机车整体车轮踏面剥离原因分析与研究＊

王玉辉

（湖南铁路科技职业技术学院，湖南株洲412000）

机车车轮是铁路车辆、机车的重要走行部件。目前随着铁路运营全面提速，在走行部件上出现的问题也逐渐增多，表现在车轮上的主要问题是踏面剥离现象，占目前车轮各种操作失效比例的绝大多数［1－4］，给机车车辆制造部门和现场运用部门造成很大损失。车轮踏面剥离是一个比较复杂的失效种类，导致其剥离的因素很多，无论是车轮材质本身，还是运用工况的变化或机车车辆的结构设计等方面缺陷，均有可能导致剥离现象的产生［5－6］。因此，正确判别剥离失效的特性，找出产生剥离的主要原因，对指导现场进行正确的预防，保证机车车辆的安全行驶具有重要意义。

1 整体车轮踏面产生剥离的现状

自2001年4月新造机车装用整体车轮以来，无论是SS3B型电力机车还是DF8B型内燃机车车轮踏面运行5～30万km期间经常发生车轮踏面剥离故障。对49台SS3B（整体轮）机车在4个机务段、241台DF8B（整体轮）机车在10个机务段的运用中发生的车轮踏面剥离的状况进行了整理，共发生147起，其中发生在机车1、3、4、6位轮对（即撒沙位）的116起，占78.91%。其中SS3B型机车49台中发生车轮踏面剥离59件，发生率为20.07%；DF8B型机车241台中发生车轮踏面剥离88件，发生率为6.09%。

SS3B型（整体轮）3台机车在有6‰坡道的运用中，发生车轮踏面剥离2件，发生率为11.11%；38台机车在有12‰坡道的运用中，发生车轮踏面剥离30件，发生率为13.16%；8台机车在有20‰坡道的运用中，发生车轮踏面剥离27件，发生率为56.26%。对机车用沙进行了查看，发现粗沙较多，大的有6～7mm、呈不规则状，均未按用沙的相关标准执行。

DF3B型（整体轮）119台机车在有6‰及以下的坡道运用中，发生车轮踏面剥离21件，发生率为2.94%。共有6个机务段，其中锦州机务段共40台机车未发生1起；107台机车在有10‰、12‰坡道的运用中，发生车轮踏面剥离22件，发生率为3.42%。其中在哈密机务段55台机车只发生了2起车轮踏面剥离的情况；15台机车在有20‰坡道的运用中，发生车轮踏面剥离45件，发生率为50%。

上述统计表明，在长大坡道上运用的机车车轮踏面剥离发生率明显增高，这是因为运用于长大坡道上的机车牵引时牵引力大，制动时制动力大且频繁。

2 整体车轮踏面产生剥离的原因分析

2.1 发生整体车轮踏面剥离频次的现象

根据以上的数据统计，机车在运用中轨道状况的差异、气候环境的不同对车轮踏面剥离的发生有较大的影响。现象之一是随着轨道坡度的加大，车轮踏面剥离发生的频次随之增高，长大坡道更为突出。现象之二是发生车轮踏面剥离大多数在机车的1、3、4、6位轮对（即有撒沙位的车轮）；现象之三用沙不规范，沙粒大小不均，发生的车轮踏面剥离严重且多，用沙较为规范的几乎未发生或发生的少一些；现象之四整体车轮比分体式车轮的轮箍发生的踏面剥离要多。

2.2 车轮踏面产生剥离的原因分析

车轮踏面产生的剥离机理，一般分为疲劳剥离和制动剥离两种形式。制动剥离是经受机械应力反复作用的结果，相邻的热裂纹之间贯通便引起掉块［7－9］。

（1）制动的影响

机车在长大坡道或雨水较多的环境中运行时，为提高机车黏着牵引力，机车撒沙频次随之增多，车轮、沙、钢轨在垂向力和牵引力的作用下，车轮踏面和钢轨表面可能产生微裂纹［9－40］。由于钢轨面的硬度高于车轮踏面，因此在车轮踏面上产生的微裂纹较钢轨面上的要多，而坡道运行中制动力的作用较为频繁，轮瓦接触部位的摩擦产生高热而可能产生热裂纹。特别是随着机车闸瓦普遍采用合成闸瓦以后，虽然机车制动力得到增加，但闸瓦散热能力却比铸铁闸瓦降低、制动时产生的热能大大增加。在反复的撒沙和制动的作用下，相邻的热裂纹之间贯通便引起掉块产生车轮踏面剥离。

（2）沙质量的影响

根据统计数据，发生在1、3、4、6位的116起占78.91%。撒沙部位的车轮发生踏面剥离的几率高，是因为沙粒啃伤或擦伤车轮的几率高，车轮经沙粒的反复啃伤或擦伤，加之车轮与钢轨、闸瓦摩擦力的作用下，使踏面局部产生龟纹状裂纹，直至沿裂纹处层状淬裂剥离掉块。所以用沙的质量直接影响到车轮踏面剥离发生的频次。

我们对机车用沙的使用情况进行了调查，发现用沙的差异较大：如图1所示为厂部装车用沙，如图2所示为某用户（该用户处踏面剥离情况最为严重）的用沙图片，如图3所示为用户产生的车轮踏面剥离，如图4所示为用户产生的钢轨被啃伤的图片。

图1 厂部新造机车装用的沙子

图2 某用户机车 制动用沙

图3 用户产生的车轮踏面剥离的状况

图4 用户产生的钢轨 被啃伤的状况

由于所用沙粒大的有6～7mm，致使车轮踏面被啃伤，如图3所示，在圆周产生麻坑状，不论是车轮与钢轨的接触面积还是与闸瓦的接触面积均减小，摩擦产生的热量随之增高，尤其是轮瓦接触部位的摩擦产生高热使踏面局部瞬时加热甚至到车轮钢相变点温度以上，随后冷却时形成所谓热机械作用的马氏体白层，脆硬的马氏体白层在轮轨接触应力、热应力和组织应力作用下淬裂和脱落，在随后轮轨接触应力作用下发展成大面积剥落掉块。该用户发生车轮踏面剥离的发生率已达56.25%。

而在哈密机务段和锦州机务段的用沙相比之下就较为规范，锦州机务段有6‰的坡道，有DF8B型（整体轮）机车40台，从2001年至今无1起发生车轮踏面剥离。在某机务段，同样有6‰的坡道，同样是DF8B型（整体轮）机车，而且只有5台，车轮踏面剥离发生率达23.33%。哈密机务段有12‰的长大坡道，有DF8B型（整体轮）机车55台，从2001年至今只发生2起车轮踏面剥离，发生率为0.6%。

机车制动用沙，大于2mm固然不好，但过小同样对车轮不利。过大伤及踏面，过小则伤及轮缘，会加剧轮缘的磨耗。沙粒过小（小于0.2mm），将随轮喷脂黏附在车轮轮缘处，形成类似沙轮状，在机车过弯道时与钢轨内侧摩擦，一是磨钢轨、二是磨轮缘。

（3）车轮形式的影响

整体车轮踏面剥离发生的概率比分体式车轮的轮箍要多，轮箍踏面剥离发生的比较少，未进行统计。我们对乌克兰整体轮踏面的表面硬度进行了测试为HB250～300，乌克兰轮箍踏面HB290～320，整体轮的硬度比轮箍的普遍偏小，由此而产生的被啃伤或擦伤的可能性增大。若车轮踏面的硬度与钢轨的硬度差异较大的话，尤其是机车在通过道岔时，道岔的尖轨也可能会啃伤车轮踏面。

另外，机车运行速度，尤其是高速运行是否对踏面剥离会产生影响，在此不进行讨论和分析。

3 防止车轮踏面剥离的措施

（1）对机车用沙的标准进行规范

经了解各用户都有铁道部机务局转发的机车用沙相关标准。与《东风8B型内燃机车运用、维护、保养说明书》中提到机车上使用的沙子，应具有良好的流动性。要求沙子干燥，没有尘土和块状杂物［9］。沙子的粒度应在0.5～1mm左右，最细不宜小于0.2mm，最粗不宜大于2mm的要求大同小异。但多数用户单从沙的使用成本考虑，未按机车用沙标准进行实施。因用沙不规范而造成踏面剥离的损失可能远远高于标准用沙而节约的成本。如果车轮踏面剥离产生的损失由用户自行承担话，机车用沙一定会规范得多。

因此，建议将机车用沙规范统一到铁标，使主机厂、用户有统一的标准，共同实施、相互监督。

（2）主机厂进一步的改进工作

为机车的安全运行和防止车轮失效，提高机车黏着牵引力，减少空转滑行、减少机车撒沙消耗等方面作为主机厂有责任和义务应作进一步的改进、完善工作。如在机车结构上采用防空转功能的牵引电机。

4 结束语

防止车轮踏面剥离是一个系统工程，产生的原因也是多种多样的。据以上分析，机车整体车轮产生踏面剥离的形式主要是制动剥离，在制动时用沙的不规范加剧了车轮踏面剥离的发生。因此不规范用沙是剥离的主要原因。

［1］ 王文健.车轮滚动剥离磨损特性研究［D］.成都：西南交通大学，2004.

［2］ 赵金光.DF11G型机车轮对踏面剥离成因探讨［J］.内燃机车，2006，（05）：25－27.

［3］ 高义刚，何庆复，柳拥军.车轮踏面损伤对策及其容限标准的修订［J］.铁道机车车辆，2002，（5）：20－23.

［4］ 汪 洋.地铁列车车轮踏面环状剥离的分析［J］.电力机车与城轨车辆，2003，（4）：67－68.

［5］ 马卫华，罗世辉，王自力.提速机车车轮踏面剥离问题研究［J］.电力机车与城轨车辆，2005，（5）：37－40，54.

［6］ 王文健，刘启跃.车轮踏面剥离机理研究［J］.机械，2004，（6）：12－15.

［7］ 刘启跃，王文健.含碳量对车轮材料磨损影响的试验研究［J］.润滑与密封，2005，（5）：11－13.