车轮踏面擦伤技术分析

摘要:本文针对铁路车辆在运用过程中，车轮踏面发生擦伤后，在表面形成裂纹源，是导致影响行车安全的隐患。对产生的原因进行了阐述和技术分析。

关键词:铁路 车辆 轮对 擦伤

铁路车辆在运行过程中，踏面擦伤是影响行车安全的危险因素之一。因为踏面擦伤后，在车轮圆周方向上形成局部凹下，车辆在运行时，车轮就会产生局部跳动，这样对轴承的危害很大，极易产生热轴。同时踏面擦伤处，极易形成产生裂纹，对车轮危害也很大。下面对车轮形成擦伤及剥离产生的原因进行分析。

对于碳素钢车轮，从耐磨性、接触疲劳强度方面考虑，高碳为好，但材料抵抗热损伤型剥离、内部疲劳裂纹扩展的能力较差，而低碳则相反，因此，碳素钢无法在车轮各项使用性能之间作出良好的协调。当车轮擦伤后，丧失其应有的全部或部分功能时，车轮既失去了原有部分性能。

磨耗、磨损也是丧失其应有的全部或部分功能。磨损包括：粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、微动磨损。影响磨耗的因素：车量吨位、车轮外形、车轮材质。

车轮表面擦伤，是由于车轨是高锰钢，而车轮为CL60碾钢轮，车轮强度远低于铁轨强度。在车辆运行过程中或制动时，车轮踏面与铁轨直接接触，极易产生磨耗或表面擦伤。而产生擦伤后，由于热影响，在车轮擦伤部位表面形成一层硬层，金相组织发生变化，擦伤处形成马氏体，从而变成又脆又硬，产生裂纹脱落，影响行车安全。

在车轮接触面下一定深度范围（一般在轮轨接触踏面下10～15mm左右）处，存在较大尺寸的链状夹杂物是产生裂纹萌生的主要原因。列车运行时，在车轮接触面下一定深度范围是轮轨接触剪应力最大分布区，如该区域存在有非金属夹杂等冶金缺陷，则夹杂物在剪应力作用下会成为疲劳裂纹源和疲劳扩展，轮轨接触剪应力是列车运行时轮对所固有的，当裂纹源形成并在剪应力作用下，促使裂纹萌生时，列车运行速度越快，裂纹扩展也将越快(图1)。

踏面剥离

图1 图2

由摩擦热循环引起的热疲劳损伤为剥离”

接触疲劳剥离是由于轮轨接触面在轮轨接触应力作用下，导致踏面表层金属塑性变形及疲劳裂纹萌生和发展的破坏方式。

车辆车轮在运用中由于热机械作用和（或）轮轨接触疲劳作用会在踏面局部或圆周上产生裂纹萌生和金属剥落损伤现象。

接触疲劳剥离形成机理：

外因：轮轨作用、最大剪切应力；

内因：钢的强度、钢中夹杂物的含量大小；

另外的解释：由于轮轨之间存在复杂且较大的动载荷作用，接触表面和体内的应力已超出轮轨材料的弹性极限，材料发生塑性变形，在反复载荷的作用下塑性变形将会累积增加，材料达到韧性极限，以至材料丧失承载能力发生开裂；

制动剥离：当踏面闸瓦制动时，由于制动产生热，从而是裂纹产生的诱因，导致马氏体形成而产生碎裂，是一种热损伤。马氏体是碳在α 铁中的过饱和固溶体；

马氏体特点：硬、脆；

位置：踏面，刻度状。危害性：较大、大(如图2）。

在轮轨接触应力作用下制动热裂纹发展的制动剥离(如图3）。

图3

严重危害性：径向崩轮。

疲劳裂纹萌生以热疲劳应力为主，疲劳裂纹的扩展是以接触疲劳为主的综合作用的结果。在踏面出现热影响层是萌生热疲劳裂纹的原因，当主裂纹向内扩展时，热应力和组织应力减小，接触应力逐渐对裂纹的扩展起主要作用，此时的疲劳裂纹逐渐转向，相邻的热裂纹尖端的转向与疲劳裂纹相遇时，会形成踏面浅层掉块等踏面表面损伤，如果踏面热影响层较深时，则热疲劳应力将会对疲劳裂纹的扩展起主导作用，热裂纹将向径向扩展，如不及时发现将导致径向崩裂而严重危及行车安全。

图4

擦伤及擦伤剥离：

紧急或其它制动（闸瓦），车轮抱死或滚滑，踏面急剧升温，从而马氏体形成，擦伤形成，在车轮与轨道作用力影响下，产生擦伤剥离。

图5 图6

形貌特点：局部、对称。裂纹成椭圆状（如图6）。

现有车轮产品和运用条件之间的适应性问题；车轮剥离与车轮本身冶金制造缺陷关系不大，而是在具备一定外因（速度、线路、环境、制动、载重等）条件作用下与车轮本身的综合材质性能有关，研究和解决车轮剥离问题必须以车辆、轮、轨三方面的系统化研究为基础。

车轮踏面擦伤，是影响行车安全的重大隐患。目前在检修过程中，发现车轮表面擦伤占的比例较大，大致在20%左右。造成车轮表面擦伤的因素很多，包括轮对的检修质量，车辆运行状态，车轮本身材质等。所以及时发现车轮表面擦伤，并及时处理，是避免事故发生唯一手段，为此在轮对检修中及站段列检过程中，应对轮对踏面擦伤，要给以高度的重视，以此确保铁路行车安全。