中國鐵路貨車車輪技術(shù)發(fā)展歷程及主要傷損分析

1、蘭州交通大學(xué)本科生課程結(jié)課大作業(yè)課程類別： （全日制本科生）課程名稱： 機(jī)車車輛新技術(shù)姓 名 李慧琳 學(xué) 號(hào) 201205141 院 系 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè) 車輛工程 題目 中國鐵路貨車車輪技術(shù)發(fā)展歷程及主要傷損分析課程論文提交時(shí)間：2016年4月5日中國鐵路貨車車輪技術(shù)發(fā)展歷程及主要傷損分析一 中國鐵路貨車車輪技術(shù)發(fā)展歷程1.我國鐵路貨車車輪技術(shù)發(fā)展1.1輾鋼車輪技術(shù)發(fā)展車輪按制造方法分，可以分為輾鋼車輪和鑄鋼車輪。輾鋼車輪是用圓錠和圓坯經(jīng)過壓軋等工序制造而成。從我國目前使用范圍看輾鋼車輪適用于機(jī)車客車和貨車。由鋼錠制成輾鋼車輪一般要經(jīng)過一次或幾次加熱及多次輾壓。 制造輾鋼車輪比直接鑄造車

2、輪要消耗更多熱能。20 世紀(jì)7 0 年代, 貨車車輪主要產(chǎn)品是按冶金部、鐵道部“兩部協(xié)議” 制造84 車輪型, 一直采用斜輻板結(jié)構(gòu)形式, 其踏面為錐形踏面,輻板為不加工的原始軋制表面，車輪輻板上設(shè)有兩個(gè)直徑為45 m m 的工藝孔。針對8 4 0 D 車輪結(jié)構(gòu)形式不能適應(yīng)鐵路貨車提速、重需要, 21t 軸重貨車S 形輻板車輪 H D S 型車輪, 在設(shè)計(jì)上徹底取消了車輪輻板孔,消除因輻板孔邊緣應(yīng)力集中所帶來的安全隱患, 比直輻板車輪具有更好的徑向彈性、更大的承載能力和更好的抗熱裂性能。2 0 0 5年, 在鐵道部科技司和運(yùn)輸局裝備部的支持下, 由鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)所、金化所、馬鞍山鋼鐵公司等單

3、位開始共同研究和制訂新的車輪技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。剖析我國現(xiàn)行車輪技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在的問題; 同時(shí)組織試驗(yàn)驗(yàn)證車輪標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)技術(shù)指標(biāo), 并將根據(jù)我國實(shí)際運(yùn)營情況提出新標(biāo)準(zhǔn)的修訂方案。1.2 鑄鋼車輪技術(shù)應(yīng)用鑄鋼車輪是用鋼水直接澆鑄而成。國內(nèi)鑄鋼車輪僅用于貨運(yùn)列車。 國外也應(yīng)用于機(jī)車和客車。與輾鋼車輪相比，鑄鋼車輪具有工藝流程短、設(shè)備工藝相對簡單、操作人員少、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)和管理成本較低的特點(diǎn)。2 0 世紀(jì)9 0 年代中期。鐵道部從美國進(jìn)口鑄鋼車輪, 選擇了當(dāng)時(shí)僅有的兩家世界著名鑄鋼車輪制造廠(美國A B C公司和美國G R IF FI N 公司) 的產(chǎn)品,一進(jìn)口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用美國A AR M 1 0 7 /

4、 20 呂標(biāo)準(zhǔn)。通過對進(jìn)口鑄鋼車輪進(jìn)行跟蹤檢測。并制定了T B / T 101 3 一1 9 9 9 碳素鑄鋼車輪技術(shù)條件，在我國開始生產(chǎn)鑄鋼貨車車輪。鐵路貨車今后發(fā)展方向是增少、 載重、降低自重。降低自重的途徑除降低車體自重外。 重要的是要降低車輛簧重量。由于車輪在輻板、輪毅等部位實(shí)現(xiàn)減重技術(shù)上難度較大。 因此參考國外技術(shù)。 將多次磨耗輪改為一次磨耗輪( 即輪惘厚度由6 5 m m 變?yōu)? 0 m m )，同時(shí)優(yōu)化了其他部位設(shè)計(jì)。2 我國鐵路貨車車輪新材料和新技術(shù)2.1 高潔凈車輪鋼工藝技術(shù)疲勞掉塊是困擾我國鐵路多年的多發(fā)性車輪故障，對行車安全構(gòu)成重要影響。其主要原因是由于車輪踏面亞表面存在

5、堆積狀脆性氧化物夾雜。隨著重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，在精煉脫氧、造渣、真空脫氣、脫硫及夾雜物控制方面進(jìn)行了深人研究和大量工藝試驗(yàn)。使鋼中夾雜物數(shù)量、尺寸、分布、種類、形態(tài)控制等方面取得了自主技術(shù)。2.2車輪鋼圓坯連鑄工藝技術(shù)長期以來我國車輪鋼采用平爐煉鋼、模鑄鋼錠。馬鞍山鋼鐵公司實(shí)現(xiàn)淘汰平爐改為轉(zhuǎn)爐煉鋼，并實(shí)現(xiàn)連鑄坯制造車輪。連鑄是煉鋼生產(chǎn)技術(shù)一個(gè)重大進(jìn)步， 有利于降低生產(chǎn)成本提高過程白動(dòng)化水平，在提高產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量卜具有不可替代的優(yōu)勢。2.3 抗早期剝離技術(shù)車輪踏面剝離是多年困擾鐵路運(yùn)用部門的重大難題。近兩年通過對車輪剝離研究， 發(fā)現(xiàn)車輪早期剝離現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，即在車輪使用過程中，新車輪使用初期( 不超

6、過一年)“ 早期剝離”的發(fā)生量很大。早期剝離發(fā)生后，經(jīng)過一次旋修后再繼續(xù)使用，在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)不會(huì)再發(fā)生剝離。根據(jù)這一規(guī)律，鐵道科學(xué)研究院聯(lián)合馬鞍山鋼鐵公司等單位積極開展研究， 取得了重要進(jìn)展。2.4 貝氏體鋼車輪2 0 0 5 年底，“貝氏體鋼車輪研究”課題通過了鐵道部科技司組織的技術(shù)審查，該車輪與現(xiàn)有車輪相比具有革命性的變化。 與現(xiàn)有C L 6 O 鋼車輪相比，車輪鋼組織由傳統(tǒng)的珠光體加鐵素體變?yōu)闊o碳化物貝氏體組織等。 含碳量大幅降低， 具有高強(qiáng)度和合理的硬度分布，韌性指標(biāo)大幅提高， 具有良好的斷裂韌性， 具有高的熱裂抗力、疲勞門檻值及裂紋擴(kuò)展抗力( 見表1, 圖l )，可以解決目前車輪出現(xiàn)

7、的剝離掉塊等損傷。 2.5 新型重載車輪目前，我國貨車的最大軸重己達(dá)到2 5 t 。但實(shí)際使用中出現(xiàn)的異常磨耗等問題已經(jīng)凸現(xiàn)出來。為適應(yīng)重載運(yùn)輸需要，2 0 0 5 年，我國鋼鐵生產(chǎn)廠商聯(lián)合鐵路研究單位和路外權(quán)威單位。參照國外( 主要是美國) 重載車輪技術(shù)，開始研制適合我國鐵路重載運(yùn)輸?shù)男滦拓涇囓囕?。目? 實(shí)驗(yàn)重載貨車車輪已于2 0 0 6 年3 月在環(huán)行鐵路試驗(yàn)線上運(yùn)用考核。2.6 新型超聲波探傷技術(shù)車輪亞表面在使用過程中是敏感區(qū)域，該部位存在的大型非金屬夾雜物是惘裂、疲勞掉塊、崩箍以及某些接觸疲勞剝離的根源。由于踏面近表面一定深度內(nèi)屬超探盲區(qū)，常規(guī)超聲波探傷不能做到全截面探查， 在內(nèi)在質(zhì)

8、量控制方面存在一定不足，有可能給產(chǎn)品使用帶來影響。3. 我國鐵路貨車車輪制造裝備的新發(fā)展我國鐵路貨車車輪在制造水平、產(chǎn)品品種、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面取得了很大進(jìn)步, 基本滿足了各個(gè)時(shí)期鐵路運(yùn)輸需要, 其中新的標(biāo)準(zhǔn)提出推動(dòng)了生產(chǎn)制造企業(yè)技術(shù)裝備的改進(jìn), 新的輪型設(shè)計(jì)解決了過去車輪存在的不足和安全隱患,同時(shí)滿足了鐵路貨車減重要求。目前,我國鐵路正面臨第六次大提速, 鐵路貨車最 高運(yùn)行速度將達(dá)到12 0 k m / h , 重載運(yùn)輸也是解決我國鐵路貨運(yùn)的重要發(fā)展方向, 這些都對貨車車輪制造裝的發(fā)展提出了更高要求。二 鐵路貨車車輪傷損分析及對策1.貨車車輪傷損的基本形式貨車車輪傷損的基本形式表現(xiàn)為踏面剝離、擦

9、傷、局部凹陷、碾寬、圓周磨耗超限及裂紋（含輻板孔裂紋）、缺損和粘有熔化金屬等7 種情況。車輪傷損的基本性能表征為外形尺寸、殘余靜不平衡、殘余應(yīng)力、化學(xué)成分、表面硬度、斷面硬度、拉伸性能、沖擊性能、金屬夾雜物、晶粒度和低倍組織等形式。1.1 圓周磨耗（磨損）超限圓周磨耗分為粘著磨耗、磨粒磨耗、表面疲勞磨耗和微動(dòng)磨耗。圓周磨耗的原因?yàn)檐囕喤c鋼軌間的磨擦。當(dāng)車輪兩端磨耗不超差時(shí)，屬于正常磨耗；當(dāng)車輪出現(xiàn)偏磨耗時(shí)，即只有一端車輪輪緣超限或車輪輪徑差超限，屬于非正常磨耗。研究表明，輪軌磨耗速度是，每走行10 萬km（1 年約走行10 萬km），磨耗約為1.0 mm。由此可見，車輪直徑從840 mm 變化

10、到760 mm，磨損并非主要原因，而主要是由于車輪傷損后的旋修所致。經(jīng)驗(yàn)表明，車輪半徑每旋修3.5 mm，輪緣將增厚1 mm。由于車輪旋修量較大，輪對平均壽命僅為45 年。因此，應(yīng)采取措施，控制輪對旋修作業(yè)，以提高車輪使用壽命。1.2 踏面剝離踏面剝離按產(chǎn)生形式分為接觸疲勞剝離、局部接觸疲勞剝離（局部凹陷）、局部擦傷剝離和制動(dòng)剝離等4 種。從危害程度上講，踏面剝離可分為輕微性和重度性2 種。1.2.1 接觸疲勞剝離當(dāng)車輪在鋼軌上高速連續(xù)滾動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生機(jī)械熱能。當(dāng)車輪處于重載時(shí)，這種機(jī)械熱能使輪軌之間的動(dòng)載荷比空載時(shí)更復(fù)雜，且載荷更大。1.2.2 局部接觸疲勞剝離（局部凹陷）局部接觸疲勞剝離（局

11、部凹陷）的形成原因主要有2種：一是在接觸疲勞剝離形成的情況下，由于車輪在運(yùn)行中的熱能轉(zhuǎn)換和（或） 輪軌接觸疲勞作用，踏面由層狀“剝落”延伸到局部或圓周上的裂紋，從而形成金屬塊狀脫落；二是由于提速貨車大部分裝用HDS，HDZ，HES，HEZ 或HDZB，HDZC，HDZD，HEZB，HEZD，HDSA 和HESA 等型車輪，這些車輪的強(qiáng)度較高，硬度較大，車輪踏面在運(yùn)用中容易變得硬脆，極易出現(xiàn)條紋狀毛細(xì)裂紋，長期運(yùn)行則會(huì)形成踏面斑狀剝離（局部凹陷）。1.2.3 局部擦傷剝離和制動(dòng)剝離國內(nèi)外車輪試驗(yàn)研究表明，車輪局部擦傷剝離和制動(dòng)剝離均由閘瓦制動(dòng)產(chǎn)生的踏面碎裂性裂紋引起。在輪軌接觸應(yīng)力作用下，摩擦熱

12、循環(huán)引起的制動(dòng)熱裂紋損傷發(fā)展到制動(dòng)剝離屬于重度踏面剝離，后果嚴(yán)重，輕則發(fā)生車輪損傷，危害車輛運(yùn)行，重則發(fā)生徑向崩輪，造成事故。制動(dòng)熱裂紋引發(fā)的車輪局部擦傷剝離和制動(dòng)剝離是當(dāng)前車輪傷損的重點(diǎn)研究方向。1.3 裂紋1.3.1 制動(dòng)熱裂紋車輪踏面裂紋的形成多數(shù)由制動(dòng)發(fā)熱引起。當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，車輪溫度升高，周向壓應(yīng)力溫度隨之升高，車輪高溫下產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)停止制動(dòng)后，車輪快速冷卻，周向拉應(yīng)力減小。車輛的頻繁制動(dòng)，造成車輪熱疲勞傷損，形成裂紋。1.3.2 疲勞裂紋如上所述，車輪熱裂紋向徑向擴(kuò)展時(shí)，會(huì)在輪軌接觸踏面1520 mm 范圍內(nèi)形成輪軌接觸剪應(yīng)力的最大分布區(qū)（輪軌接觸剪應(yīng)力是列車運(yùn)行時(shí)輪對所固有的）

13、，如果該區(qū)域存在非金屬夾雜物等冶金缺陷，裂紋源會(huì)快速成核并在剪應(yīng)力作用下促使裂紋加速擴(kuò)展，形成疲勞裂紋。1.3.3 輻板孔裂紋1998 年最后一批帶輻板孔車輪下線后停止生產(chǎn)，現(xiàn)在仍有100 多萬個(gè)帶輻板孔車輪在運(yùn)行，也就是說目前帶輻板孔輪對占總檢修數(shù)的15%左右。從車輛段修情況看，帶輻板孔的車輪大多數(shù)有裂紋，且凡有裂紋的輻板孔，裂紋對應(yīng)處總有擦傷存在。1.3.4 輪輞疲勞裂紋及掉塊由于車輪不平衡值和偏心距的存在，使車輪中心在運(yùn)行過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡呈余弦曲線，并產(chǎn)生不平衡的離心慣性力。在離心慣性力的作用下，動(dòng)反力將按運(yùn)動(dòng)速度值的平方急劇增加。當(dāng)列車在低速運(yùn)行時(shí)，動(dòng)反力對車輪的危害不是很大；當(dāng)列車運(yùn)

14、行速度較高時(shí)，動(dòng)反力所產(chǎn)生的影響就非常明顯。1.4 擦傷車輪踏面擦傷多是由于車輛在運(yùn)行過程中制動(dòng)操作不當(dāng)（緊急或其他制動(dòng)） 造成，主要有以下幾種情況：一是貨車運(yùn)行速度提升后，由于速度快、載重量大，在既有線路上運(yùn)行時(shí)，若在長大坡道上需要采取緊急制動(dòng)，很容易造成車輪擦傷；二是貨車所裝的空重車調(diào)整裝置，如果空載車輛在重車位運(yùn)行，采取緊急制動(dòng)時(shí)，因制動(dòng)力過大，容易造成空車車輪擦傷；三是新型車輪若與既有鋼軌粘著力及閘瓦摩擦系數(shù)不匹配，當(dāng)制動(dòng)力過大或出現(xiàn)抱死閘現(xiàn)象時(shí)，導(dǎo)致輪軌粘著不足，車輪沿鋼軌滑行，車輪踏面局部急劇摩擦發(fā)生熱硬化，從而產(chǎn)生擦傷。1.5 輪緣局部缺損與掉塊如果在車輪制造及加修過程中，車輪存

15、在夾雜物或輪緣焊補(bǔ)導(dǎo)致氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，或是運(yùn)用超限過薄的輪緣，當(dāng)車輛通過小半徑曲線時(shí)，鋼軌與輪緣接觸處產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，會(huì)使車輪輪緣產(chǎn)生局部缺損與掉塊。均勻輾邊，是由于輾邊處輪輞厚度明顯低于1.6 車輪輪輞輾邊及輪緣輾堆1.5.1 車輪輪輞不均勻輾邊車輪輪輞局部不其他部位厚度，造成車輪踏面橢圓型軌跡運(yùn)行，輾邊處受力過大引起。產(chǎn)生不均勻輾邊的車輪，輾邊部位斷面的硬度會(huì)明顯低于標(biāo)準(zhǔn)，且硬度分布不均。1.5.2 車輪輪輞均勻輾邊及輪緣輾堆車輪輪輞均勻輾邊及輪緣輾堆，一般由輪軌接觸應(yīng)力過大、輪軌硬度不匹配、車輪硬度和強(qiáng)度偏低等引起；少數(shù)輪輞輾邊及輪緣輾堆是受車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等因素影響所致。2. 貨車車輪傷損防范性對策（1） 為減少輪對擦傷，應(yīng)提高列車中各車輛噸位分布的均勻性，嚴(yán)禁空重車混編運(yùn)行，并加強(qiáng)列檢對空重車調(diào)整裝置位置的檢查確認(rèn)。為減少車輪圓周磨耗，應(yīng)避免車輛長期在同一線路上運(yùn)行，細(xì)化并落實(shí)站場調(diào)車作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。（2） 優(yōu)化車輪輪型，盡快淘汰輻板孔車輪，以滿足高速、重載條件下的裝車要求。車輪制造廠在改進(jìn)車輪制造技術(shù)及加工工藝時(shí)，應(yīng)考慮車輪傷損因素，加強(qiáng)車輪鋼中夾雜物和氫含量的控制。（3） 當(dāng)車輪踏面及輪緣出現(xiàn)裂紋、缺