HXD1型機(jī)車車輪踏面剝離問題研究

申長宏， 陳清明， 蒲全衛(wèi)， 陳 勇， 程 雄

(1 中車株洲電力機(jī)車有限公司， 湖南株洲 412001;2 大功率交流傳動電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南株洲 412001)

車輪踏面剝離是機(jī)車在運(yùn)用過程中出現(xiàn)的慣性質(zhì)量問題，國內(nèi)外對鐵路機(jī)車車輛的車輪剝離問題進(jìn)行許多研究。隨著我國鐵路運(yùn)行速度提高和載重增加，有機(jī)務(wù)段反映很多車輪運(yùn)行不到10萬km就會產(chǎn)生車輪踏面的剝離現(xiàn)象，重載HXD1型機(jī)車在某段運(yùn)行6萬km左右也出現(xiàn)了大量車輪剝離現(xiàn)象。目前，出現(xiàn)此種問題主要采取將車輪進(jìn)行旋修處理的措施。車輪進(jìn)行旋修處理增加了車輪旋修數(shù)量，使換輪頻繁，對機(jī)車正常運(yùn)營也產(chǎn)生影響。因此有必要對問題進(jìn)行研究，以求探討相關(guān)解決對策。

車輪剝離涉及到車輪材料特性、牽引制動策略、機(jī)車操作策略、線路特點(diǎn)、外部環(huán)境、輪軌匹配、鋼軌材料特性、運(yùn)行速度、車載質(zhì)量、機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)等諸多方面的因素相關(guān)，文中結(jié)合車輛運(yùn)用特點(diǎn)，從車輪本身的材料特性入手，進(jìn)行線路模擬試驗(yàn)，建模模擬輪軌接觸交互作用，采用輪軌摩擦學(xué)原理，結(jié)合相關(guān)的模擬試驗(yàn)，分析車輪受到的影響，并提出應(yīng)對策略。

1 HXD1機(jī)車車輪踏面剝離典型特征

發(fā)生剝離所在HXD1機(jī)車運(yùn)用線路有兩種：一為重載下坡，空載上坡；另一為重載上坡，空載下坡，牽引噸位約為11 000 t，在重載方向均是長大坡道上坡或長大坡道下坡，在有較多雨雪天氣的冬春季節(jié)時(shí)剝離現(xiàn)象較為突出。其發(fā)生剝離過程特征如下：早期車輪出現(xiàn)整圈麻坑圖1(a)；繼而出現(xiàn)踏面起皮圖1(b)；隨后出現(xiàn)整圈剝離圖1(c)；如不及時(shí)旋修，剝離進(jìn)一步擴(kuò)展并局部掉塊圖1(d)。

圖1 車輪踏面剝離產(chǎn)生、演變的過程

2 HXD1型機(jī)車典型剝離車輪踏面裂紋檢驗(yàn)及分析

為便于分析車輪踏面?zhèn)麚p原因，選取具有典型剝離特征的車輪送至中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所進(jìn)行分析，對車輪的理化性能進(jìn)行檢驗(yàn)。在送檢車輪踏面裂紋區(qū)域取金相樣，金相樣及金相磨面見圖2所示。車輪踏面表層及裂紋所在區(qū)域的金相組織如圖3所示。

在宏觀形貌中，送檢車輪踏面約中部位置一周存在魚鱗狀裂紋(裂紋最深距踏面表層約3.5 mm)，部分區(qū)域可見剝離形貌。經(jīng)冷酸腐蝕后，車輪踏面未顯現(xiàn)擦傷及熱損傷形貌。經(jīng)熱酸腐蝕后，車輪踏面剝離坑中可見明顯的起自踏面表層并向輪輞內(nèi)部擴(kuò)展的貝紋狀疲勞弧線存在，由此踏面上存在的魚鱗狀裂紋的裂紋源應(yīng)位于踏面表層。在顯微組織中，車輪踏面表層及裂紋所在區(qū)域均存在嚴(yán)重的塑性變形，塑變層最深處距踏面表層約3.5 mm(與裂紋深度相當(dāng))。塑性變形層中可見與塑性變形方向一致的裂紋存在，此種裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展會形成踏面剝離。

綜合宏微觀檢驗(yàn)結(jié)果判斷，送檢車輪踏面裂紋為輪軌接觸力作用下車輪材料發(fā)生塑性變形所致。該車輪踏面裂紋屬接觸疲勞性質(zhì)，踏面接觸疲勞裂紋是車輪踏面在輪軌接觸應(yīng)力作用下，表層金屬發(fā)生塑性變形，塑性變形累積至超過材料塑性變形極限后即萌生裂紋，裂紋在輪軌滾動接觸應(yīng)力持續(xù)作用下發(fā)生沿塑性變形方向的疲勞擴(kuò)展，最終發(fā)展成宏觀裂紋和剝離。

目前對于該缺陷國內(nèi)外學(xué)術(shù)界早有成熟的研究結(jié)論，按照TB/T 3154—2007《機(jī)車車輛車輪和輪箍傷損代碼》標(biāo)準(zhǔn)，其傷損編碼為W001001。

送檢車輪的晶粒度級別、非金屬夾雜物級別、低倍組織、輪輞斷面硬度、輪輞室溫和-20 ℃沖擊性能、輪輞及輻板拉伸性能及化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)EN 13262-2008 的技術(shù)規(guī)范要求。

圖2 金相樣及金相磨面

圖3 車輪踏面表層金相組織

3 HXD1型機(jī)車線路試驗(yàn)及分析

根據(jù)送檢車輪的分析結(jié)論，該車輪的傷損形貌特點(diǎn)及運(yùn)用條件分析產(chǎn)生此種傷損的直接原因應(yīng)與輪軌滾動接觸有關(guān)。從踏面材料的塑性變形程度及顯微組織狀態(tài)可推斷，車輪在運(yùn)行過程中有可能出現(xiàn)了局部小范圍的滾滑。

為便于進(jìn)一步探索車輪剝離的形成原因及解決措施，對HXD1型機(jī)車進(jìn)行了在線試驗(yàn)，以便結(jié)合機(jī)車的實(shí)際牽引條件及制動狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)分析。在試驗(yàn)機(jī)車上安裝速度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、壓力傳感器、振動加速度傳感器。分別用于檢測 1～4 軸運(yùn)行速度；1位、2 位牽引電機(jī)的電壓、電流；1位、2位軸箱左右兩端的縱向振動等信號。

試驗(yàn)機(jī)車在試驗(yàn)前對輪緣踏面進(jìn)行旋修，試驗(yàn)中對機(jī)車撒沙、灑水以及踏面情況進(jìn)行監(jiān)控，其撒水及監(jiān)控裝置見圖4所示。試驗(yàn)每趟分不同試驗(yàn)區(qū)段按隧道內(nèi)干燥軌面全電制試驗(yàn)自動撒沙、出隧道時(shí)潮濕軌面全電制試驗(yàn)自動撒沙、隧道外潮濕軌面全電制試驗(yàn)自動撒沙、隧道外潮濕軌面全電制試驗(yàn)自動撒沙+人工補(bǔ)沙、機(jī)車正常運(yùn)行數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)、隧道外干燥軌面全電制試驗(yàn)自動撒沙，其中潮濕軌面通過灑水裝置對軌面灑水來進(jìn)行模擬。通過現(xiàn)場多趟在沙型、牽引制動策略上進(jìn)行優(yōu)化對比試驗(yàn)，從而使機(jī)車減少空轉(zhuǎn)/滑行、提升黏著力，解決車輪踏面剝離問題。

圖4 撒水及監(jiān)控安裝圖

試驗(yàn)用細(xì)沙及粗沙如圖5所示。試驗(yàn)用細(xì)沙的沙粒度直徑為0.5～1.2 mm，試驗(yàn)用粗沙的沙粒度直徑為0.5～5.0 mm。第1趟線路試驗(yàn)機(jī)車采用粗沙，后5趟線路試驗(yàn)均采用細(xì)沙。

圖5 試驗(yàn)用沙

從多次試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)及跟蹤觀察上分析，在試驗(yàn)機(jī)車上得到如下結(jié)論：

(1)機(jī)車在干燥軌道到潮濕軌道過渡期間(所測10 min 數(shù)據(jù))，機(jī)車實(shí)際速度與電機(jī)速度存在速度差，其速度差大于3 km/h，在某些惡劣情況下甚至達(dá)到7～8 km/h，同時(shí)牽引電機(jī)電流降流。此現(xiàn)象說明機(jī)車存在相對空轉(zhuǎn)/滑行趨勢，車輪的空轉(zhuǎn)/滑行促使踏面剝離更快更易發(fā)生。此外，不同轉(zhuǎn)向架之間也存在該問題。

(2)機(jī)車運(yùn)行時(shí)存在速度突變現(xiàn)象，尤其在起車時(shí)更為明顯。通過采樣、分析軸端速度傳感器的信號，機(jī)車在起車過程中(3 km/h以內(nèi))存在速度信號突變。該突變表明機(jī)車在瞬時(shí)出現(xiàn)了空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，車輪的空轉(zhuǎn)會促進(jìn)踏面形變。圖6中，綠色為溫度信號，紅色為速度信號。

圖6 機(jī)車起車時(shí)速度突變現(xiàn)象

(3)機(jī)車起車過程中力矩波動幅度明顯。通過添乘觀察和網(wǎng)絡(luò)信號分析可知，機(jī)車在灑水或者起車的時(shí)候，牽引力/制動力波動明顯。力矩在上下波動的同時(shí)，不但不利于力矩的發(fā)揮，而且也容易產(chǎn)生空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

(4)沙型為粗沙的車輪，在第1趟試驗(yàn)后檢查車輪踏面狀況，車輪踏面均存在嚴(yán)重的麻坑。踏面麻坑的出現(xiàn)促進(jìn)車輪剝離。

針對以上現(xiàn)象，試驗(yàn)機(jī)車通過將沙型調(diào)整為細(xì)沙，調(diào)整牽引制動控制策略，隨后又進(jìn)行了多趟試驗(yàn)，最終試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)顯示，可以保證機(jī)車在正常牽引和電制動時(shí)，最大速度偏差不大于3 km/h(見圖7)，基本控制在2 km/h以內(nèi)；起車時(shí)速度突變控制在3 km/h的范圍以內(nèi)(見圖8)；通過調(diào)整加速度閾值、力矩卸載量以及對程序控制模式的優(yōu)化，降低了力矩的波動幅度；采用細(xì)沙，麻坑在隨后的試驗(yàn)中逐漸消失，車輪踏面狀況良好。

圖7 優(yōu)化后的最大速度偏差

圖8 優(yōu)化后的速度、溫度信號

針對撒沙量，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，將撒沙量控制在0.5 dm3/min左右(原車為1 dm3/min以上)，仍可保證機(jī)車在黏著條件較差的時(shí)候有效改善黏著系數(shù)。

4 成因分析

現(xiàn)HXD1型機(jī)車在多個(gè)機(jī)務(wù)段進(jìn)行運(yùn)營，發(fā)生車輪剝離現(xiàn)象的所在HXD1型機(jī)車發(fā)生在長大坡道的線路特征上，其線路特征表現(xiàn)為坡度大、坡道線路長、彎道多、隧道多，以上為客觀存在因素，機(jī)車及牽引列車在此特征線路上運(yùn)行時(shí)，機(jī)車牽引力/制動力受軌道表面狀況影響較大，如撒沙、軌面的干濕等造成輪軌間的摩擦系數(shù)會發(fā)生變化。在雨、雪天氣中，軌面狀態(tài)變化更為顯著，同時(shí)，為提高黏著系數(shù)，撒沙的頻次會更高。因軌面狀況的不斷變化，列車的牽引/制動力往往比較容易高于輪軌間黏著力，造成車輪在鋼軌上空轉(zhuǎn)/滑行。機(jī)車的牽引噸位、軌面的干濕、撒沙等對機(jī)車控制造成不利，最終在車輪的空轉(zhuǎn)/滑行表現(xiàn)出來。

針對機(jī)車在運(yùn)行過程中的黏著系數(shù)(μj)的變化情況，1958年末，伯納德(Bernard)及吉利爾(Guillier)對多臺法國國家鐵路(SNCF)的16500系列B-B軸式單電機(jī)轉(zhuǎn)向架運(yùn)行條件下進(jìn)行了測試。測試在不撒沙的線路上進(jìn)行的，線路含干燥軌道、狀態(tài)不良的軌道、直線區(qū)段、曲線區(qū)段。圖9為測得的結(jié)果，結(jié)果說明實(shí)際的黏著系數(shù)分布是十分離散的。條件特別有利時(shí)，可以達(dá)到很高的黏著值(0.45)。H.F.安德魯斯(QAndrews)在曼徹斯特-設(shè)菲爾德間對英國國家鐵路(BR)采用B0-B0軸式及軸懸式牽引電動機(jī)、1 500 V直流電力機(jī)車所測結(jié)果說明，軌面狀態(tài)對黏著系數(shù)有很大影響。在很干燥的軌道上，測得的黏著系數(shù)值可達(dá)0.5，而在潮濕的軌道上，可能降到0.15以下。

根據(jù)HXD1型機(jī)車前期的運(yùn)用情況及文獻(xiàn)研究表明，撒沙量對于提高輪軌黏著系數(shù)存在臨界值。當(dāng)撒沙量低于臨界值時(shí)，黏著系數(shù)隨著撒沙量的提高而提高；當(dāng)撒沙量高于臨界值時(shí)，黏著系數(shù)隨著撒沙量的提高不明顯，反而會影響輪對踏面。因此，為了滿足機(jī)車雨天時(shí)的牽引/電制運(yùn)用需求，必須保證撒沙系統(tǒng)正常下沙且適量，避免下沙量不足時(shí)輪對空轉(zhuǎn)滑行嚴(yán)重和下沙量過大時(shí)輪對踏面磨耗嚴(yán)重的問題。

圖9 法國國家鐵路16500系列B-B軸式機(jī)車黏著系數(shù)測點(diǎn)分布圖

根據(jù)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)?zāi)M軸重為25 t，模擬軌輪轉(zhuǎn)速為90 r/min。模擬輪材質(zhì)為CL50A，模擬軌輪材質(zhì)為U71Mn，軌輪循環(huán)40 000次時(shí)，得出模擬輪軌各工況在此時(shí)的磨損量。模擬試驗(yàn)研究表明，車輪剝離主要是由于某種原因輪軌之間的表面摩擦力引起的，而表面摩擦力隨著蠕滑率的增加而增大，車輪踏面磨損量和蠕滑率的關(guān)系示意圖見圖10。當(dāng)蠕滑率為-7.5%時(shí)，表面磨痕有明顯的塊狀剝離；在相同的循環(huán)次數(shù)下，制動工況下的磨痕變寬，而且表面剝離現(xiàn)象嚴(yán)重。

(注：蠕滑率的正值代表牽引工況，負(fù)值代表制動工況。)圖10 蠕滑率與磨損量的相對關(guān)系示意

機(jī)車在運(yùn)行中，其受蠕滑力如圖11所示，為便于描述蠕滑力合力的指向，將平面分為四個(gè)象限，圖11中內(nèi)軌側(cè)車輪蠕滑力合力F的指向?yàn)榈谌笙蕖＼囕喸谑苤苿恿r(shí)，車輪踏面起皮的方向同車輪滾動方向相反，示意圖由圖12所示，這類踏面起皮與滾動方向相反的制動力有關(guān)。機(jī)車在坡道上運(yùn)行，當(dāng)機(jī)車來程時(shí)為重載下坡制動，車輪踏面受力造成損傷如圖12所示，而回程則為上坡牽引，受力方向與下坡制動一致，對初期起皮后并形成剝離起促進(jìn)作用。這種受力來、回程一致的現(xiàn)象也存在于重載牽引上坡與空載制動下坡的工況。

圖11 蠕滑力合力方向與裂紋方向的關(guān)系

圖12 車輪剝離方向示意

有學(xué)者利用數(shù)值模擬方法計(jì)算了車輪在滑行狀態(tài)下的溫升。輪軌摩擦溫度隨著輪軌滑動速度差加大而增加。圖13(a)車輛速度為5 km/h，輪軌滑動速度為9.1 km/h，黏著系數(shù)為0.095，持續(xù)滑動0.05 s，結(jié)果顯示輪軌接觸斑中心摩擦瞬時(shí)溫度為1 097 ℃。圖13(b)為車輛速度為5 km/h，輪軌相對滑動速度增加到18.2 km/h，黏著系數(shù)恢復(fù)至0.4時(shí)，滑動時(shí)間增加到0.1 s，結(jié)果顯示輪軌接觸斑中心摩擦瞬時(shí)溫度由1 097 ℃增加到1 343 ℃。此計(jì)算模擬了黏著突變后，車輪滑行時(shí)，車輪在輪軌接觸面處的溫度情況。模擬計(jì)算車輪在各速度級下不同的滑行時(shí)間下的摩擦溫度情況，結(jié)果顯示車輪在低速下的打滑導(dǎo)致的輪軌摩擦溫度較高速下要高得多。隨著恢復(fù)瞬間黏著系數(shù)的增加，輪軌接觸斑中心摩擦溫度線性增加。

對于車輪踏面在軌面上的滑動摩擦，可用圖14來評價(jià)踏面在機(jī)械-熱耦合作用下的踏面損傷情況。當(dāng)車輪踏面載荷出現(xiàn)在危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，踏面將會發(fā)生明顯損傷。根據(jù)圖15模擬計(jì)算可知，當(dāng)車輪蠕滑率為15%時(shí)，車輪踏面的熱應(yīng)力便達(dá)到了310 MPa。根據(jù)文獻(xiàn)及模擬計(jì)算的結(jié)果，在實(shí)際運(yùn)用中須控制車輪蠕滑率。

圖13 黏著恢復(fù)時(shí)接觸斑瞬時(shí)溫度

圖14 輪軌踏面損傷評價(jià)

圖15 車輪滑行率15%時(shí)的踏面熱應(yīng)力

從上面分析可知，蠕滑率，黏著系數(shù)，滑行時(shí)間，機(jī)車運(yùn)行速度等均對輪軌摩擦溫升造成較大影響，特別是低速下更為顯著。HXD1型機(jī)車線路所測數(shù)據(jù)顯示所存的轉(zhuǎn)速差、起動速度突變、電機(jī)電流降流、力矩波動大等現(xiàn)象，車輪表現(xiàn)出踏面區(qū)域塑性變形及剝離，基本與試驗(yàn)研究及模擬計(jì)算的結(jié)果吻合，其中粗沙及過多的撒沙量對踏面剝離起了促進(jìn)作用，最終形成了車輪出現(xiàn)的早期踏面剝離現(xiàn)象。

5 解決措施

從上面的分析可知，解決HXD1型機(jī)車車輪剝離問題，主要從降低蠕滑率、避免黏著系數(shù)突變及空轉(zhuǎn)/滑行時(shí)間長等方面入手，具體解決措施如下：

(1)完善牽引/制動策略。通過調(diào)整電制動轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值控制參數(shù)，增加電制動力穩(wěn)定發(fā)揮的穩(wěn)定性；優(yōu)化高手柄電制動力給定參數(shù)，在高手柄電制動力矩給定的情況下，提高滑行的判斷精度，預(yù)先微減載，減少進(jìn)入滑行的機(jī)率；優(yōu)化下沙輪指令力矩門檻，減少撒沙量，減少在低黏著需求條件下的下沙機(jī)率等方面對黏著程序進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提高牽引/制動策略對線路的適應(yīng)性。

(2)改善撒沙系統(tǒng)。選用細(xì)沙沙型，以減小沙子顆粒的大小、形狀、硬度、成分等對踏面的影響；改進(jìn)撒沙器，將撒沙量控制在0.5 dm3/min左右(原車為1 dm3/min以上)，避免撒沙器堵沙，撒沙量并能有效地調(diào)整；優(yōu)化撒沙電空閥排氣口，優(yōu)化撒沙電空閥失電后殘留壓縮空氣的排出通道，避免回吸現(xiàn)象導(dǎo)致細(xì)沙及粉塵進(jìn)入撒沙閥進(jìn)風(fēng)管，堵塞風(fēng)咀等。

6 結(jié)束語

將采用以上措施對HXD1型機(jī)車進(jìn)行推廣運(yùn)用，現(xiàn)場跟蹤觀察運(yùn)用情況，所跟蹤運(yùn)用的HXD1型機(jī)車運(yùn)用里程超過10萬km未出現(xiàn)車輪踏面剝離現(xiàn)象，達(dá)到正常運(yùn)用水平。為便于HXD1型機(jī)車在具有長大坡道的線路更好的運(yùn)營，提出如下建議：

(1)因重載方向均是長大坡道上坡或長大坡道下坡，且車輪踏面的蠕滑力方向無論在上坡牽引還是下坡電制動均沿同一方向，使得踏面變形持續(xù)累積，促使裂紋形成。建議機(jī)務(wù)段提高機(jī)車入庫調(diào)頭的頻率，減小踏面形變累計(jì)，減緩裂紋萌生。

(2)因長坡道重載下坡時(shí)需利用制動來限制車速，單機(jī)牽引約11 000 t時(shí)，大閘緩解后需要電制動力對速度進(jìn)行限制，來保證足夠的充風(fēng)時(shí)間。然而，萬噸大列的下滑力超過1 200 kN，電制動力最大為460 kN，緩解時(shí)極容易引起機(jī)車滾滑現(xiàn)象產(chǎn)生，該現(xiàn)象促使在踏面萌生裂紋。建議研究通過優(yōu)化司機(jī)操縱等方式緩解輪對踏面的磨耗及異常剝離。

(3)建議適當(dāng)減少機(jī)車牽引噸位，以減輕輪對踏面的磨耗及異常剝離。