地鐵車輛車鉤鉤頭磁粉聚集判定與分析

黃 延

（上海地鐵維護(hù)保障有限公司，200233，上海∥工程師）

地鐵車輛車鉤鉤頭磁粉聚集判定與分析

黃 延

（上海地鐵維護(hù)保障有限公司，200233，上?！喂こ處煟?/p>

介紹了地鐵車輛車鉤鉤頭處磁粉聚集情況，通過引入DIN-EN 1369標(biāo)準(zhǔn)來對地鐵車輛車鉤鉤頭磁粉聚集現(xiàn)象進(jìn)行判定，并選擇SM2或AM2C作為地鐵車鉤磁粉聚集的判定級別，進(jìn)行理論計算和理化試驗驗證。根據(jù)該級別進(jìn)行篩選，為下一步送檢做好準(zhǔn)備。

磁粉聚集；DIN-EN 1369標(biāo)準(zhǔn)；線形排列；成行排列；質(zhì)量等級

Author'saddressShanghai Rail Transit Maintenance Support Co.，Ltd.，200233，Shanghai，China

車鉤是地鐵列車的重要部件之一，用來連接列車各車輛，實現(xiàn)車輛之間機械、電氣和氣路的連接，并且傳遞和緩和列車在運營中產(chǎn)生的縱向力。在地鐵列車進(jìn)行5年架修和10年大修時，車鉤的受力部件必須進(jìn)行磁粉探傷，包括鉤舌板、鉤舌桿、車鉤連接環(huán)以及車鉤鉤頭頸部（見圖1及圖2）。

通常情況下，鉤舌板、鉤舌桿、車鉤連接環(huán)一旦有磁粉聚集，不再使用，直接報廢。而對于通過澆注成型的車鉤鉤頭，其磁粉聚集產(chǎn)生的原因主要為鑄造缺陷或疲勞裂紋，但在判定方法上難以直觀分別。國際上對于車鉤鉤頭頸部的損傷也沒有專門的判定方式，一般只有通過RT（射線探傷）來判定。

圖1 磁粉探傷部位

圖2 鉤頭殼體連接方式

上海軌道交通的處理方式為替換磁粉聚集鉤頭，將問題鉤頭送專業(yè)檢測機構(gòu)做RT，并根據(jù)RT結(jié)論決定是否繼續(xù)使用。

到目前為止，95%的送檢磁粉聚集鉤頭均可以繼續(xù)使用。由于RT檢測價格昂貴，且周期較長。因此，送檢前的預(yù)先判斷將對生產(chǎn)周期起到至關(guān)作用。

1 鉤頭殼體結(jié)構(gòu)簡介

車鉤鉤頭在列車架大修時進(jìn)行分解，鉤頭殼體是最小的維修單元。借鑒了大鐵路對鉤緩裝置的檢修經(jīng)驗，對車鉤受力部件進(jìn)行磁粉探傷。上海軌道交通為密接式車鉤，鉤頭和緩沖器直接采用法蘭連接。

目前發(fā)現(xiàn)的磁粉聚集有與受力方向垂直的直線、曲線，以及與受力方向同向的直線及曲線，全部

都為磁粉聚集現(xiàn)象。通過分析鉤頭殼體的構(gòu)造，其磁粉聚集情況與板、棒、型材類部件較為接近。針對該種形式的材料，國際上目前較為接近的磁粉探傷標(biāo)準(zhǔn)為歐洲的DIN-EN 1369。

2 DIN-EN 1369介紹

DIN-EN 1369磁粉探傷標(biāo)準(zhǔn)，由歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會（CEN）及其下屬的190技術(shù)委員會（TC）于1997年2月共同發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)補充了pro EN ISO 9934-1里描述的磁粉檢測的框架基礎(chǔ)，作為澆鑄工業(yè)的附加要求。磁粉檢測以及任何其它無損檢測都是澆鑄件質(zhì)量認(rèn)定的一部分。

2.1 DIN-EN1369適用范圍及部分定義

（1）適用于強磁性鐵鑄件和鋼鑄件的磁粉檢測。

（2）包含質(zhì)量等級劃分的驗收標(biāo)準(zhǔn)，并按類型、范圍和尺寸對存在的缺陷進(jìn)行定義。

（3）適用于所有強磁性材料制成的澆鑄件，不論其澆鑄工序如何。

（4）對于強磁性的定義如下：如果將由鑄鐵或鋼制成的澆鑄件放在一個2.4 k A/m強度的磁場范圍內(nèi)其磁感應(yīng)度超過1 T，則該澆鑄件為強磁性的。

（5）只適用于確定要進(jìn)行檢測的澆鑄件以及待檢測澆鑄件的部分。

2.2 磁粉聚集分類

根據(jù)DIN-EN 1369，車鉤鉤頭頸部的磁粉聚集現(xiàn)象可以劃分為以下3種類型：

（1）非線性痕跡（SM）——當(dāng)磁粉聚集的長度（L）小于寬度（W）的3倍時，即L＜3W，這種磁粉聚集現(xiàn)象稱為“非線性痕跡”。通常情況下，由氣孔、夾渣和硝酸鹽引起的縮小缺陷形成的都是非線性痕跡。

（2）線性痕跡（LM）——當(dāng)磁粉聚集的長度（L）大于等于寬度（W）的3倍時，即L≥3W，這種磁粉磁粉聚集現(xiàn)象稱為“線性痕跡”。疲勞裂紋、熱縫、冷焊接等形成的磁粉聚集現(xiàn)象都是線性痕跡。

（3）成行排列的痕跡（AM）——車鉤鉤頭磁粉聚集大部分均為成行排列的痕跡。在DIN-EN 1369中規(guī)定：①當(dāng)磁粉聚集呈為多條非線性痕跡時，痕跡間距小于2 mm；②當(dāng)磁粉聚集呈為多條線性痕跡時，痕跡間的間距小于最長那個痕跡的長度，且兩個痕跡位于一條線上。

上述兩種均為成行排列痕跡。成行排列的痕跡被單獨看作一種痕跡，其長度為整列痕跡的總長。例如圖3，L指第一個痕跡的頭部到最后一個痕跡的尾部之間的距離，L=L1+L2+L3+L4+L5。

圖3 排列痕跡長度示意圖

2.3 磁粉聚集的質(zhì)量等級劃分

磁粉聚集的質(zhì)量和以下數(shù)據(jù)有關(guān)。

（1）L1（單位mm）：需要計數(shù)的最小痕跡尺寸。這是每個等級的基礎(chǔ)基數(shù)，不同等級需要計數(shù)的最小尺寸不同。

（2）L2（單位mm）：允許的最大尺寸。這是每個等級的明顯標(biāo)志，不同等級的最大允許尺寸不同。

（3）A（單位mm2）：磁粉聚集形成的面積。這是非線性痕跡中特有的，為每條磁粉聚集現(xiàn)象形成的面積之和。

（4）t（單位mm）：探傷部件的壁厚值。在線性和成行排列的痕跡中，壁厚的差異對同一等級中L1和L2取值存在影響。磁粉檢測的質(zhì)量等級詳見表1和表2。在每個質(zhì)量等級中，小于L1的可忽略不計，而最大的尺寸不得超過L2。非線性痕跡時，對于大于L1的磁粉區(qū)域要測量其長度，并計算出面積總和。線性和成行排列痕跡時，需要注意探傷部件的厚度，以及痕跡的排列形式（單個或累積）和最大尺寸L2的數(shù)量。

3 車鉤磁粉聚集現(xiàn)象等級劃分

車鉤鉤頭采用的鑄鋼件Gs20Mn5N，其力學(xué)性能根據(jù)德國規(guī)范DIN 17182（詳見表3）。由于其屬于鋼鑄件，鑄件厚度16 mm，滿足DIN-EN 1369檢測標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的使用范圍，因此可以依該標(biāo)準(zhǔn)來對車鉤鉤頭磁粉聚集現(xiàn)象進(jìn)行質(zhì)量等級劃分。

在所有的車鉤鉤頭的磁粉聚集現(xiàn)象中，其形狀和布局根據(jù)DIN-EN 1369均屬于成行排列的痕跡。如圖3車鉤鉤頭磁粉現(xiàn)象為典型的成行排列痕跡。

在圖4中，磁粉聚集現(xiàn)象呈成行列排列，3條磁粉聚集痕跡長度為L1、L2和L3（長度分別為1.2 mm、2.0 mm和5.0 mm），L1和L2為單條的非線

性痕跡，L3為2條痕跡的總長（約1.0 mm+3.5 mm）。

假設(shè)鉤頭磁粉聚集僅出現(xiàn)L1情況，則根據(jù)DIN-EN 1369，此為非線性等級，最小尺寸L1為1.5 mm，其痕跡面積約為1.2 mm2，屬于SM1等級。

表1 非線性排列痕跡（SM）等級劃分

表2 線性和成行排列痕跡（LM和AM）等級劃分

表3 Gs20Mn5N的主要機械性能

圖4 車鉤磁粉聚集現(xiàn)象情況一

假設(shè)鉤頭磁粉聚集僅出現(xiàn)L2情況，則同理判定此為非線性等級，最小尺寸L1為2 mm，其痕跡面積約為2 mm2，屬于SM2等級。

假設(shè)鉤頭磁粉聚集L1、L2情況同時存在，且因L1、和L2之間距大于2 mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)判定此為非線性等級，最小尺寸L1為2 mm（1.5 mm尺寸忽略不計），痕跡面積為2 mm2，屬于SM2等級。

圖4中，因L3磁粉聚集情況為兩段非線性痕跡的累加，間距小于2 mm，故屬于成行排列痕跡，鉤頭壁厚16 mm。最小尺寸L1=2 mm，允許最大尺寸L2=5 mm，滿足等級AM2C。

假設(shè)圖4中，L2和L3間距為1.5 mm，則根據(jù)AM2級別判斷，L為8 mm，大于允許的L2，不屬于AM2級別。根據(jù)SM3級別判斷，L1=3 mm，僅需考慮L2和L3總長：5.0 mm+2.0 mm+1.5 mm =8.5 mm，小于允許的10 mm，故其質(zhì)量等級為AM3C。

圖5屬于成行排列痕跡，選用AM3等級，L1= 3 mm（L3排除），L2=7.5 mm，根據(jù)AM3級別判斷，質(zhì)量等級為AM3C。

圖5 車鉤磁粉聚集現(xiàn)象情況二

4 上海軌道交通車鉤磁粉聚集等級選定

為順利進(jìn)行地鐵車鉤維修的后續(xù)工作，在引用DIN-EN 1369對上海軌道交通車鉤磁粉聚集現(xiàn)象進(jìn)行等級劃分后，需要判斷車鉤是否可以繼續(xù)使用（即針對標(biāo)準(zhǔn)選擇合適等級）。

DIN-EN 1369關(guān)于質(zhì)量等級的選定定義如下：磁粉檢測由購買商和制造商達(dá)成一致后進(jìn)行。質(zhì)量等級由購買商和制造商考慮相關(guān)澆鑄件的用途進(jìn)行協(xié)定。

目前上海軌道交通列車車鉤磁粉聚集等級選定如下：所有磁粉聚集等級不得大于SM2或AM2C級別，符合標(biāo)準(zhǔn)的鉤頭可繼續(xù)使用；所有超標(biāo)鉤頭部件，做好跟蹤記錄，并送專業(yè)檢測機構(gòu)作進(jìn)一步RT檢測。

5 級別選定理由

5.1 理論計算

斷裂力學(xué)認(rèn)為：構(gòu)件的斷裂往往可分為3個階段：①裂紋的生成——由于疲勞、腐蝕介質(zhì)、高溫或環(huán)境等影響，在構(gòu)件應(yīng)力集中處經(jīng)過一段使用時間形成微小裂紋；②裂紋的亞臨界擴展——在使用過程中，裂紋慢慢擴展成宏觀裂紋；③裂紋失穩(wěn)擴展——在應(yīng)力作用下，裂紋逐漸擴展，構(gòu)件失穩(wěn)斷裂。因此從裂紋的生成直至斷裂失效之間，構(gòu)件的壽命隨交變載荷次數(shù)的增加而減少。

疲勞裂紋擴展的速率表示用da/dN，dN是交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)增量，da是相應(yīng)的裂紋長度增量。當(dāng)已知裂紋擴展速率、初始裂紋長度a0與臨界裂紋長度ac，則裂紋擴展至斷裂的循環(huán)次數(shù)為：

通過計算，Gs20Mn5N在AM2C等級情況下，構(gòu)件斷裂的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)約為2.5×106。由于應(yīng)力循環(huán)次數(shù)按照最大載荷計算，根據(jù)目前的列車運營公里數(shù)，一天受最大載荷次數(shù)不會超過500次。假設(shè)每天列車承受最大載荷500次，則允許繼續(xù)使用4 000 d（約10年），故選用AM2C、AM2i和SM2級別，可以保證車鉤使用至下個維修周期。

5.2 委外理化試驗

圖5中的車鉤被送往上海材料研究所做金相分析后，根據(jù)DIN-EN 1369判定級別為AM3C。經(jīng)過金相試驗得知：L2為機械劃傷，L1和L3為鑄造缺陷，均非疲勞裂紋。該種車鉤級別可以繼續(xù)使用。

磁粉聚集級別AM3的車鉤經(jīng)過試驗可以繼續(xù)使用，AM2級別的車鉤更為安全。因此，將AM2作為上海軌道交通車輛車鉤磁粉探傷判定的初步標(biāo)準(zhǔn)是合理的。

因車鉤磁粉聚集現(xiàn)象問題曾多次與供貨商談判。供貨商技術(shù)部門也提出：磁粉聚集級別小于AM2，可以確保安全使用至下個維修周期。

6 結(jié)語

借用DIN-EN 1369預(yù)判斷車鉤磁粉聚集現(xiàn)象后，僅能對車鉤進(jìn)行判定，將超標(biāo)鉤頭送檢做RT試驗，標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)鉤頭做好技術(shù)跟蹤，至下次維修周期后重新落車檢查。這一措施增加了可用鉤頭的備件儲備率，緩解了生產(chǎn)矛盾。但徹底修復(fù)車鉤還需后續(xù)不斷的理論計算和試驗。尤其針對不同工況施加不同載荷，根據(jù)計算和試驗結(jié)果，對超標(biāo)鉤頭實施修復(fù)，是真正解決鉤頭磁粉聚集的未來發(fā)展方向。

［1］ 劉玉晶.車鉤、緩沖器常見故障的成因與處理［J］.鐵道機車車輛，2007（1）：12.

［2］ DIN-EN 1369—1997 Magnetic particle inspection［S］.

［3］ 田貞全.車鉤裂紋分析與對策建議［J］.成鐵科技，2004（4）：16.

Judgment and Analysis of Gathered Magnetic Particle on Couple Heads of Metro Vehicle

Huang Yan

The case of magnetic particle gathered on couple heads of metro vehicle is introduced，and DIN-EN1369 standard is used to judgethe the magnetic particle gatheringon couple heads，in which SM2 or AM2C gradeare selected as the magnetic particle gathering level，to verify the theoretical calculation，physical and chemical tests.Finally，according to the level of screening，the next stepfor further test is prepared.

magnetic particle gathering；DIN-EN 1369 standard；linear arrangement；rows arrangement；quality level

U 270.34

2013-02-18）