车轮踏面的作用及常见故障

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铁道车辆轮对中的车轮一般由踏面、轮缘、轮辋、辐板和轮毂几部分组成，早期车轮设有辐板孔，主要用作工艺吊装，但因开孔降低了结构强度，孔周边易出现疲劳裂纹，而且吊装工艺已经改进，现已取消。车轮各组成部分的作用如下：

01 踏面的作用

车轮踏面有严格的外形限制，并且需要做成一定的斜度，形成类似下图“内大外小”的椎体形状，作用主要有三点：

（1）实现曲线自导向：参见微信文章的视频讲解；轮对过曲线时产生了内大外小的轮径差，外轨走的快，内轨慢。

（2）自动对中：轮对不论偏向曲线哪一侧，均会形成一个指向轨道中心线的重力分量，使其重新回到中心位置，也就容易形成下图的“蛇形运动”轨迹；见之前分享的内容，蛇形运动是轨道车辆自激振动，无法消除，但需要避开蛇形运动频率以免失稳。

（3）磨耗沿宽度方向均匀发展：曲线+直线运动时轮轨接触点不会固定于一点，所以因接触而产生的磨耗也会沿宽度方向均匀发展，避免偏磨。

02 踏面的常见故障

踏面作为直接接触钢轨的部分，所受冲击力最为直接，量级也最大，所以其故障率也是较高的。踏面的故障主要可分为磨耗和疲劳两大类型：

（1）磨耗：磨耗常指两相对运动物体发生摩擦时而材料不断消耗的过程。车轮的磨耗主要有两种即：正常轮轨接触滚动摩擦产生的磨耗速率缓慢的轮轨磨耗，以及踏面制动方式中轮瓦制动滑动摩擦时产生的磨耗速率较快的轮瓦磨耗。

车辆运行时轮轨就会接触而发生磨损，这一过程是较为缓慢的，甚至宏观上可认为是车轮滚过钢轨，基本没有摩擦。然而，实际上轮轨虽然是优质钢制造，但局部接触的部位（称为“接触斑”）发生了微小的变形，在接触斑内部发生了微小的滑动（称为蠕滑），在这指甲大小的区域里有大约1/3的面积发生了相对的滑动，即发生了摩损。

（2）疲劳：滚动接触疲劳故障（RCF）常表现为踏面的剥离、裂纹甚至掉块，是踏面不断在载荷作用下，在应力集中处萌生微裂纹，并在载荷反复作用下不断扩展，当剩余强度不足时，表现为瞬间的断裂。疲劳发展速率缓慢，并且需要初始的应力集中点以作为裂纹源，而从受力角度，踏面虽然直接接触钢轨，但车轮受载荷最大的部位恰恰是踏面下的3-6mm，这也就造成了类似剥离、掉块等故障的隐蔽性。为保证高速动车组运行安全性，在二级修修程特意安排了运行20万公里左右的车轮轮辋、辐板的探伤检查，以及时发现初始裂纹。

疲劳与磨耗的关系：两者是相互竞争发展的关系，当车轮磨耗发展较快时，疲劳故障裂纹尚未形成初始裂纹源或者未进行裂纹有效扩展此处的材料就已经被磨损掉；相反，磨耗速率较慢时，疲劳故障就有了充分的时间和载荷循环次数促使裂纹萌生、扩展。对于具体铁路车辆类型来讲，采用踏面制动的铁路货车，车轮踏面就主要以磨耗为主；而采用盘式制动的铁路客车，则常以踏面疲劳故障为主。对于某些动车组，为及时消除初始裂纹，有时会增设踏面清扫装置，发挥类似闸瓦的作用。