動車組空心車軸運用檢修檢測方法的探討和建議

厲 浩 上海鐵路局上海動車客車段

無損檢測技術(shù)（Non Destructive Testing縮寫 NDT）是以不損害被檢測對象的使用性能為前提，應(yīng)用多種物理原理和化學(xué)現(xiàn)象，對各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有效的檢測和測試，借以評價他們的連續(xù)性、完整性、安全可靠性和某些物理性能，包括被檢測材料和構(gòu)件中是否有缺陷，并對缺陷的形狀、大小、方位、取向、分布和內(nèi)含物等情況進(jìn)行判斷。

1 選題的背景和意義

高速列車是高效運輸工具，以其靈活、方便、快捷、安全、可靠、舒適為特點，備受世界各國的青睞。隨著我國鐵路裝備現(xiàn)代化和中國鐵路跨越式的發(fā)展，鐵路動車組的發(fā)展正處于"引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，聯(lián)合涉及生產(chǎn)，打造中國品牌"的階段，空心車軸在動車組的應(yīng)用也越來越廣泛?？招能囕S是動車組轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵承載部件，其疲勞破壞直接危及運輸安全，切軸斷裂是鐵路車輛重大傾覆事故的最主要原因之一，有很強(qiáng)的隱蔽性和突然性，給國家財產(chǎn)和人民安全帶來巨大的損失和災(zāi)難。空心車軸的損傷會直接導(dǎo)致車輛的重大事故的發(fā)生，而在車軸的損失中，約有2/3是有疲勞引起的。在車軸中常見的損傷或缺陷主要來之材料、加工和裝配工藝。在動車組運營中，又遭受疲勞載荷、各種腐蝕環(huán)境和離散源載荷造成的偶然損傷，這些損傷都可能導(dǎo)致空心車軸發(fā)生災(zāi)難性的破壞。

1.1 車軸損傷及破壞的主要形式

空心車軸斷裂主要有內(nèi)部缺陷和外表面疲勞裂紋。當(dāng)空心車軸某些質(zhì)量指標(biāo)未達(dá)到規(guī)定的要求或外部的條件超過了額定的允許值而引發(fā)裂紋，導(dǎo)致斷裂。這種斷裂的機(jī)理是空心車軸薄弱區(qū)域在交變載荷的作用下，疲勞累積損傷達(dá)到一定程度后，誘發(fā)疲勞裂紋，進(jìn)而裂紋擴(kuò)展，最后導(dǎo)致斷裂。這種裂紋是極端危險的，主要特點：①發(fā)生在常溫下；②斷裂部位沒有明顯的塑性變形；③往往承受的載荷不太大；④斷裂時比較突然。所以防止空心車軸斷裂的重點應(yīng)放在空心車軸本身質(zhì)量的提高、空心車軸失效原因分析和失效的預(yù)防上。

空心車軸失效可能發(fā)生的部位主要在輪座嵌鑲部、卸荷槽和軸身中部。導(dǎo)致裂紋的原因有：內(nèi)部材質(zhì)不良、表面加工不良、腐蝕、微動摩擦損傷和軸身表面外來損傷等。常見空心車軸損傷和裂紋位置如圖1所示。

車軸內(nèi)部缺陷主要包括材料成分偏差、組織異常、夾雜級別超標(biāo)、疏松、殘余縮孔等等，它是有軸胚冶煉或空心車軸熱處理不當(dāng)造成的。運用中，疲勞裂紋從空心車軸內(nèi)部缺陷處萌生，然后逐步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。

圖1 空心車軸損傷和裂紋位置

1.2 國內(nèi)外車軸失效的歷史

鐵路開始投入運用大約是在十九世紀(jì)三十年代從英國開始，然后迅速蔓延向至歐洲、美洲和最后整個世界，這是人類進(jìn)步的里程碑。隨著我國鐵路朝著重載化合高速化發(fā)展，車軸的重要性也日漸被人所關(guān)注。

最近幾十年中，英國每年的車軸失效為1-2根，北美每年的車軸失效為2-3起，但自從1995年以來，隨著列車載重的增加，北美車軸故障數(shù)量不斷增長。從1998年到2002年五年間，車軸故障數(shù)52起，平均每年超過10起，并且是逐年增加的趨勢。德國1998年6月3日因為車軸斷裂引起列車脫軌，死傷188人。2008年10月，德國高鐵在8根車軸上發(fā)現(xiàn)裂紋，一根車軸斷裂，當(dāng)時運行速度不是很高，所以沒有造成人員傷亡。

在我國，自1974年至1993年，共發(fā)生車軸疲勞斷裂事故七十余起，每起造成經(jīng)濟(jì)損失少則十幾萬，多則上百萬。動車組是目前世界上最先進(jìn)的高速列車，空心車軸的質(zhì)量要求也非常高，隨著車軸加工制造工藝的提高，一般很少存在嚴(yán)重的材質(zhì)或加工缺陷，因此空心車軸的運用檢修檢測就顯的尤為重要，選擇一種速度快、精度高、定位準(zhǔn)的綜合檢測方法，就針對性的預(yù)防空心車軸的疲勞斷裂。

1.3 國內(nèi)動車組空心車軸運用檢修現(xiàn)狀

在高速動車組的設(shè)計中，為最大限度地減少列車對路軌的磨損（這種磨損在列車高速運行是更為劇烈），對作為列車的重要零件之一的列車車軸采用了空心車軸的結(jié)構(gòu)，目的在于減輕列車的簧下重量。

空心車軸由厚壁無縫鋼管坯料鏜孔加工而成，在其制造過程中可能產(chǎn)生內(nèi)外表面縱、橫向缺陷以及夾雜物和分層等，由于動車組的運行速度較快，在各種因素的影響下，很可能產(chǎn)生橫向疲勞裂紋，隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展，將會嚴(yán)重影響列車的安全運行，因此對此類缺陷的有效檢測就顯得尤為特別的重要。

按照鐵道部要求CRH2型動車組每運行里程6萬km進(jìn)行空心軸探傷。根據(jù)實際情況這就要求對動車組空心車軸檢測的速度快。目前上海局共配屬CRH2型動車組數(shù)和開行對數(shù)見表1?；旧厦恳粋€交路的時間為2天，而交路走行公里最大為4198 km，按照鐵道部空心車軸的探傷周期要求，平均28.6天左右就要進(jìn)行一次空心車軸探傷。在現(xiàn)有條件下，探傷次數(shù)頻率較高，因此在對空心車軸探傷時，要求探傷設(shè)備對車軸發(fā)生疲勞失效概率高的部位進(jìn)行細(xì)探，對車軸發(fā)生疲勞失效概率低的部位進(jìn)行快速掃差。這樣針對性的探傷作業(yè)，有利于提高空心車軸探傷速度，在保證探傷檢測有效性的前提下，提高探傷檢測效率，提高動車組上線利用率。

表1 上海鐵路局配屬CRH2型動車組數(shù)、開行對數(shù)及交路走行公里

2 超聲檢測

2.1 超聲檢測的原理

一般在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續(xù)，這種不連續(xù)往往有造成聲阻抗的不一致，由反射定理我們知道，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)的交界面上將會發(fā)生反射，反射回來的能量的大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)。

超聲波是頻率高于20 kHz的機(jī)械波。在超聲探傷中常用的頻率為0.5-5 MHz。這種機(jī)械波在材料中能以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面（如缺陷或被測物件的底面等）就會產(chǎn)生反射。這種反射現(xiàn)象可被用來進(jìn)行超聲波探傷，最常用的是脈沖回波探傷法探傷時，脈沖振蕩器發(fā)出的電壓加在探頭上（用壓電陶瓷或石英晶片制成的探測元件），探頭發(fā)出的超聲波脈沖通過聲耦合介質(zhì)（如機(jī)油或水等）進(jìn)入材料并在其中傳播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途徑返回探頭，探頭又將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，經(jīng)儀器放大而顯示在示波管的熒光屏上。根據(jù)缺陷反射波在熒光屏上的位置和幅度（與參考試塊中人工缺陷的反射波幅度作比較），即可測定缺陷的位置和大致尺寸。超聲檢測用的超聲波，其頻率范圍一般在 0.25 MHz～15 MHz之間。用于金屬材料超聲檢測的超聲波，其頻率范圍通常在 0.5 MHz～10 MHz之間；而用于普通鋼鐵材料超聲檢測的超聲波，其頻率范圍通常為 1 MHz～5 MHz。

2.2 超聲檢測的應(yīng)用范圍

超聲檢測可應(yīng)用于對接焊縫、角焊、板材、管材、棒材、鍛件以及復(fù)合材料等；對面積型缺陷的檢出率較高，對體積性缺陷的檢出率較低；適宜檢測厚度較大的工件?？砂l(fā)現(xiàn)工件內(nèi)部較小的裂紋、夾渣、縮孔、未焊透等缺陷。被探測物要求形狀較簡單，并有一定的表面光潔度。為了成批地快速檢查管材、棒材、鋼板等型材，可采用配備有機(jī)械傳送、自動報警、標(biāo)記和分選裝置的超聲探傷系統(tǒng)。除探傷外，超聲波還可用于測定材料的厚度，使用較廣泛的是數(shù)字式超聲測厚儀，其原理與脈沖回波探傷法相同，可用來測定化工管道、船體鋼板等易腐蝕物件的厚度。利用測定超聲波在材料中的聲速、衰減或共振頻率可測定金屬材料的晶粒度、彈性模量(見拉伸試驗)、硬度、內(nèi)應(yīng)力、鋼的淬硬層深度、球墨鑄鐵的球化程度等。此外，穿透式超聲法在檢驗纖維增強(qiáng)塑料和蜂窩結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用也已日益廣泛。超聲全息成象技術(shù)也在某些方面得到應(yīng)用。

2.3 超聲檢測的特點

超聲波穿透能力較大，例如在鋼中的有效探測深度可達(dá)1m以上；對平面型缺陷如裂紋、夾層等，探傷靈敏度較高，并可測定缺陷的深度和相對大小。超聲波可定向發(fā)射，在介質(zhì)中沿直線傳播且具有良好的指向性。設(shè)備輕便，操作安全，易于實現(xiàn)自動化檢驗。不易檢查形狀復(fù)雜的工件，要求被檢查表面有一定的光潔度，并需有耦合劑充填滿探頭和被檢查表面之間的空隙，以保證充分的聲耦合。對于有些粗晶粒的鑄件和焊縫，因易產(chǎn)生雜亂反射波而較難應(yīng)用。超聲波具有眾多與眾不同的特性，如：聲束指向性好（能量集中）；聲壓聲強(qiáng)大（能量高），傳播距離遠(yuǎn)；穿透能力強(qiáng)；在界面處會產(chǎn)生反射、透射（或折射）和波型轉(zhuǎn)換，以及產(chǎn)生衍射等。

3 遠(yuǎn)場渦流檢測

3.1 遠(yuǎn)場渦流檢測的原理

遠(yuǎn)場效應(yīng)是20世紀(jì)40年代發(fā)現(xiàn)的。1951年Maclean W.R.獲得了此項技術(shù)的美國專利。50年代殼牌公司的Schmidt T.R.獨立地再發(fā)現(xiàn)了遠(yuǎn)場渦流無損檢測技術(shù)，在世界上首次研制成功檢測井下套管的探頭，并用來檢測井下套管的腐蝕情況，1961年他將此項技術(shù)命名為"遠(yuǎn)場渦流檢測"，以區(qū)別于普通渦流檢測。遠(yuǎn)場渦流檢測的基本原理是將內(nèi)置式探頭置于被檢測鋼管內(nèi)，探頭上有一個激勵線圈，還有一個（或兩個）檢測線圈。激勵線圈和檢測線圈的距離為鋼管內(nèi)徑的2-3倍。激勵線圈發(fā)出的磁力線（能量）穿過管壁向外擴(kuò)散，在遠(yuǎn)場區(qū)又再次穿過有表面缺陷的管壁向內(nèi)擴(kuò)散，被檢測線圈接收。檢測線圈接收到的信號的幅度和相位都和壁厚有關(guān)，利用專用的軟件就可測得管壁的厚度（見圖2）。

圖2 遠(yuǎn)場渦流無損檢測的原理

3.2 遠(yuǎn)場渦流檢測的應(yīng)用范圍

遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)一般都應(yīng)用于厚壁管道，可方便測出壁內(nèi)、外表面的裂紋、凹坑、腐蝕、減薄及管壁材料的內(nèi)部缺陷。

3.1 遠(yuǎn)場渦流檢測的特點

與普通渦流、漏磁和超聲波無損檢測相比，遠(yuǎn)場渦流無損檢測具有以下優(yōu)點：被檢測的鋼管的表面不必清洗；探頭與鋼管表面不接觸，探頭外徑與鋼管內(nèi)徑之間的間隙變化對檢測結(jié)果的影響很小，允許的最大間隙為鋼管內(nèi)徑的30%，最佳間隙小于鋼管內(nèi)徑的15%；檢測鋼管內(nèi)表面和外表面的腐蝕坑的靈敏度相同；對均勻減薄、漸變減薄和偏磨減薄的檢測，都有極高的檢測靈敏度；探頭的檢測速度是否均勻?qū)z測結(jié)果無影響；鋼管內(nèi)的氣體、液體介質(zhì)對檢測結(jié)果無影響；檢測設(shè)備體積小，重量輕，便于現(xiàn)場靈活應(yīng)用；檢測數(shù)據(jù)還可存入探頭內(nèi)，實施長距離檢測。

4 結(jié)論

（1）空心車軸是高速動車組的關(guān)鍵部件，對其進(jìn)行的探傷檢測必不可少。針對空心車軸失效原因的研究，發(fā)現(xiàn)空心車軸疲勞裂紋主要的發(fā)生部位以及原因，因此在選擇探傷檢測設(shè)備時，可以針對車軸發(fā)生疲勞失效概率高的部位進(jìn)行細(xì)探，對車軸發(fā)生疲勞失效概率低的部位進(jìn)行快速掃差。

（2)按照鐵道部的動車組長遠(yuǎn)規(guī)劃，就上海鐵路局來說，動車組配屬多，上線運行交路多，走行公里多，這樣勢必導(dǎo)致對空心車軸探傷檢測的頻率高。在保證空心車軸安全的前提下，這就要求空心車軸檢測裝備檢測速度快的特點。

（3）通過對比超聲檢測和遠(yuǎn)場渦流檢測的優(yōu)缺點，可以將遠(yuǎn)場渦流檢測和超聲檢測相結(jié)合的方法，利用超聲波主要檢測空心車軸內(nèi)部缺陷，遠(yuǎn)場渦流主要檢測空心車軸內(nèi)外表面裂紋，并且兩種檢測方法互相彌補，實現(xiàn)對動車組空心車軸探傷檢測速度快、定位準(zhǔn)、精度高的三個要求。