一起機車整體車輪的失效分析與對策

李家勇 紀曉明

(1.南寧局集團有限公司南寧機務段 廣西 南寧 530001； 2.沈陽局集團有限公司通遼機務段 內蒙古 通遼 028000)

0 概況

機車是鐵路運輸的重要裝備，車輪作為關鍵部件承受更大的各種應力載荷，車輪的輪輞更容易出現疲勞裂紋缺陷，對行車安全構成極大的威脅，極端情況下會導致車輪破裂，出現列車顛覆事故，因此對車輪的質量要求越來越高。對產生缺陷的車輪進行分析，找出裂損原因、舉一反三是解決問題的必要手段。

2020年2月11日，某單位的機車入庫綜合監測裝置自動檢測時，發現一例整體輪輞檢測存在缺陷報警，后經過現場人工超聲波檢測復核，確認該輪輞存在周向約60 mm、距車輪踏面深約16～19 mm 的內部缺陷反射波(見圖1)。2月17日，對該車輪進行鏇修處理，踏面鏇修18 mm(半徑)深度后發現仍存在長約50 mm 的周向裂紋，距離車輪外側面60 mm(見圖2)。該機車于2019年5月31日進行C5修，2019年11月20日進行1C1次修。輪對軸號VIII13-1919、輪輞編號1302-2100-10，鏇修前輪徑為1 217.6 mm，至故障發生日止C5修后總走行10.5 km。

圖1 損傷車輪損傷位置(現場)

圖2 鏇修后車輪踏面形貌(現場)

1 檢驗依據

依據TJ/ZL-01-04《中國鐵路機車用粗制整體輾鋼車輪訂貨技術條件》要求，對該車輪進行分析檢驗。

2 檢驗內容及結果

對車輪進行宏觀觀察，確定車輪傷損所在位置及形貌特征。依據TJ/ZL-01-04技術條件對車輪化學成分、車輪輪輞硬度、車輪輪輞的拉伸性能及輻板沖擊性能進行檢驗。同時利用光學顯微鏡觀察車輪輪輞處的顯微組織，特別是損傷表層的裂紋形貌和組織類型，評定車輪輪輞的非金屬夾雜物級別。綜合上述宏觀及微觀分析結果，判斷車輪傷損原因，以下闡述送檢車輪(取樣編號2100-10#)的具體檢驗結果。

2.1 宏觀分析與取樣

該車輪的整體形貌及踏面剝離損傷處形貌如圖3所示。由圖可知，車輪踏面經過鏇修后，仍有一處明顯的裂紋存在，呈“W”型形貌，傷損區域距離車輪外側面60 mm～80 mm，沿周向長度約為50 mm。車輪其他位置未見異常。

圖3 損傷車輪宏觀觀察

2.2 化學成分

依據GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法(常規法)》的要求對車輪進行化學成分檢驗[1]，檢驗結果如表1所示。

表1 車輪的化學成分檢驗結果 /%

車輪的化學成分符合TJ/ZL-01-04 技術條件中牌號“3”材質的要求。

2.3 拉伸、沖擊、硬度檢驗

對車輪輪輞的拉伸性能、輪輞沖擊性能及車輪輪輞的表面硬度、斷面硬度進行檢驗。檢驗結果分別如表 2～表 4所示。受輪徑限制，輪輞拉伸和硬度實測位置不能滿足標準檢測位置要求。

表2 輪輞拉伸性能檢驗結果

表3 車輪輻板沖擊性能的檢測結果 /J

表4 輪輞硬度的檢測結果 /HBW

疲勞由于車輪輪輞的實際拉伸試樣未能按照標準位置取樣，其結果較標準位置拉伸結果更低，但實測拉伸性能的結果仍符合TJ/ZL-01-04 技術條件中牌號“3”材質車輪的要求。

車輪的沖擊性能符合TJ/ZL-01-04 技術條件中牌號“3”材質車輪的要求。

車輪輪輞硬度檢測結果符合TJ/ZL-01-04 技術條件中對牌號“3”車輪的相關要求。

2.4 低倍組織檢查

在車輪輪輞處切取斷面進行低倍組織檢驗，將其精磨后，浸泡在1∶1的鹽酸水溶液中加熱至65～80 ℃，保溫10～15 min，取出低倍試片然后用熱水清洗后吹干。經低倍檢查，該車輪輪輞斷面低倍組織中未發現白點、殘余縮孔、分層、翻皮、異型偏析和金屬異物等。

2.5 顯微組織及非金屬夾雜物

在車輪裂紋處切取金相試樣，采用光學顯微鏡對車輪輪輞裂紋附近及踏面下5 mm位置的顯微組織進行觀察，結果如圖4所示。裂紋中部、裂紋尖端、裂紋開口長度7.2 mm，深度1.7 mm。

圖4 輪輞裂紋的金相組織

裂紋與踏面夾角約為13°，并由踏面表層向輪輞內部延伸。踏面表層未見塑性變形組織(已鏇修)，也未見其他異常組織存在。車輪輪輞的金相組織為細珠光體+少量鐵素體，其晶粒度為7.5級，均滿足TJ/ZL-01-04 技術條件中對牌號“3”材質車輪顯微組織的要求。

評定車輪輪輞的非金屬夾雜物級別，結果如表 5 所示。

表5 非金屬夾雜物的檢驗結果

車輪的非金屬夾雜物級別符合TJ/ZL-01-04 技術條件中牌號“3”材質車輪的要求。

2.6 斷口形貌

根據裂紋形貌，采用鋸切的方式將裂紋打開，其形貌如圖5所示。由圖5可知，該缺陷呈明顯的疲勞擴展特征，由于車輪踏面經過鏇修，疲勞起源位置已經被鏇修掉，但可根據疲勞弧線推測疲勞源的大致位置在踏面下滾動圓區域，裂紋弧線以疲勞源為中心向四周擴展。

圖5 裂紋斷口耦合面形貌

3 原因分析

車輪踏面經過鏇修掉18 mm 后，仍殘留有一處明顯的裂紋存在，呈“W”型形貌，損傷區域距離車輪外側面60～80 mm，沿周向長度約為50 mm。將裂紋打開后，兩斷裂面均可觀察到明顯的貝紋狀疲勞擴展條帶存在，呈現典型的疲勞斷裂特征。由于該車輪裂紋的疲勞起源處已經被鏇修掉，無法對裂紋疲勞起源處及車輪踏面表層的初始狀態進行檢測，僅可根據殘留的疲勞弧線推測疲勞源的大致位置位于車輪踏面下滾動圓區域。結合現場信息和實際檢驗結果分析推測，該傷損為起自車輪踏面下滾動圓區域的疲勞損傷。產生此種疲勞損傷的可能性有兩個方面，一是輪輞中的非金屬夾雜導致的輞裂，二是輪軌滾動接觸疲勞產生的淺表層裂紋擴展和延伸。結合現場信息和實際檢驗結果分析判斷，該傷損為起自車輪踏面下滾動圓區域的疲勞損傷[2]。

4 對策

(1)從源頭控制車輪質量，對新品車輪加強品質管控。

(2)梳理該型機車車輪的傷損信息，繼續跟蹤使用情況，對發生探傷報警應予以充分重視。

(3)將機車入庫綜合監測系統裝置與常規超聲波檢測互相銜接，納入質量管控體系，形成機車輪對閉環監測管理機制。

(4)對于《機車在役零部件無損檢測 第2部分：輪箍、整體車輪輪輞超聲波檢測》QCR331.2—2018號文件中關于“輞裂”的重要闡述應深刻理解與貫徹，運用到日常超聲波檢測當中。

(5)建立車輪壽命管理機制，摸索輪輞傷損與超聲波檢測周期的規律，應用大數據分析管理，為排除隱患作出決策依據。

5 效果

通過對鏇削后輪輞表面形貌及狀況分析，所發現的缺陷已經涵蓋：制動剝離、踏面接觸疲勞剝離、局部接觸疲勞剝離、輪輞內部疲勞裂紋(輪輞輞裂)、局部擦傷剝離、機砂品質不良等引起的踏面密集麻點過多形成剝離等幾種形式，豐富了檢測經驗，為后續檢修工作提供了參考。