HXD3C型電力機(jī)車車輪輪輞裂紋原因分析及擴(kuò)展研究

姜 濤， 沈 彤， 林景東

(中車大連機(jī)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(jī)車運(yùn)用過(guò)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(jìn)一步擴(kuò)展，延展至車輪輪輞表面或踏面表面，可能引發(fā)車輪材料崩落，從而引發(fā)鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩詥?wèn)題。尤其是在中國(guó)鐵路有著龐大應(yīng)用數(shù)量的和諧型電力機(jī)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(diǎn)，輪周牽引力較大，對(duì)輪輞裂紋問(wèn)題尤為關(guān)注。

以HXD3C型電力機(jī)車為例，曾在檢修中發(fā)現(xiàn)某車輪出現(xiàn)輪輞裂紋故障，如圖1所示；另外，有些車輪在定期進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)在車輪踏面一定深度處存在面積型缺陷，根據(jù)在役運(yùn)用的HXD3C機(jī)車數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，這些輪輞缺陷均在機(jī)車走行較長(zhǎng)里程(車輪服役超過(guò)22萬(wàn)km)時(shí)發(fā)現(xiàn)，缺陷全部出現(xiàn)在距離踏面約10～20 mm的輪輞內(nèi)部，隨著機(jī)車的運(yùn)用，受輪軌間循環(huán)接觸應(yīng)力的作用，可能誘發(fā)這些缺陷由內(nèi)向外擴(kuò)展。

圖1 輪輞裂紋

目前僅能通過(guò)嚴(yán)格控制車輪質(zhì)量，定期對(duì)服役車輪進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，來(lái)降低輪輞裂紋發(fā)生的概率，但效果有限。一但輪輞裂紋產(chǎn)生后，需要確保機(jī)車車輪輪輞裂紋故障在進(jìn)一步擴(kuò)展前得到有效的處理，從而避免嚴(yán)重事故的發(fā)生。因此有必要進(jìn)行車輪輪輞裂紋產(chǎn)生的原因分析，并開(kāi)展?jié)L動(dòng)疲勞擴(kuò)展的相關(guān)研究來(lái)確認(rèn)。以從HXD3C型電力機(jī)車采集到的輪輞缺陷及故障為樣本開(kāi)展相關(guān)研究分析。

1 原因分析

對(duì)這些出現(xiàn)缺陷HXD3C型電力機(jī)車車輪進(jìn)行源產(chǎn)信息追溯和材料特征值總結(jié)，從原材料到供貨的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程均可追溯，并復(fù)查了材料相關(guān)特性，未發(fā)現(xiàn)異常情況。車輪裝車前，無(wú)損檢測(cè)合格率100%，車輪未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部疑似缺陷，完全符合出廠要求。

為進(jìn)一步分析原因，將圖1所示車輪進(jìn)行宏觀形貌分析，打開(kāi)后的裂紋宏觀形貌如圖2所示。裂紋打開(kāi)后的耦合表面可見(jiàn)，該裂紋源位于輪輞約中部位置，在一個(gè)直徑約為10 mm的區(qū)域內(nèi)，經(jīng)測(cè)量，其在踏面下深度約14 mm，距輪輞外側(cè)面約68 mm。圍繞裂紋源一周可見(jiàn)有明顯的疲勞擴(kuò)展條紋。此外，圖2中在上耦合表面上還可見(jiàn)若干裂紋，這些裂紋是由于輪輞內(nèi)部裂紋形成后，該區(qū)域所對(duì)應(yīng)的車輪踏面在車輪運(yùn)行過(guò)程中受鋼軌碾壓所致。根據(jù)宏觀觀察可以確定車輪裂紋表面具有疲勞擴(kuò)展特征，裂紋源位置明顯。輪輞裂紋(輞裂)屬疲勞斷裂性質(zhì),見(jiàn)圖3～圖4。

圖2 裂紋打開(kāi)后的宏觀形貌

通過(guò)對(duì)輪輞裂紋車輪進(jìn)行全面相關(guān)檢測(cè)，可以確認(rèn)：

(1)材質(zhì)機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果滿足相關(guān)要求

(2)化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果滿足對(duì)應(yīng)的車輪材質(zhì)要求

(3)酸浸檢驗(yàn)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的缺陷

(4)晶粒結(jié)構(gòu)滿足相應(yīng)的材料及熱處理工藝的要求

但是純凈度檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)大小”的非金屬夾雜物超探檢測(cè)發(fā)現(xiàn)明顯的踏面下材料剝離現(xiàn)象疲勞裂紋(踏面下材料剝離)的源頭是一個(gè)由硫化鈣構(gòu)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(cè)

圖4 超探缺陷部位評(píng)定

通過(guò)上述檢驗(yàn)，可以明確，輪輞裂紋產(chǎn)生的原因是由于輪輞內(nèi)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(yīng)力作用，裂紋疲勞擴(kuò)展造成。

非金屬夾雜主要是指鋼鐵熔煉時(shí)產(chǎn)生的硫化物和氧化物。其數(shù)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(nèi)壁的一小部分，也可能來(lái)自必要的脫氧工藝。盡管現(xiàn)今的煉鋼采用了先進(jìn)的冶金工藝，仍然不能完全避免鋼水中產(chǎn)生的氧化物夾雜。

車輪生產(chǎn)過(guò)程中，檢驗(yàn)微觀純凈度是一種破壞性的材料試驗(yàn)，因此只能進(jìn)行抽樣檢測(cè)。也就是說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)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(qū)域，則不能在檢測(cè)微觀純凈度時(shí)被發(fā)現(xiàn)。

目前對(duì)車輪內(nèi)部缺陷有效的無(wú)損檢測(cè)方式是超聲波探傷，即利用超聲波在不同介質(zhì)中反射回波差異，獲得內(nèi)部缺陷位置和大小的信息，其中缺陷的大小常用當(dāng)量尺寸表示，即自然缺陷與標(biāo)準(zhǔn)缺陷進(jìn)行反射回波差異比較，從而確定內(nèi)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(duì)結(jié)果的影響，往往會(huì)根據(jù)材料特性在檢測(cè)前設(shè)定一定的增益分貝數(shù)值。

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

2 輪輞裂紋滾動(dòng)疲勞擴(kuò)展試驗(yàn)研究

2.1 研究目的

由于目前尚無(wú)有效控制手段杜絕輪輞裂紋的產(chǎn)生，僅能通過(guò)嚴(yán)格控制質(zhì)量來(lái)降低輪輞裂紋發(fā)生的概率，且效果有限。一但輪輞裂紋產(chǎn)生后，能否確保車輪的探傷周期可以保證車輪的安全運(yùn)用。有必要對(duì)輪輞裂紋的擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行研究，為制定在役機(jī)車車輪無(wú)損檢測(cè)技術(shù)條件提供科學(xué)依據(jù)。試驗(yàn)研究主要包括虛擬線路構(gòu)造、試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)和載荷工況計(jì)算，基于高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)的車輪踏面外形磨耗和車輪踏面表面硬度檢測(cè)，車輪踏面表面缺陷尺寸測(cè)量和內(nèi)部缺陷探傷等內(nèi)容。

2.2 試驗(yàn)研究方案及方法

利用帶有缺陷的機(jī)車輪對(duì)在高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行輪軌滾動(dòng)接觸而疲勞試驗(yàn)見(jiàn)圖5，獲得機(jī)車車輪輪輞疲勞裂紋隨運(yùn)行里程增加的擴(kuò)展速度及擴(kuò)展規(guī)律。機(jī)車車輪輪輞疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表1所示。

表1 HXD3C機(jī)車車輪輪輞疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

圖5 高速輪軌試驗(yàn)臺(tái)和試驗(yàn)輪對(duì)

為了綜合研究在試驗(yàn)工況條件下機(jī)車車輪缺陷的形態(tài)變化，在有自然缺陷的車輪的輪輞內(nèi)部還預(yù)制了人工缺陷。

2.3 車輪缺陷的初始狀況

經(jīng)試驗(yàn)前的超聲探傷，確認(rèn)試驗(yàn)機(jī)車車輪初始缺陷如下：

(1) 右輪

該車輪共有2個(gè)輪輞內(nèi)部自然缺陷、4個(gè)輪輞內(nèi)部人工缺陷。

① 輪輞內(nèi)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(zhǎng)度約為8 mm，最高反射波φ2-18 dB。2個(gè)缺陷如圖6所示。

圖6 車輪輪輞內(nèi)部自然缺陷的幾何尺寸和位置

② 輪輞內(nèi)部人工缺陷

在試驗(yàn)車輪輪輞內(nèi)部預(yù)制的4個(gè)人工缺陷如圖7

圖7 車輪輪輞內(nèi)部人工缺陷的位置示意圖

所示。4個(gè)人工缺陷為2個(gè)橫孔，2個(gè)斜向平底孔。橫孔編號(hào)為31#和36#，直徑均為φ10，如圖7(a)所示；斜向平底孔編號(hào)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(nèi)部缺陷，其中14處點(diǎn)狀缺陷，1處面缺陷，均小于φ2 mm平底孔當(dāng)量，如圖8所示。

圖8 車輪輪輞內(nèi)部缺陷尺寸及位置圖

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分析

隨運(yùn)行里程的增加，機(jī)車輪輞缺陷的幾何尺寸和缺陷當(dāng)量的變化情況如下：

(1) 右輪

① 輪輞內(nèi)部自然缺陷

運(yùn)行里程達(dá)到2萬(wàn)km 時(shí)，1#面積狀缺陷的長(zhǎng)度未變，寬度稍有擴(kuò)展，到3.5 萬(wàn)km時(shí)，缺陷指示范圍寬度已從4 mm擴(kuò)展到5 mm，但從超聲測(cè)量誤差的角度看，這個(gè)擴(kuò)展距離可視為未擴(kuò)展；2#條狀缺陷的長(zhǎng)度未變。輪輞內(nèi)部自然缺陷的尺寸變化如圖9所示。

圖9 缺陷尺寸隨運(yùn)用里程的變化

② 輪輞內(nèi)部人工缺陷

在缺陷探傷的誤差范圍內(nèi)，4 個(gè)人工缺陷最高反射波基本無(wú)變化，說(shuō)明未擴(kuò)展。輪輞內(nèi)部人工缺陷當(dāng)量變化如圖10所示，因缺陷隨運(yùn)用里程無(wú)變化，故圖10中以更為直觀的超聲波反射高度變化量隨運(yùn)用里程變化表示。

圖10 缺陷反射波高度變化量隨運(yùn)用里程的變化

(2) 左輪

由于在試驗(yàn)過(guò)程中圖8所示的車輪輪輞的5#、6#、9#自然缺陷的探傷數(shù)據(jù)有漏項(xiàng)，故略去這些缺陷的探傷結(jié)果。

圖11是隨試驗(yàn)里程車輪輪輞自然缺陷反射波高度的變化情況，11 個(gè)點(diǎn)狀缺陷和1 個(gè)面缺陷的反射波高變動(dòng)均在±2 dB左右，這些是在超聲探傷的誤差范圍內(nèi)。除個(gè)別里程的探傷結(jié)果外，絕大部分是在±2 dB以內(nèi)，這表明在試驗(yàn)過(guò)程中車輪輪輞自然缺陷均未出現(xiàn)明顯的擴(kuò)展現(xiàn)象。

圖11 缺陷反射波高度變化量隨試驗(yàn)里程的變化

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)利用高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)對(duì)HXD3C機(jī)車含有內(nèi)部缺陷裂紋的機(jī)車車輪對(duì)進(jìn)行輪輞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)、踏面表面硬度、踏面磨耗以及輪輞探傷的試驗(yàn)結(jié)果及其分析得到：

(1)輪軌滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)過(guò)程中的試驗(yàn)速度，左、右輪垂向力，輪對(duì)橫移量以及輪對(duì)搖頭角的變化規(guī)律滿足輪輞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的要求。

(2)在試驗(yàn)工況下，右輪運(yùn)行里程達(dá)到5 萬(wàn)km 時(shí)，1#面積狀缺陷的長(zhǎng)度未變，寬度稍有擴(kuò)展，到3.5萬(wàn)km 時(shí)，缺陷指示范圍寬度已從4 mm擴(kuò)展到5 mm；其他輪輞內(nèi)部缺陷，包括點(diǎn)狀自然缺陷、面積狀缺陷、條狀缺陷和人工缺陷，均未出現(xiàn)可檢出的擴(kuò)展。

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

綜上所述，在輪輞裂紋擴(kuò)展研究試驗(yàn)中并未獲得車輪缺陷隨運(yùn)用里程擴(kuò)展的直觀結(jié)果，但這并不說(shuō)明車輪缺陷不會(huì)在實(shí)際運(yùn)用中出現(xiàn)擴(kuò)展，因?yàn)檫@與車輪實(shí)際運(yùn)用結(jié)果不符，其未擴(kuò)展的原因可能與試驗(yàn)工況加載和實(shí)際運(yùn)用工況的差異，缺陷的形狀、成分、位置差異等其他因素有關(guān)，尚需進(jìn)一步深入研究。

3 結(jié) 論

通過(guò)上述分析，可知在車輪的材質(zhì)選型、車輪強(qiáng)度及機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能等均符合機(jī)車技術(shù)規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，HXD3C型電力機(jī)車車輪輞裂的產(chǎn)生是由車輪材質(zhì)中的非金屬夾雜物、車輪的載荷狀態(tài)、輪軌的實(shí)際接觸應(yīng)力等因素的綜合作用誘發(fā)的。

通過(guò)對(duì)有輪輞裂紋的車輪數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)論，在試驗(yàn)工況下，裂紋的擴(kuò)展速度是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，在其進(jìn)一步擴(kuò)展前通過(guò)探傷發(fā)現(xiàn)，使得故障車輪能夠及時(shí)更換，從而保障機(jī)車的安全運(yùn)營(yíng)。

另外，由于試驗(yàn)條件和里程的限制，筆者認(rèn)為在本研究的基礎(chǔ)上，還可以繼續(xù)開(kāi)展以下深入研究：

(1)結(jié)合實(shí)際HXD3C機(jī)車出現(xiàn)的輪輞裂紋實(shí)際情況，試驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)由于受試驗(yàn)里程限制而沒(méi)有出現(xiàn)擴(kuò)展，可能會(huì)隨著試驗(yàn)里程增加而出現(xiàn)擴(kuò)展，可繼續(xù)增加試驗(yàn)的里程，觀察缺陷的擴(kuò)展規(guī)律。

(2)不同類型的非金屬夾雜物膨脹系數(shù)，彈性模量等參數(shù)均存在一定差異，可開(kāi)展不同類型非金屬夾雜物對(duì)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(chǎn)生的危險(xiǎn)因?yàn)樗軕?yīng)力的差異，其臨界值并非完全一樣，可以結(jié)合試驗(yàn)及實(shí)際機(jī)車車軸重量、牽引力等參數(shù)，對(duì)不同缺陷的臨界值進(jìn)行研究。