CRH2型動車組車輪滾動接觸疲勞問題分析

虞名政

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

1 問題的提出

隨著鐵路高速重載技術(shù)的快速發(fā)展，輪軌滾動接觸疲勞現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，這不但會造成運(yùn)營和維修成本的大幅增加，同時也直接影響列車運(yùn)營安全。CRH2型動車組車輪采用ER8材質(zhì)的車輪，近年來發(fā)生了多起車輪滾動接觸疲勞故障，其中頭尾車導(dǎo)向輪發(fā)生車輪滾動接觸疲勞概率相對較高。

2 原因分析

材料在循環(huán)應(yīng)力作用下，產(chǎn)生局部永久性積累損傷，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，接觸表面產(chǎn)生麻點(diǎn)、淺層或深層剝落的過程稱為接觸疲勞。車輪載荷通過一個相對很小的接觸區(qū)域傳遞給了鋼軌，通常會使局部載荷超過車輪和鋼軌材料的彈性極限，這就會導(dǎo)致滾動接觸疲勞裂紋的萌生。CRH2型動車組車輪滾動接觸疲勞主要為兩類，第一類主要由橫向力和縱向力引起，一般發(fā)生在車輪滾動圓外側(cè)15～30mm范圍內(nèi)，裂紋與踏面間傾斜約45°，車輪周圈均存在；第二類主要由車輪硌傷引起，發(fā)生在名義滾動圓至外側(cè)15mm范圍內(nèi)，一般發(fā)生在個別點(diǎn)，表現(xiàn)為鏇輪后內(nèi)部出現(xiàn)月牙形缺陷。滾動接觸疲勞如不及時進(jìn)行鏇修，均會導(dǎo)致剝離。

2.1 由橫向力和縱向力引起的滾動接觸疲勞

動車組運(yùn)行過程中，車輪承受縱向力、橫向力和垂向力，其中縱向力主要由牽引、制動產(chǎn)生，橫向力主要由車輛過曲線和蛇形運(yùn)動產(chǎn)生，垂向力主要由車輛自身重量及垂向沖擊產(chǎn)生。車輪表面材料反復(fù)承受上述疲勞載荷作用，踏面材料發(fā)生塑性變形，此類滾動接觸疲勞主要由橫向力和縱向力引起，在應(yīng)力超過剪切強(qiáng)度的條件下（主要在過曲線時），塑性應(yīng)變累積而形成微裂紋，最終導(dǎo)致滾動接觸疲勞，并在上述應(yīng)力作用下裂紋沿45°方向向內(nèi)部擴(kuò)展，最終形成剝離。此類缺陷起源于踏面表面，由于表面裂紋萌生階段尺寸很小，肉眼看不到缺陷。動車組的頭尾車在進(jìn)入彎道時導(dǎo)向輪對首先進(jìn)入彎道，此時導(dǎo)向輪對車輪受到的橫向力及縱向力較中間車更大且更為復(fù)雜，因此動車組的頭車位置輪對更易發(fā)生滾動接觸疲勞現(xiàn)象。

2.2 由硌傷引起的滾動接觸疲勞

車輪踏面受到異物擊打或碾壓較硬異物時，可能導(dǎo)致踏面硌傷，硌傷部位存在便于萌生裂紋的微觀組織。動車組運(yùn)行過程中，車輪與軌道接觸處存在接觸斑，接觸斑內(nèi)存拉應(yīng)力及剪應(yīng)力，當(dāng)踏面表面存在外傷時，其邊緣及尖端存在應(yīng)力集中，在沖擊載荷下，塑性變形累積，在表面拉應(yīng)力作用下形成裂紋源，在剪應(yīng)力作用下裂紋擴(kuò)展。由于最大剪應(yīng)力分布在踏面以下3mm處，平行于踏面，裂紋擴(kuò)展主要發(fā)生在車輪亞表面，擴(kuò)展方向平行于踏面，因此此類缺陷在踏面亞表面比表面更明顯，通常在鏇輪后才能看到，發(fā)生在名義滾動圓至外側(cè)15mm范圍內(nèi)，鏇輪后呈現(xiàn)月牙形缺陷，一般多發(fā)生在頭尾車導(dǎo)向輪。

2.3 鏇輪問題

踏面存在因硌傷引起的滾動接觸疲勞，且缺陷擴(kuò)展較深，累計鏇修進(jìn)刀次數(shù)大于7次，鏇修量大于7mm，在鏇輪過程中出現(xiàn)過部分車輪鏇出高階多邊形的情況。鏇出高階多邊形時鏇輪定位方式一般采用的是車輪定位，驅(qū)動輪驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動輪額定轉(zhuǎn)速ω一般在（1.1～1.5）轉(zhuǎn)/s，直徑d為220mm。對前期發(fā)生過類似問題的鏇床進(jìn)行研究、測試，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速大于100%ω時鏇床、固定爪、驅(qū)動輪會有低頻能量集中，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速為100%ω時會有42Hz的能量集中，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速為110%ω時會有46Hz的能量集中。在測試中，驅(qū)動輪更新后，鏇床依然有低頻能量集中，說明低頻能量集中與驅(qū)動輪狀態(tài)無關(guān)，以兩次典型鏇輪測試為例。

（1）測試1。

表1 測試1鏇輪情況

工況4中，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速為110%時會有46Hz的能量集中；工況3和工況6，由于鏇刀橫移速率為90%，相對較快，測試結(jié)果顯示振動相對較大；工況5由于驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速及鏇刀橫移速率較低，鏇修效果較好，見表1。

（2）測試2。

表2 測試2鏇輪情況

工況1中，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速為110%時會有46Hz的能量集中；工況4中，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速為100%時會有42Hz的能量集中，見表2。

不同鏇床其驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速及振動頻率可能不同。

（3）振動頻率與車輪多邊形的關(guān)系。車輪鏇出多邊形數(shù)量n與鏇輪各參數(shù)的關(guān)系如下：

n=f/(η·ω·(D/d))

d為驅(qū)動輪直徑，D為車輪直徑，ω為驅(qū)動輪額定轉(zhuǎn)速，f為振動頻率。

以前期發(fā)生的典型故障及試驗(yàn)驗(yàn)證情況為例，見表3。

表3 典型故障多邊形計算

該故障車輛現(xiàn)場檢測車輪為113邊形，與計算結(jié)果相吻合。

（4）結(jié)論及建議。通過上述對鏇床的測試及對故障輪對的分析，初步分析原因可能是鏇床低頻振動，車輪缺陷和驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速過快共同作用的結(jié)果，驅(qū)動輪以恒定的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量鏇修了多次（大于7刀），反復(fù)鏇修過程中，耦合調(diào)制產(chǎn)生的鏇修缺陷被放大，產(chǎn)生高階多邊形。為解決鏇出多邊形問題，建議對鏇床進(jìn)行系統(tǒng)測試，研究鏇床振動頻率與車輪輪徑關(guān)系，找出對于存在內(nèi)部缺陷的車輪多次鏇修的最佳鏇修方案。

3 安全性分析

對于由橫向力和縱向力引起的滾動接觸疲勞，其缺陷主要是在列車通過曲線或蛇形時產(chǎn)生，擴(kuò)展速率較慢，且外觀表現(xiàn)明顯，易于在日常檢修中發(fā)現(xiàn)。對于由硌傷引起的滾動接觸疲勞，其外觀表現(xiàn)不明顯，踏面裂紋是在次表層剪應(yīng)力的作用下擴(kuò)展的，而較大剪應(yīng)力橫向只存在于輪軌接觸點(diǎn)周圍約12mm范圍內(nèi)，考慮輪對常用左右橫移接觸點(diǎn)15mm的移動，裂紋橫向擴(kuò)展范圍約27mm，不會再向輪緣或外側(cè)擴(kuò)展。深度方向，最大剪應(yīng)力距踏面4mm～8mm范圍內(nèi)，隨深度急劇下降，且剪應(yīng)力方向與車輪切向成小角度，裂紋不會沿徑向深層擴(kuò)展。在圓周方向，次表面裂紋在剪應(yīng)力方向與車輪切向成小角度擴(kuò)展，在切向力作用下外移，牽引制動載荷下剝落，而不會周向擴(kuò)大。根據(jù)以上分析，初步認(rèn)為上述兩種車輪滾動接觸疲勞裂紋不會形成貫穿性裂紋，不會導(dǎo)致輞裂故障，但在日常檢修過程中，如發(fā)現(xiàn)車輪滾動接觸疲勞，需及時進(jìn)行鏇修。

4 解決措施

（1）加強(qiáng)日常對車輪踏面檢查，及時發(fā)現(xiàn)存在異常的車輪。

（2）對于存在踏面缺陷的車輪及時進(jìn)行鏇修。

（3）對于需多次鏇修車輪，建議適當(dāng)較低鏇床驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速及進(jìn)刀量。

[1]趙少汴.抗疲勞設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1994.

[2]嚴(yán)雋耄.車輛工程[M].北京：中國鐵道出版社.1992.

[3]金學(xué)松，沈志云.輪軌滾動接觸疲勞問題研究的最新進(jìn)展[J].鐵道學(xué)報，2001,23（2）：92-107.