重載貨運機輪對疲勞與磨耗質量控制研究

摘 要：重載貨運機輪對的質量對保證安全運行具有重要的意義，輪對的質量主要是由疲勞與磨耗引起的。結合國內外輪對疲勞與磨耗的分析，針對輪對檢修研究現狀，提出了改善輪對質量控制的方法，對提高論文質量控制奠定了研究基礎。

關鍵詞：重載貨運機；車輪；質量控制；疲勞與磨耗

重載貨運機輪對的質量問題廣泛存在于鐵路運輸中，在一些彎道密集、道岔較多、線路老化的走行線上，因質量失效造成的輪對維護和事故風險時有發生，所以研究輪對的質量問題具有重大的現實意義。

輪對的質量主要是由疲勞與磨耗引起的，二者形成的機理與表現形式各有特點，因此認真分析輪對的疲勞與磨耗機理才能真正認識質量問題的關鍵。輪對常見的質量有材料剝離、裂紋、不圓度。材料剝離一般是由接觸疲勞、制動擦傷等原因引起。輪軌滾動接觸疲勞破壞初期表現形式是表面裂紋，在循環載荷持續作用下，裂紋會不斷擴展，首尾貫通后就會形成剝離，凹坑等，靠近輪緣側沿輪對踏面圓周方向大量分布。因為重載貨運機運行時輪對和軌道間的作用行為十分復雜，輪對不僅相對于鋼軌做滾動，而且伴隨著縱向滑動和橫向滑動，由于輪軌接觸表面和輪對軸線成變化角度，又導致輪對在滾動中相對鋼軌作“自旋運動”，并且在過道岔和曲線彎道時，經常會受到沖擊載荷。

輪軌滾動接觸過程中，多數以點接觸形式為主，輪軌表面擠壓變形形成的接觸斑很小，而這樣的接觸斑卻承受著幾頓甚至幾十噸的外力，接觸應力十分大，當該接觸應力超過材料的彈性極限時，材料就會發生塑性變形，在反復載荷作用下，塑性變形就會累加，材料達到韌性極限時，會使得材料喪失承載能力發生開裂，外載的持續作用，裂紋就會不斷擴展。

1 輪對疲勞與磨耗分析

輪對磨耗現象廣泛存在于鐵路運輸中，磨耗是由輪軌摩擦引起的，使得輪對輪輞材料不斷減少，這會改變輪對輪廓外形，引起輪對名義滾動圓和等效錐度的變化，從而影響輪軌接觸的幾何關系，惡化輪軌接觸狀態，輪軌系統動力響應也會有相應變化，并對重載貨運機運行穩定性、安全性、乘坐舒適性以及輪軌系統各個部件使用壽命產生很大影響。隨著重載貨運機速度的不斷提高，必然導致輪對工作狀況的惡化，從而加劇輪對的磨損，調研發現當重載貨運機運行30～40萬公里時，踏面徑向將會被磨去0.1～0.2mm，輪對局部會有不圓度，此時需要進廠返修，通過旋修工藝，將輪對重新恢復至原始外形，據統計該過程將沿徑向去除材料3～5mm，一個新輪對經過4～5次的旋修，就會因磨耗到限而報廢停用，這無疑是一種極大浪費。當前限于實驗成本的問題，磨耗檢測更多是從輪對上截切出一小塊試樣，在輪軌摩擦試驗機上進行，影響因素單一，金相檢測設備簡陋，實驗資源比較貧乏，所以多數學者對磨耗問題主要進行定性分析，很難作進一步的探索研究。

輪對的疲勞與磨耗是相伴而生的。在重載貨運機運行的早期階段，表面會產生許多疲勞裂紋，并且受力越大的區域，裂紋分布越明顯，疲勞裂紋的產生與發展還與重載貨運機運行速度有關系，速度越快越容易產生裂紋。在重載貨運機運行的后期階段，輪對輪輞材料將會不斷被磨去，有些踏面上的小裂紋由于其擴展速度低于磨耗速度，所以該裂紋將被磨去。當前由于對輪輞的疲勞與磨耗形成與發展機理仍在不斷探索，所以疲勞與磨耗的相互關系更多是停留在定性分析程度。

2 輪對質量檢修

輪對檢修是鐵路客車檢修工作中的關鍵環節，是轉向架性能保證質量的前提。目前在國外車間現場的安全質量管理系統已成為現代企業的必備產品。該系統綜合了批量生產管理和單件生產管理的優點通過控制工序、人員、流程和設備設施在內的資源來提高產品質量。

在國內大部分企業仍采用人控為主的粗放式管理模式，個別車輛段開發了客車軸承、輪對檢修信息系統， 在一定程度上解決了檢修信息的自動化管理問題。但該系統的實時性較差，質量管理功能不能完成作業流程和作業人員的實時監控和作業質量的分析處理未能實現實質意義的生產質量管理。較難實現輪對檢修質量的單件電子化管理和輪對檢修過程的全面掌握，導致作業水平的考核難度大，且不全面， 易造成單件輪對失修的情況出現。輪對檢修車間需檢修安全質量監控平臺的搭建，使輪對檢修逐步實現電子化管理。

3 改善輪對質量控制

目前改善輪對質量主要從以下幾個方面展開：

1）不斷研發新型合金材料，提高輪對的抗疲勞性和耐磨性，日本高速輪對含碳量約0.65%，具有較高的強度硬度，而歐洲高速輪對含碳量約0.5～0.6%，側重于改善塑性韌性；

2）改善輪對的加工工藝，嚴格控制熱處理過程中的非金屬夾雜物和組織相變溫度；

3）車身朝輕量化發展，來減少轉向架的簧下質量；

4）對于失效的輪對和鋼軌要進廠返修和打磨，使其仍能正常工作，消除隱患。以上諸多手段研究的歸根結底的問題還是輪對疲勞和磨耗質量的問題，他不僅保障了運行的安全，也能延長輪對的使用壽命。

4 結論

由疲勞與磨耗引起的輪對質量保證安全運行具有重要的意義，輪軌接觸疲勞與磨耗影響因素很多，而且他們之間具有一定的關聯作用，如何保證實檢修的順利進行以及質量的控制定了研究基礎。本文在結合國內外輪對疲勞與磨耗的分析的基礎上，針對輪對檢修研究現狀提出了改善輪對質量控制的方法。

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作者簡介：

竇志強（1983-），男，漢族，山西大同人，本科，工程師，主要從事質量體系管理以及質量技術管理工作。