CRH3型动车组车轮缺陷故障原因分析及防控措施

CRH3型动车组车轮缺陷故障原因分析及防控措施
作者：陈敏俊
来源：《科学与财富》2016年第07期
摘要：车轮是动车组正常运行的关键部件，在对动车组进行全面检查维修时，重视车轮的故障分析，是加强动车组安全风险管理的重要举措。

本文对于车轮踏面存在的缺陷进行了统计分析，重点讨论了车轮踏面剥离原因、检修标准、缺陷处理并提出了防控措施。

关键词：CRH3型动车组；车轮故障；原因分析；检修标准；缺陷处理；防控措施
1 CRH3型动车组车轮故障概况
1.1 车轮故障统计
CRH3型动车组投入运用以来，多次发生车轮踏面故障。

统计上海局南京南动车运用所2014年以来配属CRH3型动车组运营情况，因轮对缺陷故障导致更换轮对的，共计9起，如表1所示。

其中一、二级检修作业发现故障2起，轮辋轮辐探伤（LU）发现故障2起，镟修作业发现故障5起。

同时两头车导向轮（01车、00车的1、2位轮）发生的轮对缺陷故障7起。

表1 2014以来南京南动车运用所轮对缺陷故障换轮情况统计
1.2 车轮缺陷典型故障案例及图示
以2014年7月9日CRH380CL-5624 轮对踏面缺陷为例，动车组全列运用镟轮后，00车1轴LU探伤时发现距踏面3mm深处存在疑似缺陷，且踏面外观存在可见裂纹，如图1所示。

图1 踏面外观可见裂纹
对该故障车轮再次进行镟修，第一刀镟修0.7mm后，同一位置处出现2处缺陷，最大处约10x15mm，如图2所示。

图2 镟修后出现的两处缺陷
第二刀镟修0.5mm后，原2处缺陷仍存在，同时踏面其他位置出现4处不同程度缺陷，类似缺陷如图3所示，共计6处。

图3 镟修后其他位置出现的缺陷
2 原因分析
车轮踏面剥离是车辆在运用过程中出现的惯性质量问题，剥离是指车轮在运用过程中制动热作用或轮轨接触疲劳作用而在踏面圆周或部分圆周呈现出的金属掉块剥离损伤和鱼磷状或龟纹状热裂纹现象。

车轮踏面剥离可能发生在不同型号的机车车辆上，在同一车辆上不同轮对之间可能存在差别。

随着车辆向高速化方向发展，剥离现象已成为车轮失效的主要类型，车轮发生剥离后必须进行轮对镟修或打磨等处理，剥离严重时还需要更换轮对。

剥离还影响车辆的行车安全，使列车在运行过程中产生大的振动和冲击，轮轨接触面间发出巨大噪声，影响乘客乘座舒适性，加速其它走行部件的磨耗损坏，严重时还会破坏轴承，引发燃轴事故。

结合上述表1，以及近年来路局其他动车所轮对故障统计，发生几率比较大的是头车第一、二位轮对，其它轮对发生故障的概率相当较小。

根据对上述故障车轮镟修后残留痕迹所在区域以及形状的分析，初步确认该缺陷为滚动接触疲劳缺陷。

2.1 接触疲劳剥离
接触疲劳剥离发生在车轮踏面整个圆周部位，宏观可观察到裂纹，呈现出不规则的网状或龟纹状，沿裂纹处伴有层状或小块金属的的脱落，金相组织形貌特征表现为踏面表层金属发生塑性变形，裂纹从踏面萌生并沿塑性变形流线方向发展。

接触疲劳剥离形成机理是由于在轮轨接触面间接触应力作用下，踏面表层金属发生塑性变形及疲劳裂纹萌生并扩展的结果，其中裂纹形成是发生剥离的必要前提。

车轮在钢轨面上滚动运动时，轮轨之间发生相互作用，车轮承受机械载荷的作用，轮轨接触面为弹性变形的椭圆形，此接触面符合赫兹接触理论。

接触面上存在由轴重引起的垂向力，在垂向力作用下，轮轨接触面上产生接触压应力和剪切应力，其中最大剪切应力是裂纹萌生和扩展的主要原因。

车轮踏面在应力应变循环过程中，材料发生塑性变形，达到一定程度后塑性变形区由于加工硬化作用而不产生新的塑性变形，从而达到一定稳定状态。

塑性变形层深度与接触区应力分布和踏面材质密切相关。

缺陷产生于车轮踏面与轨道接触的滚动圆内外50-80mm的区域。

根据赫兹接触理论，在车轮和钢轨的接触面下4-8mm是最大载荷的受力位置。

2.2 裂纹源
该疲劳缺陷由于有裂纹源，在车轮运行中，裂纹源持续受力，最终扩展形成。

而此类裂纹源可能有以下几种：
2.2.1 表面裂纹源
由于外部冲击形成的表面裂纹源：运行中的车轮可能受到某些来自轨道外来物体的冲击。

头车位置是最容易遭到外来物体冲击的，对于其它车型发生的类似缺陷，有80%以上均出现在头车位置，从而造成表面损坏，这样有可能在表面产生冲击坑。

进而造成在滚动圆的车轮圆度超差，需要说明的是，此类缺陷全部出现在车轮滚动圆上。

而由于车轮踏面形状变化造成特别高的接触应力，在滚动接触应力的作用下，可能导致表面裂纹扩展。

2.2.2 次表面裂纹源
由于外部冲击造成的次表面裂纹：裂纹也有可能在受到外物的冲击后，产生次表面疲劳裂纹源，进而扩展。

而该次表面深度恰恰处于原因分析1中提到的车轮受到最大的滚动接触疲劳区域，即表皮下4-8mm，在滚动接触应力的作用下，可能导致次表面裂纹扩展。

2.3 微观缺陷
在车轮轮辋应力集中区域内存在微观缺陷，例如非金属夹杂，根据车轮钢制造执行标准，这些微观缺陷均没有超过允许存在的1mm当量标准。

当在车轮踏面或表层下的某个位置存在夹杂物时，在轮轨接触应力作用下，轮轨接触面间同样产生塑性变形，但由于少量夹杂物的脆性和不易变形使塑性变形受到阻碍，因而在塑性变形处产生应力集中，故夹杂物区域应力远大于无夹杂物区域。

由于应力集中的原因，接触疲劳裂纹极易在夹杂物区域萌生并发展，最终导致剥离现象发生。

车轮钢中脆性夹杂物的存在是随机的，无规律可言，此时接触疲劳剥离一般发生在车轮踏面的局部位置。

综合分析接触疲劳剥离的发生主要与轮轨间接触应力、摩擦力、车轮应力集中及车轮材质等密切相关。

3 日常检修标准
（1）根据《铁路动车组运用维修规程》（铁总运{2013}158号）内CRH3型动车组一、二级检修限度表，车轮踏面剥离、凹陷的检修限度为：剥离、凹陷长度≤20mm；剥离、凹陷深度≤0.5mm，面积≤200mm2；剥离、凹陷深度≤0.75mm，面积≤150mm2；剥离、凹陷深度
≤1.0mm，面积≤100mm2。

（2）根据《和谐系列动车组车轮超声波探伤规定》（铁总运{2013}190号）内车轮轮辋部位判定标准为：不允许存在达到Φ3mm横孔当量大小。

4 缺陷处理
一旦发现此类缺陷，需通过镟修方式完全消除后方可继续运用，同时为保证动车组同转向架、同车等轮径差满足要求、避免过度镟修，应合理做好故障轮对的选配。

剥离严重不能消除时需更换轮对。

5 防控措施
（1）对于车轮在运用过程中受外力作用而引起的运用疲劳，无法在根本上避免其产生，在日常一、二级检修中应加强踏面外观的重点检查，如有异常，则需进行进一步超声波检测。

（2）提升科技保安全的意识。

充分利用轮对检测系统、轮辋轮辐探伤机等科技检测手段加强动车组车轮的日常及定期检测。

（3）关键岗位择优安排责任意识强的作业人员。

针对动车所内探伤工、镟轮工岗位，应慎重选拨，有条件的应成立以党员为主的轮轴班组。

（4）结合车轮故障表现，以及CRH3型动车组运用镟轮周期（20-25万公里）同在线轮辋轮辐探伤周期（18-25万公里）较为重合，建议动车组优先安排运用镟轮作业，严格按照镟轮作业指导书要求，加强镟修作业过程中的踏面外观检查确认，镟修完毕后再进行车轮探伤。

（5）建议动车组头车导向轮的镟轮及探伤周期缩短为10万公里。

（6）开发新材料，提高车轮抗疲劳剥离的能力。

高速列车车轮材料的发展方向将由中高碳钢向低碳合金化的方向发展。

（7）加强出厂车轮的源头质量卡控，杜绝车轮内部质量缺陷。

同时优化车轮结构，增强抗疲劳强度，减少车轮应力集中，改善加工工艺等都可防止踏面剥离的发生，提高车轮使用寿命。

6 结束语
随着全路高速铁路、客运专线的相继开通，上海局配属的各型动车组数量不断增多，车轮缺陷故障随着轮对走形公里数的增加将不断出现，强化动车组车轮的检修维护工作显得尤为重要，掌握车轮缺陷故障产生的机理及防控措施，将进一步提高动车组安全风险意识，保障动车组运行安全。

参考文献
[1] 郑伟生.国外轮轴技术发展综述（二）.国外铁道车辆.1998.
[2] 周平宇.马利军.关于动车组车轮踏面浅表层损伤机理及对策.铁道车辆.2015.。