機(jī)砂品質(zhì)對大功率機(jī)車車輪踏面剝離的影響

何鵬，劉玉龍

（1. 中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 機(jī)務(wù)部，甘肅 蘭州 730000；2. 中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 車輛部，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

和諧型機(jī)車額定功率較大，通常稱為大功率機(jī)車；機(jī)車功率的發(fā)揮主要依靠良好的黏著條件來實現(xiàn)。而黏著條件與機(jī)車構(gòu)造特性、牽引質(zhì)量、線路條件、天氣狀況等因素密切相關(guān)。當(dāng)牽引/制動力加載過大時，在一定條件下輪對會發(fā)生空轉(zhuǎn)/滑行，導(dǎo)致踏面擦傷或失圓[1-2]；擦傷部位組織呈馬氏體結(jié)構(gòu)且極易發(fā)展為剝離；同時和諧型機(jī)車進(jìn)口車輪硬度較輪箍鋼HB值低80～100，也是易產(chǎn)生失圓、擦傷、剝離的一個重要因素。這些因素大都是機(jī)車構(gòu)造和運(yùn)用條件問題，在現(xiàn)場工作層面較難改變。

2011年11月，蘭州西機(jī)務(wù)段配屬HXD1C型機(jī)車198臺，該型機(jī)車車輪踏面剝離鏇修共發(fā)生132臺次（108臺），占配屬總數(shù)的54.6%；除日常鏇修外，庫內(nèi)扣修返廠機(jī)車36臺，大量、高頻的返修導(dǎo)致機(jī)車趴窩、供應(yīng)緊張。因此，對該型機(jī)車車輪踏面剝離原因進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研。

1 現(xiàn)場調(diào)研

1.1 車輪踏面檢查

現(xiàn)場調(diào)研時，HXD1C0350機(jī)車正在進(jìn)行踏面鏇修作業(yè)，在已經(jīng)鏇修一刀且光亮的滾動圓表面發(fā)現(xiàn)了嵌入踏面的砂粒；整備線檢查HXD1C型機(jī)車車輪踏面狀態(tài)，機(jī)車車輪踏面不同程度存在密集麻點(diǎn)（見圖1）。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)：存在麻點(diǎn)的車輪集中在裝有砂管的1、3、4、6位輪對，且有的在踏面滾動圓處已經(jīng)發(fā)展為剝離（見圖2）。這種麻點(diǎn)即壓痕的典型特征分布于車輪踏面整個滾動圓周向，大小不等且相對密集，符合砂粒作用特征?？梢源_定這種麻點(diǎn)是機(jī)車撒砂時砂粒瞬間作用于高速運(yùn)動的車輪踏面形成的創(chuàng)傷，創(chuàng)傷較深的麻點(diǎn)周圍極易形成龜裂，在較大應(yīng)力作用下加速了車輪踏面剝離的發(fā)展。因此，機(jī)車用砂品質(zhì)是導(dǎo)致車輪踏面非正常剝離的一個因素。

圖1 踏面密集的麻點(diǎn)

圖2 麻點(diǎn)在踏面滾動圓處發(fā)展為剝離

1.2 使用機(jī)砂調(diào)研分析

和諧型機(jī)車投入使用前，該機(jī)務(wù)段機(jī)車用砂多為紅色自然河砂（見圖3），車輪踏面基本沒有圖1所示的壓痕，踏面剝離問題并不突出。這與直流機(jī)車功率偏小、輪箍鋼硬度較高、河砂硬度低且粒度較小不無關(guān)系。和諧型機(jī)車投入使用后要求機(jī)車用砂為石英砂（SiO2），主要從砂子耐磨程度、增黏效果方面作了考慮，石英硬度為7，性脆，相對密度2.54～2.63[3]。早期對石英砂的品質(zhì)并未作明確要求，機(jī)務(wù)段使用的石英砂大多為石英礦石破碎而成（見圖4）。這種機(jī)砂的外形特征為多菱角非自然顆粒，存在尖角且顆粒偏大（粒徑多為2～4 mm），也存在粒徑＞4 mm的情況，這就造成砂管下砂困難，踏面形成創(chuàng)傷性麻點(diǎn)也就不難理解。

1.3 采取措施及效果

通過以上調(diào)研，首先盡可能對新投入使用的機(jī)車采取踏面早期鏇修（2萬～5萬km）以預(yù)防踏面剝離；其次是將白色石英礦砂更換為原來使用的紅色自然河砂，減小砂子對車輪踏面?zhèn)麚p程度。采取上述措施后，車輪踏面慣性剝離問題明顯降低，不僅保證了機(jī)車正常供應(yīng)，同時延長了車輪使用壽命。調(diào)研說明：機(jī)車用砂品質(zhì)與車輪踏面剝離存在一定關(guān)聯(lián)，必須高度重視。

2018年初，紅色自然機(jī)砂的供應(yīng)商受環(huán)保治理限制不能正常供應(yīng)，機(jī)車用砂再次變更為白色石英砂，按標(biāo)準(zhǔn)要求降低了粒度。由于2011年采用白色石英砂負(fù)面效果很大，進(jìn)行深層次機(jī)車用砂篩選與調(diào)研從而減小砂子對車輪踏面的傷損程度顯得尤為重要。

2 調(diào)研檢測

機(jī)車裝配撒砂裝置作用是彌補(bǔ)特殊條件下黏著不足的缺陷，在一定范圍內(nèi)增強(qiáng)輪軌間摩擦系數(shù)，最大限度發(fā)揮增黏效果及牽引動力，同時也要保持車輪踏面不能傷損。因此機(jī)車用砂品質(zhì)應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范。

機(jī)車用砂實質(zhì)上是一種石材。石材是指從沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖三大巖系的天然巖體中開采出巖石，經(jīng)過加工、整形而成各種形狀材料的總稱[4]。礦物按照莫氏硬度等級分為1滑石、2石膏、3方解石（多數(shù)大理石）、4螢石、5磷灰石、6正長石、7石英、8黃玉、9剛玉、10金剛石。硬度等級越高越堅硬，但硬度值并非絕對硬度，而是按照硬度順序表示的相對值。

2.1 鐵標(biāo)對機(jī)車用砂的要求

TB/T 3254—2011附錄A對機(jī)車用砂提出了規(guī)范性要求[5]。

附錄A.1重力式撒砂裝置用砂子：砂子形狀應(yīng)盡可能不規(guī)則；顆粒大小分布（按質(zhì)量）應(yīng)符合規(guī)范要求（見表1）。

圖3 紅色自然河砂

圖4 白色石英礦砂

表1 附錄A.1規(guī)定砂子顆粒大小分布

附錄A.2壓差式撒砂裝置用砂子：

（1）砂子用的原材料應(yīng)為礦井、河流和湖泊或巖石碎砂的自然顆粒。

（2）砂子形狀應(yīng)盡可能不規(guī)則，顆粒大小分布（按質(zhì)量）應(yīng)符合規(guī)范要求（見表2）。

（3）化學(xué)成分和物理性能要求：①砂子中SiO2含量應(yīng)大于90%；②砂子不應(yīng)有可見泥土、鐵屑或有機(jī)雜質(zhì)；③砂子應(yīng)經(jīng)過干燥處理，干燥處理后含水量應(yīng)小于0.5%；④砂子硬度應(yīng)大于5（莫氏硬度）；⑤砂子的灼燒損失應(yīng)小于0.2%；⑥砂子的干燥顆粒密度應(yīng)大于2.5 g/cm3，松散容積密度應(yīng)大于1.5 g/cm3。

附錄A.2規(guī)定了機(jī)車用砂的主要成分為SiO2（石英砂），其硬度比自然河砂、湖砂高；因此對結(jié)構(gòu)粒度做了更為細(xì)致的規(guī)定，其最大直徑d的范圍應(yīng)2.0 mm＜d≤2.5 mm，所占比例（按質(zhì)量）＜5%；這一標(biāo)準(zhǔn)相對附錄A.1更完善一些，但砂子原材料河/湖砂SiO2含量很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，而礦井、巖石碎砂成品非自然顆粒；沒有規(guī)定硬度標(biāo)準(zhǔn)上限，若按等級6掌握，SiO2含量很難滿足要求；同時由于礦料采集困難、加工工序復(fù)雜，必然導(dǎo)致使用成本升高。附錄A.1對砂子的理化指標(biāo)沒有提出要求。

2.2 調(diào)研篩選

目前，石英自然粒砂市面上較少，和諧型機(jī)車使用的砂子大多為石英礦砂，這種機(jī)砂是將石英礦石（見圖5）加水破碎后進(jìn)行初選，烘（曬）干后再按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定目數(shù)按不同等級篩選，篩選所得見圖6。

同樣是機(jī)車用砂，TB/T 3254—2011附錄A.1和附錄A.2標(biāo)準(zhǔn)由于撒砂裝置結(jié)構(gòu)不同，對砂子質(zhì)量要求差異較大。附錄A.1沒有明確要求機(jī)車用砂來源、理化性能，砂子顆粒粗大，現(xiàn)場操作易產(chǎn)生偏差。如果按照附錄A.1的要求，砂子最大直徑2.8 mm＜d≤4.0 mm所占比例（按質(zhì)量）＜10%選用了硬度較高的石英砂，顆粒越大、抗擊強(qiáng)度越高，必然會對車輪踏面造成創(chuàng)傷，形成麻點(diǎn)，麻點(diǎn)會進(jìn)一步發(fā)展為剝離。

在對上述情景進(jìn)行分析后，分別對外局6個機(jī)務(wù)段的機(jī)車用砂情況進(jìn)行了調(diào)研及分析，同時查看了機(jī)車車輪踏面狀況，采集了相關(guān)機(jī)務(wù)段的機(jī)車用砂標(biāo)本。

調(diào)研表明：用粒度為20～30目自然石英礦砂，機(jī)車車輪踏面光亮、基本無麻點(diǎn)（見圖7），且機(jī)車車輪踏面剝離很少；用粒度較粗大的石英礦砂（2.8 mm＜d≤4.0 mm時，車輪踏面不同程度存在壓痕、麻點(diǎn)（見圖8）；同時也有反饋表示使用粒度較大石英砂的機(jī)車車輪踏面剝離現(xiàn)象相對嚴(yán)重。

2.3 檢測分析

對使用效果較好的3個樣品標(biāo)本：外局1個樣品（樣1）、局內(nèi)2個樣品（樣2現(xiàn)用、樣3擬用），送甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院實驗室進(jìn)行理化指標(biāo)及顆粒度檢測分析，結(jié)果見表3、表4。

圖5 石英礦石

圖6 篩選后的機(jī)砂

圖7 車輪踏面光亮、基本無麻點(diǎn)

圖8 車輪踏面不同程度存在麻點(diǎn)

表2 附錄A.2規(guī)定砂子顆粒大小分布

理化指標(biāo)及顆粒度檢測分析結(jié)果表明：送檢的1號樣品機(jī)砂形狀符合標(biāo)準(zhǔn)要求且無尖角（見圖9）；粒度范圍為2.0～1.2 mm的顆粒占72.70%，1.2～0.5 mm的占27.00%，2種粒度之和為99. 70%，相比標(biāo)準(zhǔn)要求更為合理；SiO2含量為99.21%，高于標(biāo)準(zhǔn)要求；含泥土量1.10%，肉眼不可見，其他各項指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。硬度等級較高的Fe2O3、Al2O3分別為0.031%和0.261%，合計占比0.292%，從車輪踏面情況來看，這2種成分比例較小沒有構(gòu)成影響。

送檢的另2種樣品機(jī)砂表面呈多菱角形、存在尖角、非自然顆粒狀，屬礦石破碎而成（見圖10）；粒度范圍2.0～1.2 mm占64.84%和51.90%、1.2～0.5 mm的占32.00%和47.80%，2種粒度之和分別為96.84%和99.70%，基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求；SiO2含量分別為95.980%和89.350%（該樣品不合格）；含泥土量分別為0.360%和2.380%，肉眼不可見；其他技術(shù)指標(biāo)基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。硬度等級較高的Fe2O3、Al2O3（標(biāo)準(zhǔn)沒有明確）含量分別為0.284%、0.183%（標(biāo)準(zhǔn)沒有明確）和2.250%、7.200%，這2種金屬氧化物的合計占比分別為2.534%和7.383%，是1號樣砂的8.7倍和25.2倍。

圖9 和諧型機(jī)車用砂樣品1

圖10 和諧型機(jī)車用砂樣品2

表3 砂子樣品理化成分檢測數(shù)據(jù)[6]

表4 砂子樣品粒度分析數(shù)據(jù)[7]

現(xiàn)場調(diào)研還表明：機(jī)砂質(zhì)量是否適應(yīng)和諧型機(jī)車使用要求，不僅要看技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定是否合理，樣砂檢測分析結(jié)果是否達(dá)標(biāo)，關(guān)鍵還要看車輪踏面是否存在創(chuàng)傷麻點(diǎn)。正在使用的2號機(jī)砂除存在硬度等級較高的Fe2O3、Al2O3為1號樣砂的8.7倍外，其余指標(biāo)差別不大，但車輪踏面?zhèn)麚p卻大不相同（見圖11、圖12）。Al2O3，礦物名稱為剛玉，硬度9級，說明硬度等級較高的金屬氧化物增多，導(dǎo)致機(jī)砂硬度攀升，機(jī)砂硬度對車輪踏面?zhèn)麚p的影響相對嚴(yán)重。但該段機(jī)車車輪踏面剝離并不嚴(yán)重，這與機(jī)砂粒度選擇＜2 mm、砂子對車輪踏面造成的創(chuàng)傷在表層沒有形成龜裂不無關(guān)系。

2.4 基本結(jié)論

通過以上調(diào)研、檢測、分析及現(xiàn)場寫實得出：砂子的硬度、粒度、來源及化學(xué)成分對機(jī)車使用影響較大；選擇適應(yīng)和諧型機(jī)車使用條件的機(jī)砂是防范大功率機(jī)車車輪踏面因創(chuàng)傷形成麻點(diǎn)發(fā)展為非正常剝離的有效途徑。

3 標(biāo)準(zhǔn)修改建議

在TB/T 3254—2011基礎(chǔ)上，有必要將調(diào)研、寫實、檢測取得的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)納入鐵標(biāo)，進(jìn)一步完善機(jī)車用砂標(biāo)準(zhǔn)，大力減小撒砂對機(jī)車車輪的損傷。

圖11 HXD1C0370機(jī)車車輪踏面

圖12 HXD1C0375機(jī)車車輪踏面

3.1 一般性河流、湖泊、礦井自然顆粒（非石英砂）

相關(guān)化學(xué)成分和物理性能要求：

（1）砂子形狀應(yīng)盡可能不規(guī)則，顆粒大小分布（按質(zhì)量）應(yīng)基本符合表5所示粒度范圍要求；

（2）砂子不應(yīng)有可見的泥土、鐵屑或其他雜物；

（3）砂子應(yīng)經(jīng)過干燥處理，干燥處理后含水量應(yīng)小于0.6%；

（4）砂子中硬度等級較高的Fe2O3、Al2O3含量應(yīng)不大于1.0%；

（5）適用于重力式撒砂裝置。

3.2 自然石英砂和石英礦料加工砂

機(jī)車用砂首選自然石英砂，砂子形狀應(yīng)盡可能不規(guī)則，顆粒大小分布（按質(zhì)量）應(yīng)基本符合表6所示要求；如果貨源不足、供貨困難，選用石英礦料做加工砂時，應(yīng)采用烘干工藝并密切關(guān)注車輪踏面狀態(tài)，必要時抽樣做理化指標(biāo)檢測。

表5 砂子顆粒大小分布

表6 砂子顆粒大小分布

相關(guān)化學(xué)成分和物理性能要求：

（1）砂子中SiO2含量應(yīng)大于90.0%；

（2）砂料中硬度等級較高的Fe2O3、Al2O3含量應(yīng)不大于1.0%；

（3）砂子不應(yīng)有可見泥土、鐵屑或有機(jī)雜質(zhì)；

（4）砂料應(yīng)經(jīng)過干燥處理，干燥后含水量應(yīng)小于0.5%；

（5）砂子硬度范圍應(yīng)在5＜莫氏硬度＜7；

（6）砂子的灼燒損失小于0.2%；

（7）砂子干燥顆粒密度應(yīng)大于2.5 g/cm3，松散容積密度應(yīng)大于1.5 g/cm3；

（8）適用于壓差式撒砂裝置。

3.3 采購招標(biāo)

每批機(jī)砂采購招標(biāo)時，機(jī)砂供應(yīng)商應(yīng)提供本標(biāo)準(zhǔn)要求指標(biāo)的第三方檢測、分析報告原件、招標(biāo)方復(fù)印件留作存根作為機(jī)砂符合要求的依據(jù)。