高速動(dòng)車組車輪硬度與車輪多邊形形成關(guān)系及解決措施研究*

沈文林, 宋春元, 李國(guó)棟, 李曉峰, 崔利通

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司, 長(zhǎng)春 130062)

隨著高速列車運(yùn)行線路不斷增加，高速列車在運(yùn)營(yíng)一定里程后車輪圓周方向出現(xiàn)多邊形磨耗。車輪多邊形會(huì)加劇輪軌動(dòng)態(tài)作用，產(chǎn)生高頻輪軌沖擊振動(dòng)，對(duì)軌道和車輛部件產(chǎn)生破壞，惡化乘客乘坐舒適性[1]，高速列車車輪多邊形問(wèn)題已經(jīng)引起鐵路部門(mén)和科研院所越來(lái)越多的關(guān)注。國(guó)外學(xué)者對(duì)車輪不圓問(wèn)題研究比較早，尤其是德國(guó)、瑞典和荷蘭的專家學(xué)者，通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值仿真分析，對(duì)車輪不圓的形成、發(fā)展過(guò)程和動(dòng)力學(xué)性能影響等方面做了系統(tǒng)研究。Meywerk[2]通過(guò)仿真建立了考慮輪對(duì)和軌道彈性的動(dòng)力學(xué)仿真模型，研究車輪多邊形的形成過(guò)程，認(rèn)為輪對(duì)的1階、2階彎曲振動(dòng)頻率可能是引起車輪多邊形的原因。Muller[3]認(rèn)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(duì)車輪不圓做了大量的工作，認(rèn)為車輪加工和旋修時(shí)的定位方式是使車輪形成三階不圓度的原因。國(guó)內(nèi)對(duì)于車輪多邊形的問(wèn)題研究開(kāi)展較晚，張雪姍等[6]研究了車輪橢圓化問(wèn)題及其對(duì)車輛橫向穩(wěn)定性的影響。陳光雄等[7]分析了車輪多邊形的磨耗機(jī)理，并指出了相應(yīng)的控制策略。但是，車輪多邊形的形成和發(fā)展過(guò)程的機(jī)理至今還未搞清楚，成為了全世界研究輪軌關(guān)系的難題之一。

1 車輪多邊形相關(guān)影響因素調(diào)查

為調(diào)查車輪多邊形規(guī)律，查找影響多邊形形成和發(fā)展的因素，中車長(zhǎng)客股份公司對(duì)115列CRH3型動(dòng)車組車輪多邊形進(jìn)行了長(zhǎng)期的跟蹤測(cè)試，所選車組涵蓋了哈大線、京滬線、武廣線、膠濟(jì)線等CRH3型動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)的主要線路，并充分考慮了不同輪對(duì)供應(yīng)商、不同齒輪箱供應(yīng)商、不同轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)供應(yīng)商、車組運(yùn)營(yíng)總里程、旋后走行里程等因素。經(jīng)過(guò)一年的數(shù)據(jù)累積，掌握了50 000多個(gè)車輪多邊形數(shù)據(jù)，從車輛角度，系統(tǒng)分析了轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)、模態(tài)和關(guān)鍵零部件與車輪多邊形的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)車輪輪徑和輪對(duì)生產(chǎn)廠家與多邊形的關(guān)系明顯。

1.1 車輪多邊形與輪徑之間的關(guān)系

為調(diào)查車輪多邊形與輪徑的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)了2015年10月至2016年10月在某鐵路局測(cè)試的22 794個(gè)車輪多邊形數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。當(dāng)輪徑大于900 mm時(shí)，車輪多邊形比例為1.2%，輪徑在880～900 mm時(shí)，車輪多邊形比例為2.5%，輪徑在860～880 mm時(shí)，車輪多邊形比例為10.8%，輪徑小于860 mm時(shí)，車輪多邊形比例達(dá)24.2%?？梢?jiàn)，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(guān)系密切。

表1 車輪多邊形與車輪輪徑的統(tǒng)計(jì)

1.2 不同輪對(duì)生產(chǎn)廠家的多邊形情況

CRH3型動(dòng)車組車輪采用的是ER8材質(zhì)車輪，共兩家供應(yīng)商(廠家A和B)，為分析多邊形與車輪供應(yīng)商的關(guān)系，表2按車輪廠家分別統(tǒng)計(jì)了某型動(dòng)車組在兩個(gè)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(gè)鐵路局的多邊形比例為0.2%和0.1%，而廠家B車輪在兩個(gè)鐵路局的多邊形比例為7.9%和6.8%。可見(jiàn)，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(guān)系的統(tǒng)計(jì)

1.3 鋼軌硬度調(diào)查

調(diào)查了國(guó)內(nèi)了兩條高鐵線開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后鋼軌表面的硬度情況，兩條高鐵線在剛開(kāi)通時(shí)鋼軌硬度在250～270 HB，隨著通過(guò)總重的增加鋼軌硬度也隨之增大，在運(yùn)營(yíng)4年之后，鋼軌硬度超過(guò)了300 HB，這是由于動(dòng)車組對(duì)鋼軌碾壓強(qiáng)化的結(jié)果，見(jiàn)圖1。

圖1 國(guó)內(nèi)兩條高鐵線鋼軌硬度變化

2 車輪硬度對(duì)多邊形產(chǎn)生的影響研究

從上述對(duì)車輪多邊形情況調(diào)查可知，輪對(duì)與車輪多邊形關(guān)系密切：輪徑越小的車輪多邊形比例越高，廠家B生產(chǎn)的車輪出現(xiàn)多邊形比例明顯高于廠家A生產(chǎn)的車輪。為此，中車長(zhǎng)客股份對(duì)存在多邊形和不存在多邊形的車輪從輪對(duì)組裝、輪對(duì)動(dòng)平衡、車輪熱處理工藝、車輪硬度、化學(xué)成分、機(jī)械性能等方面進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)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(wú)明顯區(qū)別。

為研究車輪硬度對(duì)車輪多邊形的影響，從以下兩個(gè)方面開(kāi)展了工作：

(1)對(duì)在線運(yùn)營(yíng)的104列動(dòng)車組車輪踏面硬度進(jìn)行普查；

(2)對(duì)兩個(gè)車輪廠家存在多邊形和不存在多邊形的車輪進(jìn)行硬度切片檢測(cè)。

2.1 車輪踏面硬度普查

選取在線運(yùn)行的104列動(dòng)車組，采用便攜式硬度測(cè)量?jī)x按照不同輪對(duì)廠家、不同輪徑、不同運(yùn)行交路、有無(wú)多邊形、是否存在軸端故障等篩選條件，進(jìn)行硬度測(cè)試。圖2為車輪踏面。

圖2 車輪踏面硬度測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖3按照不同輪徑和車輪生產(chǎn)廠家的車輪硬度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)?？傮w上，車輪踏面硬度均隨輪徑的減小而降低，輪徑大于900 mm時(shí)，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(shí)，兩廠家車輪硬度均值基本相當(dāng)，相差于4 HB；輪徑在860～880 mm時(shí)，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(tǒng)計(jì)

2.2 車輪切片硬度檢測(cè)

由于測(cè)試儀器和測(cè)試條件限制，運(yùn)營(yíng)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)車輪踏面表面硬度。為更準(zhǔn)確檢測(cè)車輪硬度，分析多邊形與硬度的關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)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(jìn)行輪輞斷面硬度、化學(xué)成分、拉伸性能等檢測(cè)。

在車輪四分之一區(qū)域(90°范圍內(nèi))，每間隔10°均勻切取10個(gè)輪輞截面進(jìn)行硬度檢測(cè)，如圖4所示。每個(gè)截面上，徑向和軸向方向按照每隔10 mm測(cè)試一個(gè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)均布輪輞磨耗到限以上區(qū)域，徑向從踏面下5 mm的位置開(kāi)始取點(diǎn)，如圖5所示。進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，將斷面分為輪軌接觸區(qū)、端部區(qū)和輪緣區(qū)。

圖4 試驗(yàn)取樣位置

圖5 輪輞斷面硬度檢測(cè)點(diǎn)

(1) 車輪輪輞斷面徑向硬度

新車輪輪輞斷面硬度分布見(jiàn)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(duì)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?？梢?jiàn)，A、B廠家車輪硬度均隨輪徑的減小而降低，硬度變化規(guī)律基本與在線運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組踏面硬度普查結(jié)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(jiàn)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(wú)論是在接觸區(qū)還是非接觸區(qū)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(tǒng)計(jì)

圖8 新車輪圓周方向硬度分布(接觸區(qū))

2.3 車輪多邊形與硬度的關(guān)系分析

車輪多邊形是車輪沿圓周方向的規(guī)則磨耗問(wèn)題，其本質(zhì)是車輪踏面磨耗，由多邊形規(guī)律可知，輪徑越小多邊形比例越高；由車輪硬度調(diào)查結(jié)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(xiàn)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(fā)展也隨之加快。B廠家在輪徑大于900 mm時(shí)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(nèi)B廠家車輪硬度明顯小于A廠家。車輪多邊形在2015年開(kāi)始爆發(fā)，與鋼軌硬度隨通過(guò)總重的增加而增大也有關(guān)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(huì)加快車輪多邊形的形成和發(fā)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(chǎn)生。因此，提出從三個(gè)方面來(lái)提高車輪硬度：①對(duì)于新造車輪，改進(jìn)車輪的熱處理工藝，提高既有ER8材質(zhì)車輪硬度；②對(duì)于新造車輪，采用硬度更好的ER8C材質(zhì)車輪；③對(duì)于現(xiàn)有車輪，通過(guò)滾壓方式提高現(xiàn)車輪表面硬度，尤其是當(dāng)磨耗到小輪徑情況時(shí)。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和深入研究發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)車輪熱處理的方式雖能提高車輪硬度，但同時(shí)車輪韌性、低溫沖擊等性能會(huì)降低，甚至不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此這一技術(shù)并不可行。采用ER8C材質(zhì)車輪的方案，需要現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試才能驗(yàn)證。因此，文中重點(diǎn)介紹通過(guò)滾壓強(qiáng)化提高車輪硬度的方案，并通過(guò)線路試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 車輪硬度滾壓強(qiáng)化原理

滾壓強(qiáng)化是通過(guò)滾壓車輪踏面，對(duì)表層材料局部加壓見(jiàn)圖10，使車輪表面發(fā)生微小的塑性變形，產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力強(qiáng)化車輪表面，提高車輪的硬度和疲勞強(qiáng)度，以增強(qiáng)車輪的耐磨性。

圖10 車輪切削和滾壓強(qiáng)化過(guò)程示意

目前國(guó)內(nèi)各動(dòng)車段采用的是U2000-400不落輪數(shù)控旋床，驅(qū)動(dòng)輪摩擦驅(qū)動(dòng)、軸箱定位方式加工輪對(duì)，輪對(duì)在車輛上無(wú)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(jié)構(gòu)可有效保證機(jī)床的精度，滾壓輪采用兩個(gè)角接觸軸承，徑向受力可達(dá)到1 000 kg。

滾壓是在輪對(duì)旋修完后進(jìn)行，將切削刀具更換為滾壓輪，按照旋修后的踏面廓形進(jìn)行滾壓。由于滾壓是以加工后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，因此滾壓精度高。由于與旋床集成，無(wú)需為滾壓?jiǎn)为?dú)進(jìn)行裝夾和測(cè)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(qiáng)化試驗(yàn)研究

采用不同滾壓力對(duì)新輪、磨耗輪和多邊形車輪進(jìn)行滾壓，研究滾壓力與滾壓后車輪硬度的關(guān)系，確定滾壓參數(shù)；研究滾壓對(duì)提升車輪硬度的效果；研究滾壓對(duì)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(huì)對(duì)車輪運(yùn)用造成影響。

3.2.1滾壓對(duì)車輪硬度提升效果

采用不同滾壓力對(duì)不同初始硬度的車輪進(jìn)行滾壓，測(cè)試車輪圓周方向40個(gè)點(diǎn)的硬度，再將所有測(cè)點(diǎn)值取平均。 滾壓后車輪硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。從統(tǒng)計(jì)結(jié)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(guān)系不大。

表3 車輪滾壓前后硬度統(tǒng)計(jì)

3.2.2滾壓對(duì)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(duì)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(dá)69 HB，滾壓后差值僅為18 HB，通過(guò)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(jiàn)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(guān)重要，在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室采用不同的方式來(lái)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(yīng)腐蝕掉鐵，對(duì)滾壓后的試驗(yàn)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(cè)量)，腐蝕完后再用里氏硬度計(jì)測(cè)每一層的布氏硬度。

試驗(yàn)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?？梢?jiàn)，試驗(yàn)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(jiàn)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(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬化學(xué)研究所對(duì)滾壓后的車輪輪輞切片，加工成試樣，對(duì)試樣進(jìn)行拋光處理，用維氏硬度計(jì)檢測(cè)滾動(dòng)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(qū)域的維氏硬度大于275 HV，受滾壓的影響；深度大于2.8 mm時(shí)，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(xiàn)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(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)分析

滾壓強(qiáng)化可提高車輪硬度和疲勞強(qiáng)度，增強(qiáng)車輪的耐磨性，但必須考慮滾壓對(duì)車輪的影響，評(píng)估車輪運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)滾壓后車輪的表面狀態(tài)、顯微組織、殘余應(yīng)力等進(jìn)行檢測(cè)及對(duì)接觸疲勞進(jìn)行分析，如圖15所示。

分析結(jié)果表明，滾壓不影響車輪踏面形狀、不會(huì)導(dǎo)致表面裂紋等缺陷，但表面粗糙度有所提高，與運(yùn)用車輪的粗糙度相當(dāng)；滾壓后的車輪顯微組織未發(fā)生變化，仍然是珠光體和鐵素體，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在零星的區(qū)域存在顯微組織分布不均現(xiàn)象，但整體均勻性優(yōu)于運(yùn)用后的車輪；滾壓可將車輪由旋修引起的拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，可提升車輪的耐磨性能。

圖15 滾壓后的車輪運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

4 車輪多邊形解決方案驗(yàn)證

根據(jù)車輪滾壓的硬度分析結(jié)果，以及多邊形與車輪硬度之間的影響關(guān)系，開(kāi)展線路運(yùn)營(yíng)考核試驗(yàn)，驗(yàn)證文中提出的車輪多邊形解決方案。在被試動(dòng)車組上，1～8車采用滾壓車輪，9-16車安裝未滾壓車輪，即滾壓和未滾壓車輪各64個(gè)。

經(jīng)過(guò)20萬(wàn)km的運(yùn)營(yíng)考核試驗(yàn)，被試列車所有車輪的多邊形測(cè)試結(jié)果如表4所示。滾壓車輪中有3個(gè)顯著多邊形，12個(gè)輕微多邊形；而未滾壓車輪有9個(gè)顯著多邊形，20個(gè)輕微多邊形?？梢?jiàn)，通過(guò)滾壓車輪，提高車輪硬度，可在一定程度上緩解車輪多邊形問(wèn)題，效用在40%～67%范圍內(nèi)。

表4 車輪滾壓前后硬度統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

文中調(diào)查了影響車輪多邊形形成的因素，分析了車輪硬度與車輪多邊形的關(guān)系，提出了相應(yīng)的解決措施，并在動(dòng)車組上進(jìn)行了線路運(yùn)用考核，得到如下結(jié)論：

(1)車輪硬度偏低和車輪圓周方向硬度不均是多邊形產(chǎn)生和發(fā)展的主要影響因素。

(2)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，不落輪旋床滾壓車輪，可提高車輪硬度，改善車輪圓周方向硬度不均問(wèn)題，不會(huì)對(duì)車輪表面狀態(tài)、顯微組織、接觸疲勞等造成影響。

(3)滾壓車輪線路運(yùn)用考核結(jié)果表明，滾壓后的車輪出現(xiàn)多邊形的比例要低于未經(jīng)滾壓的車輪，滾壓方式可在一定程度上緩解車輪多邊形問(wèn)題，效用在40%～67%范圍內(nèi)。