CRH2型动车组车轮滚动接触疲劳问题分析

虞名政

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

1 问题的提出

随着铁路高速重载技术的快速发展，轮轨滚动接触疲劳现象越来越严重，这不但会造成运营和维修成本的大幅增加，同时也直接影响列车运营安全。CRH2型动车组车轮采用ER8材质的车轮，近年来发生了多起车轮滚动接触疲劳故障，其中头尾车导向轮发生车轮滚动接触疲劳概率相对较高。

2 原因分析

材料在循环应力作用下，产生局部永久性积累损伤，经过一定的循环次数后，接触表面产生麻点、浅层或深层剥落的过程称为接触疲劳。车轮载荷通过一个相对很小的接触区域传递给了钢轨，通常会使局部载荷超过车轮和钢轨材料的弹性极限，这就会导致滚动接触疲劳裂纹的萌生。CRH2型动车组车轮滚动接触疲劳主要为两类，第一类主要由横向力和纵向力引起，一般发生在车轮滚动圆外侧15～30mm范围内，裂纹与踏面间倾斜约45°，车轮周圈均存在；第二类主要由车轮硌伤引起，发生在名义滚动圆至外侧15mm范围内，一般发生在个别点，表现为镟轮后内部出现月牙形缺陷。滚动接触疲劳如不及时进行镟修，均会导致剥离。

2.1 由横向力和纵向力引起的滚动接触疲劳

动车组运行过程中，车轮承受纵向力、横向力和垂向力，其中纵向力主要由牵引、制动产生，横向力主要由车辆过曲线和蛇形运动产生，垂向力主要由车辆自身重量及垂向冲击产生。车轮表面材料反复承受上述疲劳载荷作用，踏面材料发生塑性变形，此类滚动接触疲劳主要由横向力和纵向力引起，在应力超过剪切强度的条件下（主要在过曲线时），塑性应变累积而形成微裂纹，最终导致滚动接触疲劳，并在上述应力作用下裂纹沿45°方向向内部扩展，最终形成剥离。此类缺陷起源于踏面表面，由于表面裂纹萌生阶段尺寸很小，肉眼看不到缺陷。动车组的头尾车在进入弯道时导向轮对首先进入弯道，此时导向轮对车轮受到的横向力及纵向力较中间车更大且更为复杂，因此动车组的头车位置轮对更易发生滚动接触疲劳现象。

2.2 由硌伤引起的滚动接触疲劳

车轮踏面受到异物击打或碾压较硬异物时，可能导致踏面硌伤，硌伤部位存在便于萌生裂纹的微观组织。动车组运行过程中，车轮与轨道接触处存在接触斑，接触斑内存拉应力及剪应力，当踏面表面存在外伤时，其边缘及尖端存在应力集中，在冲击载荷下，塑性变形累积，在表面拉应力作用下形成裂纹源，在剪应力作用下裂纹扩展。由于最大剪应力分布在踏面以下3mm处，平行于踏面，裂纹扩展主要发生在车轮亚表面，扩展方向平行于踏面，因此此类缺陷在踏面亚表面比表面更明显，通常在镟轮后才能看到，发生在名义滚动圆至外侧15mm范围内，镟轮后呈现月牙形缺陷，一般多发生在头尾车导向轮。

2.3 镟轮问题

踏面存在因硌伤引起的滚动接触疲劳，且缺陷扩展较深，累计镟修进刀次数大于7次，镟修量大于7mm，在镟轮过程中出现过部分车轮镟出高阶多边形的情况。镟出高阶多边形时镟轮定位方式一般采用的是车轮定位，驱动轮驱动车轮旋转，驱动轮额定转速ω一般在（1.1～1.5）转/s，直径d为220mm。对前期发生过类似问题的镟床进行研究、测试，驱动轮转速大于100%ω时镟床、固定爪、驱动轮会有低频能量集中，驱动轮转速为100%ω时会有42Hz的能量集中，驱动轮转速为110%ω时会有46Hz的能量集中。在测试中，驱动轮更新后，镟床依然有低频能量集中，说明低频能量集中与驱动轮状态无关，以两次典型镟轮测试为例。

（1）测试1。

表1 测试1镟轮情况

工况4中，驱动轮转速为110%时会有46Hz的能量集中；工况3和工况6，由于镟刀横移速率为90%，相对较快，测试结果显示振动相对较大；工况5由于驱动轮转速及镟刀横移速率较低，镟修效果较好，见表1。

（2）测试2。

表2 测试2镟轮情况

工况1中，驱动轮转速为110%时会有46Hz的能量集中；工况4中，驱动轮转速为100%时会有42Hz的能量集中，见表2。

不同镟床其驱动轮转速及振动频率可能不同。

（3）振动频率与车轮多边形的关系。车轮镟出多边形数量n与镟轮各参数的关系如下：

n=f/(η·ω·(D/d))

d为驱动轮直径，D为车轮直径，ω为驱动轮额定转速，f为振动频率。

以前期发生的典型故障及试验验证情况为例，见表3。

表3 典型故障多边形计算

该故障车辆现场检测车轮为113边形，与计算结果相吻合。

（4）结论及建议。通过上述对镟床的测试及对故障轮对的分析，初步分析原因可能是镟床低频振动，车轮缺陷和驱动轮转速过快共同作用的结果，驱动轮以恒定的转速和进给量镟修了多次（大于7刀），反复镟修过程中，耦合调制产生的镟修缺陷被放大，产生高阶多边形。为解决镟出多边形问题，建议对镟床进行系统测试，研究镟床振动频率与车轮轮径关系，找出对于存在内部缺陷的车轮多次镟修的最佳镟修方案。

3 安全性分析

对于由横向力和纵向力引起的滚动接触疲劳，其缺陷主要是在列车通过曲线或蛇形时产生，扩展速率较慢，且外观表现明显，易于在日常检修中发现。对于由硌伤引起的滚动接触疲劳，其外观表现不明显，踏面裂纹是在次表层剪应力的作用下扩展的，而较大剪应力横向只存在于轮轨接触点周围约12mm范围内，考虑轮对常用左右横移接触点15mm的移动，裂纹横向扩展范围约27mm，不会再向轮缘或外侧扩展。深度方向，最大剪应力距踏面4mm～8mm范围内，随深度急剧下降，且剪应力方向与车轮切向成小角度，裂纹不会沿径向深层扩展。在圆周方向，次表面裂纹在剪应力方向与车轮切向成小角度扩展，在切向力作用下外移，牵引制动载荷下剥落，而不会周向扩大。根据以上分析，初步认为上述两种车轮滚动接触疲劳裂纹不会形成贯穿性裂纹，不会导致辋裂故障，但在日常检修过程中，如发现车轮滚动接触疲劳，需及时进行镟修。

4 解决措施

（1）加强日常对车轮踏面检查，及时发现存在异常的车轮。

（2）对于存在踏面缺陷的车轮及时进行镟修。

（3）对于需多次镟修车轮，建议适当较低镟床驱动轮转速及进刀量。

[1]赵少汴.抗疲劳设计[M].北京：机械工业出版社.1994.

[2]严隽耄.车辆工程[M].北京：中国铁道出版社.1992.

[3]金学松，沈志云.轮轨滚动接触疲劳问题研究的最新进展[J].铁道学报，2001,23（2）：92-107.