錦州機務段有6‰的坡道，有DF8B型（整體輪）機車40臺，從2001年至今無1起發生車輪踏面剝離。在某機務段，同樣有6‰的坡道，同樣是DF8B型（整體輪）機車，而且只有5臺，車輪踏面剝離發生率達23.33%。哈密機務段有12‰的長大坡道，有DF8B型（整體輪）機車55臺，從2001年至今只發生2起車輪踏面剝離，發生率為0.6%。

機車制動用沙，大于2mm固然不好，但過小同樣對車輪不利。過大傷及踏面，過小則傷及輪緣，會加劇輪緣的磨耗。沙粒過小（小于0.2mm），將隨輪噴脂黏附在車輪輪緣處，形成類似沙輪狀，在機車過彎道時與鋼軌內側摩擦，一是磨鋼軌、二是磨輪緣。

（3）車輪形式的影響

整體車輪踏面剝離發生的概率比分體式車輪的輪箍要多，輪箍踏面剝離發生的比較少，未進行統計。我們對烏克蘭整體輪踏面的表面硬度進行了測試為HB250～300，烏克蘭輪箍踏面HB290～320，整體輪的硬度比輪箍的普遍偏小，由此而產生的被啃傷或擦傷的可能性增大。若車輪踏面的硬度與鋼軌的硬度差異較大的話，尤其是機車在通過道岔時，道岔的尖軌也可能會啃傷車輪踏面。

另外，機車運行速度，尤其是高速運行是否對踏面剝離會產生影響，在此不進行討論和分析。

3 防止車輪踏面剝離的措施

（1）對機車用沙的標準進行規范

經了解各用戶都有鐵道部機務局轉發的機車用沙相關標準。與《東風8B型內燃機車運用、維護、保養說明書》中提到機車上使用的沙子，應具有良好的流動性。要求沙子干燥，沒有塵土和塊狀雜物［9］。沙子的粒度應在0.5～1mm左右，最細不宜小于0.2mm，最粗不宜大于2mm的要求大同小異。但多數用戶單從沙的使用成本考慮，未按機車用沙標準進行實施。因用沙不規范而造成踏面剝離的損失可能遠遠高于標準用沙而節約的成本。如果車輪踏面剝離產生的損失由用戶自行承擔話，機車用沙一定會規范得多。

因此，建議將機車用沙規范統一到鐵標，使主機廠、用戶有統一的標準，共同實施、相互監督。

（2）主機廠進一步的改進工作

為機車的安全運行和防止車輪失效，提高機車黏著牽引力，減少空轉滑行、減少機車撒沙消耗等方面作為主機廠有責任和義務應作進一步的改進、完善工作。如在機車結構上采用防空轉功能的牽引電機。

4 結束語

防止車輪踏面剝離是一個系統工程，產生的原因也是多種多樣的。據以上分析，機車整體車輪產生踏面剝離的形式主要是制動剝離，在制動時用沙的不規范加劇了車輪踏面剝離的發生。因此不規范用沙是剝離的主要原因。

［1］ 王文健.車輪滾動剝離磨損特性研究［D］.成都：西南交通大學，2004.

［2］ 趙金光.DF11G型機車輪對踏面剝離成因探討［J］.內燃機車，2006，（05）：25－27.

［3］ 高義剛，何慶復，柳擁軍.車輪踏面損傷對策及其容限標準的修訂［J］.鐵道機車車輛，2002，（5）：20－23.

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［5］ 馬衛華，羅世輝，王自力.提速機車車輪踏面剝離問題研究［J］.電力機車與城軌車輛，2005，（5）：37－40，54.

［6］ 王文健，劉啟躍.車輪踏面剝離機理研究［J］.機械，2004，（6）：12－15.

［7］ 劉啟躍，王文健.含碳量對車輪材料磨損影響的試驗研究［J］.潤滑與密封，2005，（5）：11－13.