HXD3C型電力機車車輪輪輞裂紋原因分析及擴展研究

姜 濤， 沈 彤， 林景東

(中車大連機車車輛有限公司， 遼寧大連 116022)

車輪輪輞裂紋是采用整體輾鋼車輪的機車運用過程中存在的故障之一，裂紋存在于踏面下一定深度，隨著輪輞裂紋的進一步擴展，延展至車輪輪輞表面或踏面表面，可能引發車輪材料崩落，從而引發鐵路運輸的安全性問題。尤其是在中國鐵路有著龐大應用數量的和諧型電力機車，普遍采用1 250 mm輪徑的整體輾鋼車輪，具有功率大速度快的特點，輪周牽引力較大，對輪輞裂紋問題尤為關注。

以HXD3C型電力機車為例，曾在檢修中發現某車輪出現輪輞裂紋故障，如圖1所示；另外，有些車輪在定期進行超聲波無損檢測檢修時，發現在車輪踏面一定深度處存在面積型缺陷，根據在役運用的HXD3C機車數據統計，這些輪輞缺陷均在機車走行較長里程(車輪服役超過22萬km)時發現，缺陷全部出現在距離踏面約10～20 mm的輪輞內部，隨著機車的運用，受輪軌間循環接觸應力的作用，可能誘發這些缺陷由內向外擴展。

圖1 輪輞裂紋

目前僅能通過嚴格控制車輪質量，定期對服役車輪進行無損檢測，來降低輪輞裂紋發生的概率，但效果有限。一但輪輞裂紋產生后，需要確保機車車輪輪輞裂紋故障在進一步擴展前得到有效的處理，從而避免嚴重事故的發生。因此有必要進行車輪輪輞裂紋產生的原因分析，并開展滾動疲勞擴展的相關研究來確認。以從HXD3C型電力機車采集到的輪輞缺陷及故障為樣本開展相關研究分析。

1 原因分析

對這些出現缺陷HXD3C型電力機車車輪進行源產信息追溯和材料特征值總結，從原材料到供貨的整個生產過程均可追溯，并復查了材料相關特性，未發現異常情況。車輪裝車前，無損檢測合格率100%，車輪未發現內部疑似缺陷，完全符合出廠要求。

為進一步分析原因，將圖1所示車輪進行宏觀形貌分析，打開后的裂紋宏觀形貌如圖2所示。裂紋打開后的耦合表面可見，該裂紋源位于輪輞約中部位置，在一個直徑約為10 mm的區域內，經測量，其在踏面下深度約14 mm，距輪輞外側面約68 mm。圍繞裂紋源一周可見有明顯的疲勞擴展條紋。此外，圖2中在上耦合表面上還可見若干裂紋，這些裂紋是由于輪輞內部裂紋形成后，該區域所對應的車輪踏面在車輪運行過程中受鋼軌碾壓所致。根據宏觀觀察可以確定車輪裂紋表面具有疲勞擴展特征，裂紋源位置明顯。輪輞裂紋(輞裂)屬疲勞斷裂性質,見圖3～圖4。

圖2 裂紋打開后的宏觀形貌

通過對輪輞裂紋車輪進行全面相關檢測，可以確認：

(1)材質機械性能測試結果滿足相關要求

(2)化學成分測試結果滿足對應的車輪材質要求

(3)酸浸檢驗沒有發現肉眼可見的缺陷

(4)晶粒結構滿足相應的材料及熱處理工藝的要求

但是純凈度檢測后發現了一個“超過標準大小”的非金屬夾雜物超探檢測發現明顯的踏面下材料剝離現象疲勞裂紋(踏面下材料剝離)的源頭是一個由硫化鈣構成，并摻雜了Al-Mg-Si混合氧化物的非金屬夾雜物。

圖3 裂紋斷面檢測

圖4 超探缺陷部位評定

通過上述檢驗，可以明確，輪輞裂紋產生的原因是由于輪輞內部踏面下一定深度處存在較大尺寸的氧化物類脆性非金屬夾雜物，受踏面下輪軌接觸剪應力作用，裂紋疲勞擴展造成。

非金屬夾雜主要是指鋼鐵熔煉時產生的硫化物和氧化物。其數量，大小及分布決定了鋼材料的金相純凈度。這些夾雜物既可能是熔爐內壁的一小部分，也可能來自必要的脫氧工藝。盡管現今的煉鋼采用了先進的冶金工藝，仍然不能完全避免鋼水中產生的氧化物夾雜。

車輪生產過程中，檢驗微觀純凈度是一種破壞性的材料試驗，因此只能進行抽樣檢測。也就是說標準中未提出限制要求的非金屬夾雜物在煉鋼工藝中也是可能存在的。如果該夾雜物位于車輪取樣之外的區域，則不能在檢測微觀純凈度時被發現。

目前對車輪內部缺陷有效的無損檢測方式是超聲波探傷，即利用超聲波在不同介質中反射回波差異，獲得內部缺陷位置和大小的信息，其中缺陷的大小常用當量尺寸表示，即自然缺陷與標準缺陷進行反射回波差異比較，從而確定內部缺陷的尺寸，通常以分貝(dB)作為單位，另外，為消除超聲波的衰減對結果的影響，往往會根據材料特性在檢測前設定一定的增益分貝數值。

所有的車輪在熱處理以及試樣分析后在毛坯狀態下需要對輪輞內部做100%的超聲波探傷。在毛坯狀態下通過超聲波只能檢查到平底孔反射面2 mm直徑當量的對比缺陷，更小的缺陷，可能由于雜質的尺寸、特性、形狀、缺陷方向等原因，形成的超聲波反射當量較小，加之雜波較多等原因，無法有效辨識。即便進行了上述的檢測，即微觀純凈度抽樣檢測和車輪輪輞100%的超聲探傷，但以目前的技術手段檢測，車輪也可能存在無法檢測出的缺陷。

2 輪輞裂紋滾動疲勞擴展試驗研究

2.1 研究目的

由于目前尚無有效控制手段杜絕輪輞裂紋的產生，僅能通過嚴格控制質量來降低輪輞裂紋發生的概率，且效果有限。一但輪輞裂紋產生后，能否確保車輪的探傷周期可以保證車輪的安全運用。有必要對輪輞裂紋的擴展規律進行研究，為制定在役機車車輪無損檢測技術條件提供科學依據。試驗研究主要包括虛擬線路構造、試驗工況設計和載荷工況計算，基于高速輪軌關系試驗臺的車輪踏面外形磨耗和車輪踏面表面硬度檢測，車輪踏面表面缺陷尺寸測量和內部缺陷探傷等內容。

2.2 試驗研究方案及方法

利用帶有缺陷的機車輪對在高速輪軌關系試驗臺上進行輪軌滾動接觸而疲勞試驗見圖5，獲得機車車輪輪輞疲勞裂紋隨運行里程增加的擴展速度及擴展規律。機車車輪輪輞疲勞裂紋擴展試驗設計方案如表1所示。

表1 HXD3C機車車輪輪輞疲勞裂紋擴展試驗設計方案

圖5 高速輪軌試驗臺和試驗輪對

為了綜合研究在試驗工況條件下機車車輪缺陷的形態變化，在有自然缺陷的車輪的輪輞內部還預制了人工缺陷。

2.3 車輪缺陷的初始狀況

經試驗前的超聲探傷，確認試驗機車車輪初始缺陷如下：

(1) 右輪

該車輪共有2個輪輞內部自然缺陷、4個輪輞內部人工缺陷。

① 輪輞內部自然缺陷

1#為面狀缺陷，深度約14 mm，6 dB半波高度法，指示范圍約為8 mm×4 mm，最高反射波φ2-24 dB；2#為條狀缺陷，深度約15 mm，6 dB半波高度法，指示長度約為8 mm，最高反射波φ2-18 dB。2個缺陷如圖6所示。

圖6 車輪輪輞內部自然缺陷的幾何尺寸和位置

② 輪輞內部人工缺陷

在試驗車輪輪輞內部預制的4個人工缺陷如圖7

圖7 車輪輪輞內部人工缺陷的位置示意圖

所示。4個人工缺陷為2個橫孔，2個斜向平底孔。橫孔編號為31#和36#，直徑均為φ10，如圖7(a)所示；斜向平底孔編號為22#和39#，直徑均為φ8，如圖7(b)所示。

(2) 左輪

該車輪有15處內部缺陷，其中14處點狀缺陷，1處面缺陷，均小于φ2 mm平底孔當量，如圖8所示。

圖8 車輪輪輞內部缺陷尺寸及位置圖

2.4 試驗數據及其分析

隨運行里程的增加，機車輪輞缺陷的幾何尺寸和缺陷當量的變化情況如下：

(1) 右輪

① 輪輞內部自然缺陷

運行里程達到2萬km 時，1#面積狀缺陷的長度未變，寬度稍有擴展，到3.5 萬km時，缺陷指示范圍寬度已從4 mm擴展到5 mm，但從超聲測量誤差的角度看，這個擴展距離可視為未擴展；2#條狀缺陷的長度未變。輪輞內部自然缺陷的尺寸變化如圖9所示。

圖9 缺陷尺寸隨運用里程的變化

② 輪輞內部人工缺陷

在缺陷探傷的誤差范圍內，4 個人工缺陷最高反射波基本無變化，說明未擴展。輪輞內部人工缺陷當量變化如圖10所示，因缺陷隨運用里程無變化，故圖10中以更為直觀的超聲波反射高度變化量隨運用里程變化表示。

圖10 缺陷反射波高度變化量隨運用里程的變化

(2) 左輪

由于在試驗過程中圖8所示的車輪輪輞的5#、6#、9#自然缺陷的探傷數據有漏項，故略去這些缺陷的探傷結果。

圖11是隨試驗里程車輪輪輞自然缺陷反射波高度的變化情況，11 個點狀缺陷和1 個面缺陷的反射波高變動均在±2 dB左右，這些是在超聲探傷的誤差范圍內。除個別里程的探傷結果外，絕大部分是在±2 dB以內，這表明在試驗過程中車輪輪輞自然缺陷均未出現明顯的擴展現象。

圖11 缺陷反射波高度變化量隨試驗里程的變化

2.5 試驗結果分析

試驗利用高速輪軌關系試驗臺對HXD3C機車含有內部缺陷裂紋的機車車輪對進行輪輞裂紋擴展試驗。根據試驗臺動力響應、踏面表面硬度、踏面磨耗以及輪輞探傷的試驗結果及其分析得到：

(1)輪軌滾動接觸疲勞試驗過程中的試驗速度，左、右輪垂向力，輪對橫移量以及輪對搖頭角的變化規律滿足輪輞裂紋擴展試驗的要求。

(2)在試驗工況下，右輪運行里程達到5 萬km 時，1#面積狀缺陷的長度未變，寬度稍有擴展，到3.5萬km 時，缺陷指示范圍寬度已從4 mm擴展到5 mm；其他輪輞內部缺陷，包括點狀自然缺陷、面積狀缺陷、條狀缺陷和人工缺陷，均未出現可檢出的擴展。

(3)左輪踏面的9個表面缺陷，在試驗初期，在輪輞寬度方向上基本呈現剝離閉合和尺寸減小的趨勢，在輪輞圓周方向上呈現了張開和閉合狀態幾乎各占一半；隨著試驗里程的增加，這些缺陷尺寸趨于穩定且略有增大。

綜上所述，在輪輞裂紋擴展研究試驗中并未獲得車輪缺陷隨運用里程擴展的直觀結果，但這并不說明車輪缺陷不會在實際運用中出現擴展，因為這與車輪實際運用結果不符，其未擴展的原因可能與試驗工況加載和實際運用工況的差異，缺陷的形狀、成分、位置差異等其他因素有關，尚需進一步深入研究。

3 結 論

通過上述分析，可知在車輪的材質選型、車輪強度及機車動力學性能等均符合機車技術規范和相關標準要求的前提下，HXD3C型電力機車車輪輞裂的產生是由車輪材質中的非金屬夾雜物、車輪的載荷狀態、輪軌的實際接觸應力等因素的綜合作用誘發的。

通過對有輪輞裂紋的車輪數據進行統計分析，結合試驗結論，在試驗工況下，裂紋的擴展速度是一個相對緩慢的過程，在其進一步擴展前通過探傷發現，使得故障車輪能夠及時更換，從而保障機車的安全運營。

另外，由于試驗條件和里程的限制，筆者認為在本研究的基礎上，還可以繼續開展以下深入研究：

(1)結合實際HXD3C機車出現的輪輞裂紋實際情況，試驗結果可能會由于受試驗里程限制而沒有出現擴展，可能會隨著試驗里程增加而出現擴展，可繼續增加試驗的里程，觀察缺陷的擴展規律。

(2)不同類型的非金屬夾雜物膨脹系數，彈性模量等參數均存在一定差異，可開展不同類型非金屬夾雜物對裂紋萌生的危害性大小的研究。

(3)不同形狀、方向、深度、尺寸的缺陷所產生的危險因為所受應力的差異，其臨界值并非完全一樣，可以結合試驗及實際機車車軸重量、牽引力等參數，對不同缺陷的臨界值進行研究。