高速動車組車輪硬度與車輪多邊形形成關系及解決措施研究*

2018-09-12 00:41:14沈文林宋春元李國棟李曉峰崔利通

鐵道機車車輛 2018年4期

沈文林, 宋春元, 李國棟, 李曉峰, 崔利通

(中車長春軌道客車股份有限公司, 長春 130062)

隨著高速列車運行線路不斷增加，高速列車在運營一定里程后車輪圓周方向出現多邊形磨耗。車輪多邊形會加劇輪軌動態作用，產生高頻輪軌沖擊振動，對軌道和車輛部件產生破壞，惡化乘客乘坐舒適性[1]，高速列車車輪多邊形問題已經引起鐵路部門和科研院所越來越多的關注。國外學者對車輪不圓問題研究比較早，尤其是德國、瑞典和荷蘭的專家學者，通過大量現場試驗，結合數值仿真分析，對車輪不圓的形成、發展過程和動力學性能影響等方面做了系統研究。Meywerk[2]通過仿真建立了考慮輪對和軌道彈性的動力學仿真模型，研究車輪多邊形的形成過程，認為輪對的1階、2階彎曲振動頻率可能是引起車輪多邊形的原因。Muller[3]認為車輪的周期性多邊形是由圓周材料的各向異性所致。Johansson和Nielsen等[4-5]對車輪不圓做了大量的工作，認為車輪加工和旋修時的定位方式是使車輪形成三階不圓度的原因。國內對于車輪多邊形的問題研究開展較晚，張雪姍等[6]研究了車輪橢圓化問題及其對車輛橫向穩定性的影響。陳光雄等[7]分析了車輪多邊形的磨耗機理，并指出了相應的控制策略。但是，車輪多邊形的形成和發展過程的機理至今還未搞清楚，成為了全世界研究輪軌關系的難題之一。

1 車輪多邊形相關影響因素調查

為調查車輪多邊形規律，查找影響多邊形形成和發展的因素，中車長客股份公司對115列CRH3型動車組車輪多邊形進行了長期的跟蹤測試，所選車組涵蓋了哈大線、京滬線、武廣線、膠濟線等CRH3型動車組運營的主要線路，并充分考慮了不同輪對供應商、不同齒輪箱供應商、不同轉臂節點供應商、車組運營總里程、旋后走行里程等因素。經過一年的數據累積，掌握了50 000多個車輪多邊形數據，從車輛角度，系統分析了轉向架結構、模態和關鍵零部件與車輪多邊形的關系，發現車輪輪徑和輪對生產廠家與多邊形的關系明顯。

1.1 車輪多邊形與輪徑之間的關系

為調查車輪多邊形與輪徑的關系，統計了2015年10月至2016年10月在某鐵路局測試的22 794個車輪多邊形數據，統計結果見表1。當輪徑大于900 mm時，車輪多邊形比例為1.2%，輪徑在880～900 mm時，車輪多邊形比例為2.5%，輪徑在860～880 mm時，車輪多邊形比例為10.8%，輪徑小于860 mm時，車輪多邊形比例達24.2%。可見，車輪多邊形比例隨輪徑的減小而增大，車輪多邊形與輪徑關系密切。

表1 車輪多邊形與車輪輪徑的統計

1.2 不同輪對生產廠家的多邊形情況

CRH3型動車組車輪采用的是ER8材質車輪，共兩家供應商(廠家A和B)，為分析多邊形與車輪供應商的關系，表2按車輪廠家分別統計了某型動車組在兩個鐵路局輪徑大于900 mm的車輪多邊形情況。廠家A車輪在兩個鐵路局的多邊形比例為0.2%和0.1%，而廠家B車輪在兩個鐵路局的多邊形比例為7.9%和6.8%。可見，在相同條件下(輪徑、車型、配屬路局)，廠家B的車輪多邊形比例要明顯高于車輪廠家A的車輪。

表2 車輪多邊形與車輪廠家關系的統計

1.3 鋼軌硬度調查

調查了國內了兩條高鐵線開通運營后鋼軌表面的硬度情況，兩條高鐵線在剛開通時鋼軌硬度在250～270 HB，隨著通過總重的增加鋼軌硬度也隨之增大，在運營4年之后，鋼軌硬度超過了300 HB，這是由于動車組對鋼軌碾壓強化的結果，見圖1。

圖1 國內兩條高鐵線鋼軌硬度變化

2 車輪硬度對多邊形產生的影響研究

從上述對車輪多邊形情況調查可知，輪對與車輪多邊形關系密切：輪徑越小的車輪多邊形比例越高，廠家B生產的車輪出現多邊形比例明顯高于廠家A生產的車輪。為此，中車長客股份對存在多邊形和不存在多邊形的車輪從輪對組裝、輪對動平衡、車輪熱處理工藝、車輪硬度、化學成分、機械性能等方面進行了對比分析，發現不同輪徑和不同車輪廠家的車輪在硬度方面差異較大，而其他方面無明顯區別。

為研究車輪硬度對車輪多邊形的影響，從以下兩個方面開展了工作：

(1)對在線運營的104列動車組車輪踏面硬度進行普查；

(2)對兩個車輪廠家存在多邊形和不存在多邊形的車輪進行硬度切片檢測。

2.1 車輪踏面硬度普查

選取在線運行的104列動車組，采用便攜式硬度測量儀按照不同輪對廠家、不同輪徑、不同運行交路、有無多邊形、是否存在軸端故障等篩選條件，進行硬度測試。圖2為車輪踏面。

圖2 車輪踏面硬度測試現場

圖3按照不同輪徑和車輪生產廠家的車輪硬度測試結果進行分類統計。總體上，車輪踏面硬度均隨輪徑的減小而降低，輪徑大于900 mm時，廠家A的車輪硬度均值要明顯大于廠家B的車輪硬度，均值大13 HB；輪徑在880～900 mm時，兩廠家車輪硬度均值基本相當，相差于4 HB；輪徑在860～880 mm時，廠家A的車輪硬度反而要小于廠家B車輪硬度。

圖3 車輪踏面硬度統計

2.2 車輪切片硬度檢測

由于測試儀器和測試條件限制，運營現場的車輪踏面硬度普查只能夠初步掌握硬度分布情況，并只能測車輪踏面表面硬度。為更準確檢測車輪硬度，分析多邊形與硬度的關系，在實驗室內對廠家 A的2片新車輪和廠家B的新舊各2片車輪(舊車輪存在明顯多邊形)進行輪輞斷面硬度、化學成分、拉伸性能等檢測。

在車輪四分之一區域(90°范圍內)，每間隔10°均勻切取10個輪輞截面進行硬度檢測，如圖4所示。每個截面上，徑向和軸向方向按照每隔10 mm測試一個點，測點均布輪輞磨耗到限以上區域，徑向從踏面下5 mm的位置開始取點，如圖5所示。進行數據統計分析時，將斷面分為輪軌接觸區、端部區和輪緣區。

圖4 試驗取樣位置

圖5 輪輞斷面硬度檢測點

(1) 車輪輪輞斷面徑向硬度

新車輪輪輞斷面硬度分布見圖6，A廠家新輪輪輞斷面硬度在徑向呈明顯的階梯變化，硬度隨輪徑的變化大、硬度分布帶寬。B廠家新輪輪輞斷面硬度隨輪徑的變化相對較小、硬度分布帶窄。

踏面下5 mm處，A廠家新輪硬度比B廠家車輪硬度大11 HB；踏面下15 mm處，A廠家新輪硬度比B廠家硬度大4 HB；踏面下25 mm處，A廠家車輪硬度比B廠家車輪硬小3 HB。可見，A、B廠家車輪硬度均隨輪徑的減小而降低，硬度變化規律基本與在線運營動車組踏面硬度普查結果相同。B廠家存在多邊形的車輪硬度比其新車輪硬度更低，見圖7。

(2) 車輪輪輞斷面周向硬度分布

A廠家新輪、B廠家新輪和B廠家存在多邊形的車輪在圓周方向的輪輞斷面硬度分布如圖8和圖9所示。A廠家新輪和B廠家新輪在圓周方向的輪輞硬度分布均勻，而存在多邊形的B廠家車輪在圓周方向的輪輞斷面硬度無論是在接觸區還是非接觸區都分布不均勻。

圖6 輪輞斷面硬度分布示意圖

圖7 輪輞斷面硬度統計

圖8 新車輪圓周方向硬度分布(接觸區)

2.3 車輪多邊形與硬度的關系分析

車輪多邊形是車輪沿圓周方向的規則磨耗問題，其本質是車輪踏面磨耗，由多邊形規律可知，輪徑越小多邊形比例越高；由車輪硬度調查結果可知，車輪輪輞斷面硬度在徑向呈階梯式降低分布，即磨耗后輪徑越小的車輪硬度越低。車輪硬度分布與多邊形出現比例相吻合，車輪硬度越低，車輪踏面磨耗越快，多邊形的形成和發展也隨之加快。B廠家在輪徑大于900 mm時的多邊形比例明顯高于A廠家的原因也是在該輪徑范圍內B廠家車輪硬度明顯小于A廠家。車輪多邊形在2015年開始爆發，與鋼軌硬度隨通過總重的增加而增大也有關系。

圖9 多邊形車輪圓周方向硬度分布

3 車輪多邊形解決方案

車輪硬度偏低會加快車輪多邊形的形成和發展，提高車輪硬度降低車輪磨耗速率，可在一定程度上抑制車輪多邊形的產生。因此，提出從三個方面來提高車輪硬度：①對于新造車輪，改進車輪的熱處理工藝，提高既有ER8材質車輪硬度；②對于新造車輪，采用硬度更好的ER8C材質車輪；③對于現有車輪，通過滾壓方式提高現車輪表面硬度，尤其是當磨耗到小輪徑情況時。

結合現場試驗和深入研究發現，改進車輪熱處理的方式雖能提高車輪硬度，但同時車輪韌性、低溫沖擊等性能會降低，甚至不滿足標準要求，因此這一技術并不可行。采用ER8C材質車輪的方案，需要現場長期跟蹤測試才能驗證。因此，文中重點介紹通過滾壓強化提高車輪硬度的方案，并通過線路試驗進行驗證。

3.1 車輪硬度滾壓強化原理

滾壓強化是通過滾壓車輪踏面，對表層材料局部加壓見圖10，使車輪表面發生微小的塑性變形，產生壓縮殘余應力強化車輪表面，提高車輪的硬度和疲勞強度，以增強車輪的耐磨性。

圖10 車輪切削和滾壓強化過程示意

目前國內各動車段采用的是U2000-400不落輪數控旋床，驅動輪摩擦驅動、軸箱定位方式加工輪對，輪對在車輛上無需拆卸。不落輪旋床滾壓裝置如圖11所示，滾壓裝置采用彈性結構可有效保證機床的精度，滾壓輪采用兩個角接觸軸承，徑向受力可達到1 000 kg。

滾壓是在輪對旋修完后進行，將切削刀具更換為滾壓輪，按照旋修后的踏面廓形進行滾壓。由于滾壓是以加工后的實測數據為基準，因此滾壓精度高。由于與旋床集成，無需為滾壓單獨進行裝夾和測量，可提高滾壓效率。

圖11 不落輪旋床滾壓裝置

3.2 車輪滾壓強化試驗研究

采用不同滾壓力對新輪、磨耗輪和多邊形車輪進行滾壓，研究滾壓力與滾壓后車輪硬度的關系，確定滾壓參數；研究滾壓對提升車輪硬度的效果；研究滾壓對改善車輪周向硬度不均的效果；研究滾壓硬度層的深度及分布；研究滾壓是否會對車輪運用造成影響。

3.2.1滾壓對車輪硬度提升效果

采用不同滾壓力對不同初始硬度的車輪進行滾壓，測試車輪圓周方向40個點的硬度，再將所有測點值取平均。滾壓后車輪硬度測試結果見表3。從統計結果可看出：滾壓力越大，滾壓后的硬度越高；滾壓力確定后，滾壓后的硬度值基本維持在一定范圍，與滾壓前硬度關系不大。

表3 車輪滾壓前后硬度統計

3.2.2滾壓對改善車輪圓周方向硬度不均效果

為研究滾壓后車輪在圓周方向硬度分布情況，選取了初始圓周方向硬度極其不均磨耗輪，對比分析滾壓前后圓周方向硬度分布情況。滾壓前車輪在圓周方向的硬度差值高達69 HB，滾壓后差值僅為18 HB，通過滾壓不僅提高了車輪硬度值，且使圓周方向的硬度分布更加均勻，見圖12。

圖12 圓周方向硬度分布

3.2.3滾壓硬度層深度及分布

滾壓后車輪硬度層的深度及分布至關重要，在測試現場和實驗室采用不同的方式來確定滾壓硬度層的深度及分布。

(1)硬度層深度及分布(布氏硬度)

電解腐蝕是利用氯化鈉與鐵的電解反應腐蝕掉鐵，對滾壓后的試驗備品輪和磨耗車輪逐層腐蝕，每次腐蝕深度0.2 mm(用塞尺測量)，腐蝕完后再用里氏硬度計測每一層的布氏硬度。

試驗備品輪滾壓前的硬度為245 HB，滾壓后硬度316 HB，每次腐蝕0.2 mm后，硬度逐漸降低，腐蝕掉1.2 mm后硬度為260 HB，大于滾壓前的245 HB。可見，試驗備品輪滾壓后的硬度層大于1.2 mm，且呈階梯式分布，采用同樣方法分析滾壓后的磨耗車輪的滾壓硬度層大于1.4 mm，見圖13。

(2)硬度層深度及分布(維氏硬度)

為深入研究滾壓硬度層的深度及分布，在中國鐵道科學研究院金屬化學研究所對滾壓后的車輪輪輞切片，加工成試樣，對試樣進行拋光處理，用維氏硬度計檢測滾動圓位置沿徑向0～15 mm范圍的維氏硬度，如圖14所示。深度在0～2.8 mm區域的維氏硬度大于275 HV，受滾壓的影響；深度大于2.8 mm時，維氏硬度基本小于260 HV，硬度隨深度的緩慢降低，屬于車輪熱處理特性。從維氏硬度分布現象可得：滾壓硬化層在3 mm左右，呈階梯式降低。

圖13 不同深度下的硬度分布(布氏硬度)

圖14 不同深度下的硬度分布(維氏硬度)

3.2.4滾壓后的車輪運用風險分析

滾壓強化可提高車輪硬度和疲勞強度，增強車輪的耐磨性，但必須考慮滾壓對車輪的影響，評估車輪運營風險。對滾壓后車輪的表面狀態、顯微組織、殘余應力等進行檢測及對接觸疲勞進行分析，如圖15所示。

分析結果表明，滾壓不影響車輪踏面形狀、不會導致表面裂紋等缺陷，但表面粗糙度有所提高，與運用車輪的粗糙度相當；滾壓后的車輪顯微組織未發生變化，仍然是珠光體和鐵素體，呈網狀結構，在零星的區域存在顯微組織分布不均現象，但整體均勻性優于運用后的車輪；滾壓可將車輪由旋修引起的拉應力變為壓應力，可提升車輪的耐磨性能。