何鵬，劉玉龍

（1. 中國鐵路蘭州局集團有限公司 機務(wù)部，甘肅 蘭州 730000；2. 中國鐵路蘭州局集團有限公司 車輛部，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

和諧型機車額定功率較大，通常稱為大功率機車；機車功率的發(fā)揮主要依靠良好的黏著條件來實現(xiàn)。而黏著條件與機車構(gòu)造特性、牽引質(zhì)量、線路條件、天氣狀況等因素密切相關(guān)。當(dāng)牽引/制動力加載過大時，在一定條件下輪對會發(fā)生空轉(zhuǎn)/滑行，導(dǎo)致踏面擦傷或失圓[1-2]；擦傷部位組織呈馬氏體結(jié)構(gòu)且極易發(fā)展為剝離；同時和諧型機車進(jìn)口車輪硬度較輪箍鋼HB值低80～100，也是易產(chǎn)生失圓、擦傷、剝離的一個重要因素。這些因素大都是機車構(gòu)造和運用條件問題，在現(xiàn)場工作層面較難改變。

2011年11月，蘭州西機務(wù)段配屬HXD1C型機車198臺，該型機車車輪踏面剝離鏇修共發(fā)生132臺次（108臺），占配屬總數(shù)的54.6%；除日常鏇修外，庫內(nèi)扣修返廠機車36臺，大量、高頻的返修導(dǎo)致機車趴窩、供應(yīng)緊張。因此，對該型機車車輪踏面剝離原因進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研。

1 現(xiàn)場調(diào)研

1.1 車輪踏面檢查

現(xiàn)場調(diào)研時，HXD1C0350機車正在進(jìn)行踏面鏇修作業(yè)，在已經(jīng)鏇修一刀且光亮的滾動圓表面發(fā)現(xiàn)了嵌入踏面的砂粒；整備線檢查HXD1C型機車車輪踏面狀態(tài)，機車車輪踏面不同程度存在密集麻點（見圖1）。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)：存在麻點的車輪集中在裝有砂管的1、3、4、6位輪對，且有的在踏面滾動圓處已經(jīng)發(fā)展為剝離（見圖2）。這種麻點即壓痕的典型特征分布于車輪踏面整個滾動圓周向，大小不等且相對密集，符合砂粒作用特征?？梢源_定這種麻點是機車撒砂時砂粒瞬間作用于高速運動的車輪踏面形成的創(chuàng)傷，創(chuàng)傷較深的麻點周圍極易形成龜裂，在較大應(yīng)力作用下加速了車輪踏面剝離的發(fā)展。因此，機車用砂品質(zhì)是導(dǎo)致車輪踏面非正常剝離的一個因素。

圖1 踏面密集的麻點

圖2 麻點在踏面滾動圓處發(fā)展為剝離

1.2 使用機砂調(diào)研分析

和諧型機車投入使用前，該機務(wù)段機車用砂多為紅色自然河砂（見圖3），車輪踏面基本沒有圖1所示的壓痕，踏面剝離問題并不突出。這與直流機車功率偏小、輪箍鋼硬度較高、河砂硬度低且粒度較小不無關(guān)系。和諧型機車投入使用后要求機車用砂為石英砂（SiO2），主要從砂子耐磨程度、增黏效果方面作了考慮，石英硬度為7，性脆，相對密度2.54～2.63[3]。早期對石英砂的品質(zhì)并未作明確要求，機務(wù)段使用的石英砂大多為石英礦石破碎而成（見圖4）。這種機砂的外形特征為多菱角非自然顆粒，存在尖角且顆粒偏大（粒徑多為2～4 mm），也存在粒徑＞4 mm的情況，這就造成砂管下砂困難，踏面形成創(chuàng)傷性麻點也就不難理解。

1.3 采取措施及效果

通過以上調(diào)研，首先盡可能對新投入使用的機車采取踏面早期鏇修（2萬～5萬km）以預(yù)防踏面剝離；其次是將白色石英礦砂更換為原來使用的紅色自然河砂，減小砂子對車輪踏面?zhèn)麚p程度。采取上述措施后，車輪踏面慣性剝離問題明顯降低，不僅保證了機車正常供應(yīng)，同時延長了車輪使用壽命。調(diào)研說明：機車用砂品質(zhì)與車輪踏面剝離存在一定關(guān)聯(lián)，必須高度重視。

2018年初，紅色自然機砂的供應(yīng)商受環(huán)保治理限制不能正常供應(yīng)，機車用砂再次變更為白色石英砂，按標(biāo)準(zhǔn)要求降低了粒度。由于2011年采用白色石英砂負(fù)面效果很大，進(jìn)行深層次機車用砂篩選與調(diào)研從而減小砂子對車輪踏面的傷損程度顯得尤為重要。

2 調(diào)研檢測

機車裝配撒砂裝置作用是彌補特殊條件下黏著不足的缺陷，在一定范圍內(nèi)增強輪軌間摩擦系數(shù)，最大限度發(fā)揮增黏效果及牽引動力，同時也要保持車輪踏面不能傷損。因此機車用砂品質(zhì)應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范。

機車用砂實質(zhì)上是一種石材。石材是指從沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖三大巖系的天然巖體中開采出巖石，經(jīng)過加工、整形而成各種形狀材料的總稱[4]。礦物按照莫氏硬度等級分為1滑石、2石膏、3方解石（多數(shù)大理石）、4螢石、5磷灰石、6正長石、7石英、8黃玉、9剛玉、10金剛石。硬度等級越高越堅硬，但硬度值并非絕對硬度，而是按照硬度順序表示的相對值。

2.1 鐵標(biāo)對機車用砂的要求

TB/T 3254—2011附錄A對機車用砂提出了規(guī)范性要求[5]。

附錄A.1重力式撒砂裝置用砂子：砂子形狀應(yīng)盡可能不規(guī)則；顆粒大小分布（按質(zhì)量）應(yīng)符合規(guī)范要求（見表1）。

圖3 紅色自然河砂

圖4 白色石英礦砂

表1 附錄A.1規(guī)定砂子顆粒大小分布

附錄A.2壓差式撒砂裝置用砂子：

（1）砂子用的原材料應(yīng)為礦井、河流和湖泊或巖石碎砂的自然顆粒。

（2）砂子形狀應(yīng)盡可能不規(guī)則，顆粒大小分布（按質(zhì)量）應(yīng)符合規(guī)范要求（見表2）。

（3）化學(xué)成分和物理性能要求：①砂子中SiO2含量應(yīng)大于90%；②砂子不應(yīng)有可見泥土、鐵屑或有機雜質(zhì)；③砂子應(yīng)經(jīng)過干燥處理，干燥處理后含水量應(yīng)小于0.5%；④砂子硬度應(yīng)大于5（莫氏硬度）；⑤砂子的灼燒損失應(yīng)小于0.2%；⑥砂子的干燥顆粒密度應(yīng)大于2.5 g/cm3，松散容積密度應(yīng)大于1.5 g/cm3。

附錄A.2規(guī)定了機車用砂的主要成分為SiO2（石英砂），其硬度比自然河砂、湖砂高；因此對結(jié)構(gòu)粒度做了更為細(xì)致的規(guī)定，其最大直徑d的范圍應(yīng)2.0 mm＜d≤2.5 mm，所占比例（按質(zhì)量）＜5%；這一標(biāo)準(zhǔn)相對附錄A.1更完善一些，但砂子原材料河/湖砂SiO2含量很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，而礦井、巖石碎砂成品非自然顆粒；沒有規(guī)定硬度標(biāo)準(zhǔn)上限，若按等級6掌握，SiO2含量很難滿足要求；同時由于礦料采集困難、加工工序復(fù)雜，必然導(dǎo)致使用成本升高。附錄A.1對砂子的理化指標(biāo)沒有提出要求。

2.2 調(diào)研篩選

目前，石英自然粒砂市面上較少，和諧型機車使用的砂子大多為石英礦砂，這種機砂是將石英礦石（見圖5）加水破碎后進(jìn)行初選，烘（曬）干后再按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定目數(shù)按不同等級篩選，篩選所得見圖6。

同樣是機車用砂，TB/T 3254—2011附錄A.1和附錄A.2標(biāo)準(zhǔn)由于撒砂裝置結(jié)構(gòu)不同，對砂子質(zhì)量要求差異較大。附錄A.1沒有明確要求機車用砂來源、理化性能，砂子顆粒粗大，現(xiàn)場操作易產(chǎn)生偏差。如果按照附錄A.1的要求，砂子最大直徑2.8 mm＜d≤4.0 mm所占比例（按質(zhì)量）＜10%選用了硬度較高的石英砂，顆粒越大、抗擊強度越高，必然會對車輪踏面造成創(chuàng)傷，形成麻點，麻點會進(jìn)一步發(fā)展為剝離。

在對上述情景進(jìn)行分析后，分別對外局6個機務(wù)段的機車用砂情況進(jìn)行了調(diào)研及分析，同時查看了機車車輪踏面狀況，采集了相關(guān)機務(wù)段的機車用砂標(biāo)本。

調(diào)研表明：用粒度為20～30目自然石英礦砂，機車車輪踏面光亮、基本無麻點（見圖7），且機車車輪踏面剝離很少；用粒度較粗大的石英礦砂（2.8 mm＜d≤4.0 mm時，車輪踏面不同程度存在壓痕、麻點（見圖8）；同時也有反饋表示使用粒度較大石英砂的機車車輪踏面剝離現(xiàn)象相對嚴(yán)重。

2.3 檢測分析

對使用效果較好的3個樣品標(biāo)本：外局1個樣品（樣1）、局內(nèi)2個樣品（樣2現(xiàn)用、樣3擬用），送甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院實驗室進(jìn)行理化指標(biāo)及顆粒度檢測分析，結(jié)果見表3、表4。

圖5 石英礦石

圖6 篩選后的機砂

圖7 車輪踏面光亮、基本無麻點

圖8 車輪踏面不同程度存在麻點

表2 附錄A.2規(guī)定砂子顆粒大小分布

理化指標(biāo)及顆粒度檢測分析結(jié)果表明：送檢的1號樣品機砂形狀符合標(biāo)準(zhǔn)要求且無尖角（見圖9）；粒度范圍為2.0～1.2 mm的顆粒占72.70%，1.2～0.5 mm的占27.00%，2種粒度之和為99. 70%，相比標(biāo)準(zhǔn)要求更為合理；SiO2含量為99.21%，高于標(biāo)準(zhǔn)要求；含泥土量1.10%，肉眼不可見，其他各項指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。硬度等級較高的Fe2O3、Al2O3分別為0.031%和0.261%，合計占比0.292%，從車輪踏面情況來看，這2種成分比例較小沒有構(gòu)成影響。

送檢的另2種樣品機砂表面呈多菱角形、存在尖角、非自然顆粒狀，屬礦石破碎而成（見圖10）；粒度范圍2.0～1.2 mm占64.84%和51.90%、1.2～0.5 mm的占32.00%和47.80%，2種粒度之和分別為96.84%和99.70%，基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求；SiO2含量分別為95.980%和89.350%（該樣品不合格）；含泥土量分別為0.360%和2.380%，肉眼不可見；其他技術(shù)指標(biāo)基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。硬度等級較高的Fe2O3、Al2O3（標(biāo)準(zhǔn)沒有明確）含量分別為0.284%、0.183%（標(biāo)準(zhǔn)沒有明確）和2.250%、7.200%，這2種金屬氧化物的合計占比分別為2.534%和7.383%，是1號樣砂的8.7倍和25.2倍。

圖9 和諧型機車用砂樣品1

圖10 和諧型機車用砂樣品2

表3 砂子樣品理化成分檢測數(shù)據(jù)[6]

表4 砂子樣品粒度分析數(shù)據(jù)[7]

現(xiàn)場調(diào)研還表明：機砂質(zhì)量是否適應(yīng)和諧型機車使用要求，不僅要看技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定是否合理，樣砂檢測分析結(jié)果是否達(dá)標(biāo)，關(guān)鍵還要看車輪踏面是否存在創(chuàng)傷麻點。正在使用的2號機砂除存在硬度等級較高的Fe2O3、Al2O3為1號樣砂的8.7倍外，其余指標(biāo)差別不大，但車輪踏面?zhèn)麚p卻大不相同（見圖11、圖12）。Al2O3，礦物名稱為剛玉，硬度9級，說明硬度等級較高的金屬氧化物增多，導(dǎo)致機砂硬度攀升，機砂硬度對車輪踏面?zhèn)麚p的影響相對嚴(yán)重。但該段機車車輪踏面剝離并不嚴(yán)重，這與機砂粒度選擇＜2 mm、砂子對車輪踏面造成的創(chuàng)傷在表層沒有形成龜裂不無關(guān)系。

2.4 基本結(jié)論

通過以上調(diào)研、檢測、分析及現(xiàn)場寫實得出：砂子的硬度、粒度、來源及化學(xué)成分對機車使用影響較大；選擇適應(yīng)和諧型機車使用條件的機砂是防范大功率機車車輪踏面因創(chuàng)傷形成麻點發(fā)展為非正常剝離的有效途徑。

3 標(biāo)準(zhǔn)修改建議

在TB/T 3254—2011基礎(chǔ)上，有必要將調(diào)研、寫實、檢測取得的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)納入鐵標(biāo)，進(jìn)一步完善機車用砂標(biāo)準(zhǔn)，大力減小撒砂對機車車輪的損傷。

圖11 HXD1C0370機車車輪踏面

圖12 HXD1C0375機車車輪踏面

3.1 一般性河流、湖泊、礦井自然顆粒（非石英砂）

相關(guān)化學(xué)成分和物理性能要求：

（1）砂子形狀應(yīng)盡可能不規(guī)則，顆粒大小分布（按質(zhì)量）應(yīng)基本符合表5所示粒度范圍要求；

（2）砂子不應(yīng)有可見的泥土、鐵屑或其他雜物；

（3）砂子應(yīng)經(jīng)過干燥處理，干燥處理后含水量應(yīng)小于0.6%；

（4）砂子中硬度等級較高的Fe2O3、Al2O3含量應(yīng)不大于1.0%；

（5）適用于重力式撒砂裝置。

3.2 自然石英砂和石英礦料加工砂

機車用砂首選自然石英砂，砂子形狀應(yīng)盡可能不規(guī)則，顆粒大小分布（按質(zhì)量）應(yīng)基本符合表6所示要求；如果貨源不足、供貨困難，選用石英礦料做加工砂時，應(yīng)采用烘干工藝并密切關(guān)注車輪踏面狀態(tài)，必要時抽樣做理化指標(biāo)檢測。

表5 砂子顆粒大小分布

表6 砂子顆粒大小分布

相關(guān)化學(xué)成分和物理性能要求：

（1）砂子中SiO2含量應(yīng)大于90.0%；

（2）砂料中硬度等級較高的Fe2O3、Al2O3含量應(yīng)不大于1.0%；

（3）砂子不應(yīng)有可見泥土、鐵屑或有機雜質(zhì)；

（4）砂料應(yīng)經(jīng)過干燥處理，干燥后含水量應(yīng)小于0.5%；

（5）砂子硬度范圍應(yīng)在5＜莫氏硬度＜7；

（6）砂子的灼燒損失小于0.2%；

（7）砂子干燥顆粒密度應(yīng)大于2.5 g/cm3，松散容積密度應(yīng)大于1.5 g/cm3；

（8）適用于壓差式撒砂裝置。

3.3 采購招標(biāo)

每批機砂采購招標(biāo)時，機砂供應(yīng)商應(yīng)提供本標(biāo)準(zhǔn)要求指標(biāo)的第三方檢測、分析報告原件、招標(biāo)方復(fù)印件留作存根作為機砂符合要求的依據(jù)。