铁路货车车轮裂损根源分析与对策

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  摘 要:从车轮制造缺陷、货车制动机作用性能欠缺、“三检一验三管”制度执行不到位和部分车轮造修设备不适时工艺要求来阐述车轮裂损原因,通过采用针对性强、操作性强和时效性强的建议措施来解决车轮裂损故障,以保证车轮技术状态良好。
  关键词:铁路货车;车轮裂损;根源分析;防治措施
  轮对是铁路货车最重要的部件之一,它不仅承受着全部重量(轮对自重除外)、轮轨之间的垂向、横向动作用力、摩擦力、踏面制动时的热负荷,而且引导铁路货车高速行駛于钢轨上。轮对一旦发生裂损故障,如不及时发现和处理,可能引起颠覆、脱轨等严重事故而导致重大损失,不仅干扰了运输正常秩序,而且危及行车安全和影响到货运的收入。因此,解决车轮裂损对提质增效具有直接促进增效的重要意义。
  1 原因分析
  1.1制造缺陷造成车轮裂损
  1.1.1冶金缺陷造成车轮裂损  车轮制造时工艺未执行不位造成C,Mn,Si,P元素含量偏高,导致钢水在钢包内合金化时加入的合金量过多或加入的合金在钢包内没有完全熔化和均匀分布,钢水吹氩搅拌不够或钢水温度偏低。钢包内成分不均匀的钢水在铸锭时可能同时分流进入几个钢锭模内,由于钢水冷凝结晶规律的影响,C,Si,Mn,P等元素在钢锭的柱状晶区与中心等轴晶区交界处等部位产生成分偏析和杂质聚集,形成异型偏析,时势必会形成宏观组织差异,并由此而产生组织应力。车轮应力状态是指车轮实际承受的载荷类型(拉、压、切应力)、大小、方向和分布位置。车轮主要承受轨接触应力和摩擦力、辐板弯曲应力、制动热应力、车轮残余应力等。剥离车轮的裂纹源区是位于踏面下50mm左右(轮辋中心)部位,而轮轨接触应力和摩擦力是分布在踏面层厚度10~15mm部位,弯曲应力的最大值(约500MPa)是位于辐板与轮辋和轮毂过渡部位。制动热应力将随着制动次数的增加而使踏面层逐渐转变成为残余拉应力状态。残余应力是材质不同部位的弹性变形受到相互约束和达到平衡状态的结果,因而可以根据车轮轮辋淬火层的残余压应力的检验结果来估算车轮辐板至轮辋中部的平均周向拉应力。已知货车车轮抽检50个车轮的轮辋切口缩小量平均值为2.58mm,对于840D车轮切割后的周向收缩率为2.58/(×840)=0.98‰,因此切割前轮辋中部的残余拉应力为:
  为简化运算、设轮辋裂纹源部位的周向拉应力为205MPa,设该部位的径向拉应力值为周向拉应力的80%,即为164MPa 。
  另外,根据有限元计算,车轮在运行过程中承受纵向和横向载荷时,在轮辋中心踏面下50mm处均产生50MPa的周向应力。
  综上所述,车轮在正常运行过程中,在轮辋中心踏面下50mm处承受的周向应力(包括残余应力)约为300MPa。
  正常车轮的KIC值一般在55MPa以上,由于剥离车轮中存在严重的异型偏析,导致车轮的强度过高,塑性、韧性下降,必然造成其KIC值降低。因为异型偏析致使轮辋不同部位的成分和性能的巨大差异,用试样测定其KIC值不可能代表裂纹源区的真实数值。因此采用对裂纹源的大小及其断裂状态来估算其KIC值。经观测剥离车轮断口裂纹源处有一直径为2mm的核心,其后裂纹呈快速扩展,如上所述,裂纹源处承受约300MPa的周向应力,由此算得其KIC值为25.6MPa。可见,剥离车轮的KIC值仅为正常车轮的半左右,这就大大降低了其抵抗裂纹失稳扩展的能力,导致车轮裂损。
  1.1.2 车轮内部夹杂物造成车轮裂损  在车轮内部里存在小面积的杂物,由于夹杂物与车轮母材传热速度、散热速度存在差异,在热处理的散热过程中夹杂物比车轮母材传散热速度慢,车轮散热过程中发生收缩,但由于车轮母材收缩速度比杂物收缩速度慢,造成车轮母材收缩区域受到杂物杂物收缩区域的阻碍,在车轮母材与杂物交界处产生拉应力同时在轮轨间的剪切应力作用下,使车轮母材的区域压碎杂物,货车继续运行过程中在轮轨之间的垂向、横向动作用力、摩擦力、踏面制动时的热负荷下产生裂损故障。
  1.2 货车制动机作用性能欠缺造成车轮裂损  现车空气制动机造修中未按作业标准检修出现下列情况:制动缸活塞行程过短使制动力过大;调整器行程只能伸长而不能缩短使闸瓦与踏面非正常接触;120型空气制动机、空重车自动调整装置的技术状态不良造成抱闸;杠杆销孔位置不对使基础制动抗托、别劲发生抱闸;高摩合成闸瓦对踏面制动车轮会产生更为强烈的热负荷是因为导热度比铸铁闸瓦差。上述情况重叠加在车轮踏面与闸瓦间产生强烈的热量,在受热区域内产生周向拉应力,后续每次制动都将重复受热区域内由周向拉应力下降→周向压应力→发生塑性变形→周向拉应力的变疲劳的循环过程,使车轮表面金属相变,随后冷却时形成脆硬的马氏体白区域,货车继续运行过程中在轮轨之间的垂向、横向动作用力、摩擦力、踏面制动时的热负荷作用下产生裂损故障。
  1.3“三检一验三管”制度执行不到位
  1.3.1作业人员自检自修不到位 一是车轮制造过程中炼车轮钢、车轮成型、车轮热处理、车轮机械加工和在静平衡检测、硬度、外观肉眼检查超声波探伤、磁粉探伤、关键尺寸、X光检查、低倍组织、力学性能、残余应力均未按《岗位作业指导书》执行到位,导致车轮在运行中发生裂损故障;二是厂段修时对轮对外观检查、轮对荧光磁粉探伤、轮对超声波探伤、踏面数控加工、轮对修理、轮对支出尺寸检测、轮对落成检查均未按《岗位作业指导书》执行到位,导致车轮在运行中发生裂损故障。
  1.3.2工长、质检员、验收员和管理人员履职欠缺  一是工长、质检员、验收员和管理人员未通过提升自身的能力来实现质量的控制,同时也不能从质量关键的控制沉入现场检查,捕捉易发、隐发质量问题的关键环节着手,也未从风险控制的常态体系建设上抓规范、抓先知、抓冷门,问题的深层次分析、剖析,质量及引导不力,未起到质量督查督办的先导作用。   1.3.3“三检一验三管”人员技术水平偏低  “三检一验三管”人员虽然进行安全考试及岗位任职资格培训。但部分“三检一验三管”人员对炼车轮钢、车轮成型、车轮热处理、车轮机械加工、静平衡检测、硬度、外观肉眼检查、超声波探伤、磁粉探伤、关键尺寸、X光检查、低倍组织、力学性能、残余应力、轮对外观检查、轮对荧光磁粉探伤、轮对超声波探伤、踏面数控加工、轮对修理、轮对支出尺寸检测和轮对落成检查的岗位作业指导书的理解、熟悉程度不到位,导致存在车轮裂损前兆未能及时发现。
  1.4部分车轮造修设备不适时工艺要求 一是部分设备设计有缺陷  不能适应现阶段工艺精度要求。二是部分工装设备配备不齐,使一些工艺要求无法得到落实。三是部分设备故障频发没有得到及时修复,或者技术状态不佳,为保证生产任务的完成,简化了部分工艺要求。上述情况重叠加导致设备未能及时发现车轮裂损故障前兆。
  2 建议性防范措施
  2.1 强化车轮造修源头质量
  2.1.1 严格控制车轮原材料质量  车轮钢厂要改变车轮钢中夹杂物的性质和分布;改变以铝为终脱氧的脱氧方式,采用复合脱氧剂进行终脱氧,提高车轮钢冶金质量,严格控制钢中夹杂物总量,防止链状非金属夹杂物产生,净化钢液。
  2.1.2 加强热处理质量控制   各车轮新造单位要调整热处理工艺,如采用较高的回火温度可以提高车轮钢的疲劳门槛值,从而抑制车轮剥离的扩展采用较长回火时间的热处理工艺制度,可以达到充分消除残余应力、稳定组织、均匀各部分性能的目的;改造淬火台,积极试验轮缘向上的淬火工艺,减少制造时的内应力。
  2.1.3 加强磨加工质量控制   各车轮新造单位须采用全路最先进、效率最高的车轮全自动加工线,按规定编制实效高的加工工艺文件、作业指导书和各工序的检测规程同时严格遵守以确保车轮符合设计图纸要求。
  2.1.4 严格执行厂复验制度   各车轮新造单位要严格车轮原材料入厂复验制度,车轮原材料入厂复验除按原规定执行外,还须按子炉号抽样检查非金属夹杂物,不合格时按子炉号退货。加强车轮原材料表面状态入厂检查。
  2.1.5 嚴格落实车轮探伤工艺标准   每日上、下午开工前必须进行车轮探伤设备的日常性能校验,工作者、工长、质检员、验收员必须共同确认性能合格方能开工;磁悬液必须按期更换,更换磁悬液时,工作者、工长、质检员、验收员必须共同确认;严格执行《铁路货车轮轴组装检修及管理规则》探伤规定,严格执行探伤设备大、中、小修的相关规定;并在季度性能检查记录显示大、中、小修计划送检时间。
  2.2  加强货车检修及车轮运用工作
  2.2.1  提升空气制动装置技术  厂段修时对货车现有普通的120型空气制动机的配件全部升级成全路技术最领先的不锈钢配件
  2.2.2  强化120型控制阀造修质量  120型控制阀造修时的加工、尺寸检测、气密性试验、石油校对、研磨、清洗、热风干燥、性能试验采用全路最先进、效率最高的自动数控智能化设备的流水线,确保120型控制阀性能优良。
  2.2.3 加强现车空气制动机检修
  2.2.3.1  提高检修人员技能  将《现车空气制动机检修各岗位作业指导书》、《现车空气制动机单车试验典型故障的判断、分析和处理》制作成实物化、图像化、视频化、3D化、交互式化、简单易懂化和生动趣味化培训教材。每周培训二次,每季进行理论考试与实作考试一次,考试成绩在90分及以上的奖励200元、80分及以下的考核200元。
  2.2.3.2  严格落实作业指导书  检修中工作者发现A、B、C类分别奖励200元、100元、50元,漏检A、B、C类分别考核200元、100元、50元。工长、质检员、验收员每工作日抽查6辆现车空气制动机检修情况。
  2.2.4加大现场车轮踏面检查力度  列检作业时加强车轮各部检查:车轮轮缘垂直磨耗、内侧缺损不超限、踏面无碾堆、踏面擦伤、剥离、局部凹下、缺损、圆周磨耗不超限、周向裂纹和轮辋破损。
  2.2.5 充分发挥5T作用  对TPDS探测站预报的车辆,要按规定对车轮进行认真检查确认,并利用5T综合系统追查该车近一个月内运行通过各5T联网综合报警情况,作为确认轮对故障的参考依据,综合做出故障判定并处置。现场检车员对TPDS踏面故障预报的车轮,在进行技术检查时沿着踏面圆周方向敲击检查不少于一周,工长或车间跟班管理人员要到现场进行全数复核并做好记录。对到达列车中踏面损伤一级预警或运行品质预警铁路货车,须立即扣车;踏面损伤二级预警,现场检查确认故障超限后立即扣修;对其他踏面损伤预警铁路货车车轮进行检查,车轮踏面擦伤、剥离、局部凹入、缺损超限或轮辐板、轮辋裂损、车轮踏面碾堆的,按规定程序扣车处理。
  2.3切实提高“三检一验三管”人员素质 将《炼车轮钢、车轮成型、车轮热处理、车轮机械加工、静平衡检测、硬度、外观肉眼检查、超声波探伤、磁粉探伤、关键尺寸、X光检查、低倍组织、力学性能、残余应力、轮对外观检查、轮对荧光磁粉探伤、轮对超声波探伤、踏面数控加工、轮对修理、轮对支出尺寸检测和轮对落成检查的岗位作业指导书、典型故障的判断、分析和处理》制作成实物化、图像化、视频化、3D化、交互式化、简单易懂化和生动趣味化培训教材。每周培训二次,每季进行理论考试与实作考试一次,考试成绩在90分及以上的奖励200元、80分及以下的考核200元。
  2.4开展“三检一验”制度落实专项检查 造修单位开展一次车轮“三检一验”制度落实专项检查,对局部交验和轮对落成检查,重点检查各检验环节的落实,通过专项检查,切实规范“三检一验”制度落实,做到局部交验严抓质量、落成交验严把关键,质量控制主体作用得到有效发挥,消除简化作业、检验走过场等惯性问题的发生。   2.5强化“三管”人员的履职落责 造修单位要进一步规范各层级管理人员现场监督检查标准,根据现场作业的标准和流程,对应明确管理人员现场检查重点和检查质量要求。同时,每月对各层级管理人员履职情况,要认真分析评价,优将劣罚,对检查质量不高,不能发现问题的人员,严格考核,对敢抓敢管,工作质量完成好的人员进行奖励。根据考核评价结果,与评先晋级有机结合起来,充分调动管理人员的积极性。
  2.6 开展设备整治 一是设备落后陈旧的不能保证检修质量的要尽快配齐车轮造修关健设备。二是各单位要由主管领导负责,定期组织设备专业技术人员,对现场使用造修设备的技术状态,逐台进行检查、鉴定,由各单位主管厂、段级领导签字认可,鉴定合格方可使用,不合格进行改造升级或报废处理同时配齐设备。三是设备巡检制度、设备零故障评比活动,设备维修质量对规制度等,及时设备故障走向,提高检修效率和设备使用率。
  2.7 積极开展技术攻关和研究活动
  2.7.1 深入开展车轮裂损惯性故障攻关  造修单位要积极开展车轮裂损惯性故障攻关技术攻关活动,从生产组织、作业流程、作业方式、作业手段、作业标准、工装设备、人员素质、车轮结构、车轮原材料找出问题结症下药,从源头上保证货车车轮造修质量。
  2.7.2研制货车新技术  铁科院、四方所等科研单位要积极主动开展车轮裂损规律研究,尽快编制货车车轮故障图谱。铁科院、四方所等科研单位与车轮、120型空气制动机等制造单位联合研制新型闸瓦(制动时新型闸瓦与车轮摩擦不产生热量)、新型车轮(新型车轮不仅提高车轮钢的韧性水平,而且提高车轮强度、钢种的临界温度、降低热裂率)和非踏面制动的货车新技术。
  2.7.3研制新型设备  探伤设备生产单位、120型货车空气制动机制造单位、科研院所、车轮制造单位要联合研制探测裂纹深度为0.1 mm的设备、监控设备(监控设备能全方位监控探伤人员和120型控制阀、现车空气制动机、车轮的“三检一验”人员作业情况,若不按作业标准进行探伤或检验,此设备马上报警并且将此问题自动传输到车间级、科室级、站段级管理人员的电脑里)、全自动智能化对车轮进行故障诊断的高效的设备。
  3  结束语
  随着货车车轮技术飞速的发展,车轮裂损故障也将日益突出,危及行车安全。因此,只要持续深化“三位一体”安全保障体系建设以提升防车轮裂损的执行力,就能实现安全生产,树立良好铁路形象,为货运赢得更多客户,增加货运收入。
  参考文献
  [1]陈雷,杨绍清.铁路货车段修技术与管理北京:中国铁道出版社,2004.
  [2]陈雷,杨绍清.铁路货车技术与管理北京:中国铁道出版社,2010.
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