摘要：针对CRH3型动车组一级修时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、缺陷处理并提出了预防控制措施。

关键词：CRH3型动车组；车轮故障；原因分析；缺陷处理；预防措施
　　中图分类号：U264 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 04-0147-02

一、故障概况
　　CRH3型动车组投入运用以来，多次发生车轮踏面故障。CRH380B-6435L动车组进行一级检修时发现00车1轴轮对（轮对号：M12291）上行左侧车轮踏面存在15×7×1mm的缺陷，如图1所示。
　　对该故障轮对车轮进行镟修，镟修前测量轮径值为917.69mm，第一次进刀镟修完成后，轮径值为915.27mm，镟修发现该故障轮对踏面出现8处缺陷，如图2所示。
　　对该故障轮对车轮第二次进刀镟修，镟修后轮径值为911.97mm，但该故障轮对踏面仍有2处缺陷未消除如图3。
　　对该故障轮对车轮进行第三次进刀镟修，镟修后轮径值为908.97mm，还剩一处缺陷，缺陷长18mm，深不到1mm。对该故障轮对车轮进行第四次进刀镟修，镟修后轮径值为906.86mm，至此，总共镟修了10.83mm轮径，缺陷才消除。

二、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落轮旋修或打磨等处理措施，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，轮轨接触面间发出具大噪声，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。
　　近年来统计发现各路局均有类似情况发生，并且发生几率比较大的是头车第一二个轮对，其它轮对发生的非常小。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。
　　（一）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的区域见图4。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。
　　（二）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：
　　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。2012年发生的3起缺陷轮对均出现在动车组的头车位置，而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见图5。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.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
　　（三）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的EN13262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。

三、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。剥离严重不能消除时需更换轮对。

四、减缓车轮踏面剥离的措施
　　（1）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。
　　（2）加强车轮探伤技术，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。
　　（3）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。建议在日常、一、二级检修中增加踏面表面外观检查。如有异常，则需进行进一步超声波检测。
　　[作者简介]李昊然（1991.9.8-），男，河北省唐山人，大学在读；李洪志（1965.2.24-），男，河北省唐山人，唐山轨道客车有限责任公司，工程师。