制動夾鉗杠桿螺栓超聲波探傷可行性研究

管百飛 上海鐵路局上海鐵路機務綜合開發(fā)有限公司

制動夾鉗杠桿螺栓超聲波探傷可行性研究

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機車制動器杠桿螺栓是實現(xiàn)機車制動的關鍵配件，其質量直接關系到機車行車安全。通過超聲波探傷檢查和檢修處理，能夠及時發(fā)現(xiàn)、根除機車走行部的安全隱患，保障鐵路運輸安全。

杠桿螺栓；疲勞裂紋；超聲波探傷

1 引言

2016年7月12日，杭州機務段HXD1B-0610機車，右4位制動單元夾鉗外側杠桿螺栓尾部底面與拉桿上部平面間隙處發(fā)生異常，判斷杠桿螺栓不良。當天相關技術人員對故障部位進行分解檢查，確認杠桿螺栓斷裂。防止了一起可能由于走行部部件斷裂脫落引發(fā)的事故。

2 制動夾鉗杠桿螺栓受力及裂損分析

2.1 杠桿螺栓受力分析

HXD1系列機車整個制動器夾鉗單元，通過夾鉗機構上的前后三個吊點安裝在轉向架上，夾鉗機構通過四個螺栓與制動缸體連接，夾鉗組成相當于一個機械杠桿，當制動缸充風時，制動缸內部的鞲鞴受壓縮空氣推動向前移動，其鞲鞴桿推動夾鉗臂繞杠桿螺栓轉動，以杠桿螺栓為支點使夾鉗臂的制動端閘瓦壓于動輪制動盤面上，產生制動作用。制動過程中，杠桿螺栓承受杠桿支點的剪切力的作用（見圖1）。

圖1 杠桿螺栓承受杠桿支點的剪切力的作用情況

機車制動時夾鉗杠桿螺栓為整個杠桿組成的支點，即轉軸，承受夾鉗臂傳遞的制動壓力，受力位置為上下連接架與夾鉗臂相交處，即杠桿螺栓至上端面80 mm左右處至215 mm左右處，而此區(qū)間為縮頸設計，雖有樹脂保護套，依然為應力集中區(qū)，容易發(fā)生斷裂，威脅機車走行部安全。

2.2 杠桿螺栓裂損分析

2.2.1 杠桿螺栓的材料及幾何尺寸

HXD1型機車單元制動器夾鉗杠桿螺栓材料為17Cr16Ni2，杠桿螺栓身長度為284 mm，直徑φ32.8 mm，螺栓中間有一段縮頸（見圖2），直徑φ32 mm，杠桿螺栓總長度為320 mm。

圖2 杠桿螺栓縮頸區(qū)域

2.2.2 杠桿螺栓裂損機理

杠桿螺栓疲勞裂損主要發(fā)生在單元制動器夾鉗杠桿螺栓頭部（68～90）mm、尾部（103～125）mm區(qū)域，處在杠桿螺栓與縮頸的兩端過渡區(qū)域，結構應力比較集中。機車制動時上述兩區(qū)域的某截面承受夾鉗上下連接架與夾鉗臂相交剪切力的作用，該截面處的應力瞬間大幅度劇增，而制動緩解時應力又劇降，由于應力經常劇增、劇降交替變化，使杠桿螺栓極易產生疲勞裂紋和斷裂。

2.2.3 杠桿螺栓的斷面狀態(tài)

杠桿螺栓的斷裂表面粗糙不平、晶粒粗大，與該處的熱處理性能有一定的關系。

3 探傷方法

HXD1型機車單元制動器夾鉗杠桿螺栓外部有一個保護套，機車日常庫內檢查中看不到杠桿螺栓桿身的異常狀態(tài)，根據夾鉗杠桿螺栓的安裝結構，在不分解杠桿螺栓情況下，可以在杠桿螺桿的頭部用超聲波進行探傷檢查。該型機車絕大部分單元制動器夾鉗杠桿螺栓，可以直接在機車外側面實施超聲波探傷檢查。機車第一、六位輪對的制動器夾鉗內側杠桿螺栓，同樣不需要分解夾鉗杠桿螺栓，只要將機車移動到地溝處，探傷人員進入地溝內可以進行超聲波探傷檢查。

4 工藝方案

通過制動器夾鉗杠桿螺栓裂損情況分析可知，夾鉗杠桿螺栓應力集中區(qū)域的疲勞裂紋，可以采用超聲波探傷的手段進行檢查、發(fā)現(xiàn)。

4.1 試塊

采用杠桿螺栓實物對比確定超聲波探傷的靈敏度，以杠桿螺栓的頭部作為探傷基準面，分別在杠桿螺栓頭部80 mm和尾部215 mm處徑向做人工鋸口，鋸口深度為1.0 mm（見圖3）。

圖3 人工鋸口

4.2 超聲波探頭及耦合劑

（1）疲勞裂紋探傷：用2.5P5°小角度探傷檢查杠桿螺栓80 mm處的裂紋；用2.5P2°小角度探傷檢查杠桿螺栓125 mm處的裂紋；

（2）超聲波探傷用耦合劑為10#機油。

4.3 探傷靈敏度及測距調節(jié)

4.3.1 探傷靈敏度

選擇探測面為杠桿螺栓裂紋的端頭平面，在探測區(qū)域涂抹耦合劑，用2.5P5°、2.5P2°小角度探頭，分別調節(jié)實物對比試塊上頭部80 mm和尾部215 mm處人工鋸口，波高為80%，即為近端、遠端探傷基準靈敏度。調整探傷靈敏度，保存好儀器參數（見圖4）。

圖4 探傷靈敏度調整

4.3.2 掃查靈敏度

按基準靈敏度增益6 dB為掃查靈敏度。

4.4 操作要點及注意事項

（1）探傷作業(yè)前必須正確校驗探傷靈敏度，探傷作業(yè)完畢后或連續(xù)探傷作業(yè)每隔4 h，必須復驗靈敏度，確保探傷靈敏度正確。

（2）做好杠桿螺栓探傷面的清潔工作，徹底清除杠桿螺栓端頭平面塵垢，露出金屬本色。

（3）探傷操作在杠桿螺栓頂部端面，用小角度探頭進行裂紋檢查，探頭移動時需要保障覆蓋范圍。

（4）常見疲勞裂紋主要在杠桿螺栓頭部（68～90）mm區(qū)域和尾部（103～125）mm區(qū)域應力集中區(qū)。檢測裂紋時，用小角度探頭在杠桿螺栓頂部端面中心掃查，耦合必須良好，操作時探頭旋轉360°探傷。5°小角度探頭用以螺栓頭部（68～90）mm區(qū)域處疲勞裂紋探傷，2°小角度探頭用以螺栓尾部（68～ 90）mm區(qū)域處探傷檢查，操作必須規(guī)范、認真，不可簡化作業(yè)。

（5）機車移動到地溝處停車，探傷作業(yè)前必須對機車采取止輪措施并掛好禁動牌，防止機車溜逸等發(fā)生意外人身安全事故。確認安全后才可下地溝，探傷作業(yè)時采用分步操作，減少更換探頭和調整儀器的頻次縮短時間。先進行5°和2°小角度探頭探傷檢查，做好記錄，再進行探傷情況分析。

（6）典型裂紋及波形見圖5。

圖5 HXD1B-0588機車第六位右外側杠桿螺栓近端裂紋及缺陷波形

（7）由于杠桿螺栓的探傷處存在縮頸，試驗表明會發(fā)生波形轉換，使缺陷回波位置發(fā)生較大的變化，嚴重影響探傷過程中缺陷的正確定位和定量。所以，在杠桿螺栓的超聲波探傷操作中，不推薦使用直探頭進行疲勞裂紋探傷，避免發(fā)生因探傷誤判導致行車安全事故發(fā)生。

4.5 質量判定

超聲波探傷中一旦發(fā)現(xiàn)有缺陷反射則必須分解，用磁粉探傷進行確認，對有疲勞缺陷的杠桿螺栓一律判廢，為確保機車走行部安全，杠桿螺栓桿身部分不允許存在疲勞缺陷。

5 研究運用

（1）匯總、梳理、分析一年多來全局各機務段對HXD1型機車制動器夾鉗杠桿螺栓探傷普查及各次修程中的檢修工作，進一步完善夾鉗杠桿螺栓在線探傷檢查和修程檢修的工藝，確定各級修程杠桿螺栓的檢修范圍，并納入相應的探傷范圍。

（2）與杠桿螺栓生產廠家合作，開展杠桿螺栓的機械強度分析試驗，改進杠桿螺栓的生產制造工藝，提高螺栓的強度，確保運用質量。

（3）廣泛收集、積累機車制動器夾鉗杠桿螺栓日常運用質量情況和檢修探傷數據，進行匯總、梳理和分析，制定科學的杠桿螺栓報廢評判標準，為制動器夾鉗杠桿螺栓檢修更換提供依據。同時，建議制動器夾鉗杠桿螺栓實行使用壽命管理。

6 結論

把機車制動器杠桿螺栓納入段修（C4修程）探傷范圍，修程中嚴格按上述探傷方法和工藝要求，可以不分解制動器夾鉗杠桿螺栓實施超聲波探傷檢查，確認杠桿螺栓的質量狀態(tài)，實行及時處置質量不良的杠桿螺栓，消除機車走行部安全隱患，確保運輸安全。

責任編輯：王 華

來稿日期：2017-03-07