动车组车轮异常组织特征及成因

动车组车轮异常组织特征及成因

甘达猛

中车广东轨道交通车辆有限公司

摘要：高速铁路安全运输是关系到国计民生的重要问题，国铁集团多次下达安全性指导意见。车轮是高速列车安全核心部件之一，其技术标准要求高、生产难度大。国外动车车轮生产、应用较成熟，现国内高铁使用的车轮主要依赖于进口。为了打破国外技术的垄断，加速开发完全自主知识产权的动车组车轮，2014年，铁路总公司启动重大课题《时速350km标准动车组轮轴设计研究》，推进铁路技术装备创新和发展。本文基于动车组车轮异常组织特征及成因展开论述。

关键词：动车组；车轮异常；组织特征及成因

引言

动车组在运营过程中，有时会出现构架横向加速度超限和车体异常抖动等动车组异常振动现象。为能采取有效措施，及时消除异常振动现象，保证高速铁路乘坐的舒适性，就需要准确分析异常振动产生的原因。由于在线路上运行的动车组型号较多，动车组跨线运行的数量也逐渐增加，而且高速铁路快速发展，地域分布广、气候条件及运营条件差异较大，导致动车组异常振动原因分析较为困难。

1微观组织结构

从踏面表层至踏面下10mm处均可观察到明显有别于基体（正常）组织的带状异常组织分布其中，异常组织的特征与金相磨面显现的白色带状衬度有着较好的对应，利用image-proplus组织分析软件，统计得到该异常组织在踏面表层、踏面下5mm和踏面下10mm处的占比分别为67%，42%和26%，即异常组织随着踏面深度的增加其占比不断减小，在踏面下15mm处异常组织基本消失；车轮基体组织由珠光体（P）+先共析铁素体（F）组织构成，珠光体中的渗碳体呈片层状的结构特征；异常组织呈现羽毛状形貌，其渗碳体多以颗粒状和链珠状分布在铁素体中，与珠光体的渗碳体结构完全不同。它的存在破坏了车轮基体组织（P+F）的连续性，2者在组织结构和性能上的差异，导致在组织边界处易萌生疲劳裂纹，从而加速车轮踏面滚动接触疲劳损伤的出现。（1）车轮中的异常组织为上贝氏体，其呈条带状分布在车轮踏面区域，在踏面表层的占比约67%，随着距表层深度的增加贝氏体的占比不断减小，在踏面下15mm处基本消失。上贝氏体的微观组织结构破坏了车轮正常组织的连续性。（2）车轮局部微区碳元素的严重偏析是导致上贝组织形成的主要原因。碳元素的偏析使得其等温转变曲线较正常区域明显向右偏移，增大偏析处组织在较高冷速下向贝氏体转变的概率，造成在车轮实际生产中，冷速最高的毛坯轮表层将有更多贝氏体组织在其局部聚集。（3）车轮整体过高的钒元素含量使其连续冷却转变曲线较正常车轮向右偏移，其中贝氏体转变区右移程度更大，导致贝氏体组织转变开始的冷速由正常车轮的5oC·s-1降低至2oC·s-1，增大车轮实际生产中贝氏体组织的形成深度。

2基于有限元方法的动车组车轮安全性能评估

随着动车组运行速度的不断提高，对其走行部件安全性能的要求也不断提高，科学合理地评估动车组车轮安全性能势在必行。动车组车轮在结构上虽然为一个整体，但各部位结构差异较大，在运行过程中各部位所起的作用也不相同，而且车轮在实际运行过程中受力复杂，既有轮轨间的接触力（包括横向力和纵向力），还有轮轴配合部位产生的约束力及通过轴承传递的整个车体的重量（垂向力），上述各种载荷还会因线路、速度及外界环境等因素的变化而发生变化，因此，对车轮安全性能进行评估难度较大，欧洲标准[1]推荐采用有限元方法对车轮辐板部位的安全性能进行评估。基于欧洲标准，为满足车轮运营安全性，本文提出了基于有限元分析软件ANSYS的动车组车轮有限元模型的建立及静强度和疲劳强度的分析计算，从而对车轮安全性能进行评估。首先根据车轮名义尺寸建立车轮的有限元模型，然后根据车轮结构对称性确定加载平面并按照标准给出的工况及工况载荷对各加载面进行加载计算，通过有限元计算结果并结合车轮结构特点选择合理的强度准则对车轮进行静强度及疲劳强度计算，从而得出车轮强度最薄弱的部位，在该部位附近区域粘贴应变片对该实体车轮进行疲劳试验验证，将疲劳试验的结果与有限元计算结果进行比较，比较结果验证了有限元计算结果的正确性。

3标准动车组质量管理体系的构建

针对标准动车组认证通过后的批量化生产，以零缺陷管理制度为基础，融合IRIS和ISO9001标准体系中关于产品实现过程的要求，从标准动车组车轮技术条件出发，基于当前的生产条件、管理水平、员工职业素质，针对高速度、高风险的特点；以预防为主，准确识别产品的安全特性，充分识别产品和过程的失效模式，明确过程参数和产品特性值控制要求，明确设备精度参数要求，强化过程控制，实行生产过程全要素跟踪，强化过程监督，明确岗位责任，实行严格的质量责任追溯制度。通过风险和异常的识别，强调预防确认机制，把好“不接受不合格品”关；通过明确设备精度参数、过程参数及产品特性值控制要求，并针对性建立检测规范，严把“不制造不合格品”关；通过非常作业管理办法的完善，单件跟踪制度、工艺纪律检查制度、质量责任追溯制度以及发货前审核制度的建立，落实“不转移、不发货不合格品”关。

4预防动车发生异常抖动的建议

动车组出现的异常振动故障是组合型故障，包含有车辆问题和线路问题，需要由工务和车辆部门共同进行研究分析，针对产生的原因，提出有效地处置措施。铁路线路保持良好的运行状态，不仅可以使车辆具有较好的动力学性能，更可以显著降低轮轨接触应力，减缓轮轨接触疲劳，减少轮对剥离掉块、飞边等病害的产生。当发生动车组横向加速度超限或抖动时，应按规范要求采集数据，并统一汇总分析，为进一步完善车轮镟修及钢轨打磨管理提供技术依据。（1）增加有效检测手段。车轮多边形粗糙度幅值是一个动态变化的参数，目前，由于缺乏有效技术手段进行快速准确检测，无法提前预防由于车轮多边形异常导致的簧下部件松脱、断裂故障，建议采用TPDS系统监控动车组车轮多边形。（2）完善钢轨打磨方案。针对动车组异常抖动的情况，建议工务部门对该区段钢轨廓形、光带及波磨平顺性进行检查，制定个性化钢轨廓形打磨方案，必要时进行人工打磨，彻底消除该区段动车组异常抖动现象。（3）优化钢轨打磨周期。综合考虑运行动车组故障发生规律，结合钢轨轨面光带、硬度、平直度、波磨及疲劳状态的检测工作，建议工务部门每2年对全线进行一次预防性打磨，必要时或每6年进行一次修理性打磨，改善轮轨匹配关系，延长车轮、钢轨使用寿命。（3）持续进行运行部门常态化对接。车辆与工务部门不定期进行对接，重点反馈动车组异常抖动、簧下部件故障、线路发现病害等信息，共享综合检测车线路检测数据、车轮测量及镟修情况、钢轨打磨情况等，共同努力提升动车组运行品质。

结束语

目前，国内高速动车组最高运营速度为350km/h，列车高速运行时，轮轨力不仅进一步影响其安全性和舒适性，而且对车辆结构的可靠性提出了更高的要求，尤其是必须保证轮轴可靠性。为此，需要深入研究轮轨载荷特征，获得其峰值、幅值、频次以及分布范围等规律，为确保列车运行安全性和可靠性奠定坚实的基础。

参考文献

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[2]谢清林,陶功权,王鹏,李伟,温泽峰.高寒动车组车轮磨耗演变特性及其影响分析[J].工程力学,2019,36(10):229-237.

[3]邵帅,刘永杰,刘来标.标准动车组车轮加工工艺分析及优化[C].湖南省株洲市石峰区人民政府、机械工业信息研究院（ChinaMachineryIndustryInformationInstitute）.“田心杯”轨道交通金属加工技术征文大赛论文集.湖南省株洲市石峰区人民政府、机械工业信息研究院（ChinaMachineryIndustryInformationInstitute）:机械工业信息研究院金属加工杂志社,2019:244-245.

[4]刘小龙,陈二庆,丛韬,杨智勇,李志强,范新光,韩建民.动车组车轮修程修制理论研究和实际验证[C].中国铁道学会车辆委员会.2019铁道车辆轮轴学术交流会论文集.中国铁道学会车辆委员会:中国铁道学会,2019:83-88.

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