關(guān)于動車組車軸輪座不連續(xù)磁痕的分析研究

薛清濤

（智奇鐵路設(shè)備有限公司， 山西 太原 030032）

引言

目前高速運行的動車組普遍采用空心車軸?？招能囕S的運用既可利用其空心部分方便軸的在役檢測，又可以減輕列車自重，有利于提高運行速度?？招能囕S是動車組轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵承載部件，因此，它的質(zhì)量直接影響著動車組的行車安全。車軸斷裂部位主要集中在應(yīng)力集中區(qū)，那就是車軸輪座嵌鑲部、卸荷槽和軸身中部。車軸表面?zhèn)麚p的主要表現(xiàn)形式有表面加工不良、軸身表面外來損傷等。這些傷損導致車軸上疲勞裂紋的萌生和擴展，最終造成車軸疲勞斷裂。

無損檢測是發(fā)現(xiàn)空心車軸危害性疲勞缺陷的重要檢測手段，空心車軸的在役檢測應(yīng)用主要有磁粉檢測和超聲波檢測，它們依據(jù)不同的物理原理，在實際應(yīng)用中均有一定的檢測效果。從多年積累經(jīng)驗來看，目前輪座部位距輪座后肩30 mm 范圍內(nèi)、距輪座前肩50 mm 范圍內(nèi)是疲勞裂紋多發(fā)區(qū)，應(yīng)重點關(guān)注。

1 問題的提出

CRH380B 某拖車車軸，材料為EA4T，生產(chǎn)日期為2010 年11 月，該輪對于2013 年11 月首次三級修，2016 年4 月首次四級修。其中2018 年6 月因車輪磨耗到限，當時已運行3778118 km，因此進行換輪維修。按照《和諧3 型動車組高級修檢修規(guī)程》的內(nèi)容，換輪修解體后，應(yīng)對車軸外露金屬表面進行磁粉檢測，磁粉檢測均采用熒光濕法連續(xù)法，磁粉檢測時發(fā)現(xiàn)輪座部位存在周向不連續(xù)磁痕，具體詳情如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場磁粉探傷結(jié)果顯示

2 原因分析

2.1 生產(chǎn)造修分析

2.1.1 壓裝曲線的形成

空心軸輪對的組成是在空心車軸上以冷壓方式壓裝車輪及盤座，采取過盈配合，通過觀察壓裝曲線，確定壓裝力的大小。壓裝工藝的關(guān)鍵控制項為：車軸和輪轂的過盈量、表面的粗糙度、組裝時的油潤狀態(tài)以及輪轂與軸的中心線重合度等。以上任何一項發(fā)生問題，都會造成壓裝應(yīng)力增大。應(yīng)力增大時，輪座表面的損傷會嚴重。但是從該條輪對的壓裝曲線分析并沒有發(fā)生異常。

2.1.2 無損檢測分析

超聲波檢測是基于超聲波在工件中的傳播特性、衰減特性，如聲波在通過材料時能量會損失，在遇到聲阻抗不同的兩種介質(zhì)分界面時會產(chǎn)生反射的一種檢測方法[1]。其工作原理如下：

1）聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定的方式使超聲波進入工件。

2）超聲波在工件傳播并與工件材料及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征被改變。

3）改變后的超聲波通過檢測設(shè)備被接收，并對其進行處理和分析。

4）根據(jù)接收的超聲波的特征，評估工件本身及其內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷的特性。

該輪對已運行3778118 km，按照在線探傷周期計算，在線探傷共計37 次，檢測執(zhí)行TG/CL 248—2013[2]標準，空心軸超聲波探傷機采用2 個4 MHz 的45°斜探頭，主要檢測與檢測面成45°的缺陷，如下頁圖2 所示。以中心孔內(nèi)壁為探測面進行檢測，用1 mm 人工缺陷的對比試樣軸作為基準，并補償一定的增益值作為掃查靈敏度，從理論上計算45°探頭可以探測到輪座處裂紋，猜測是受車輪或缺陷本身的影響，吸收了超聲波的能量，導致未檢測出裂紋，也可以說用現(xiàn)在的掃查靈敏度并不能發(fā)現(xiàn)此異常缺陷，如發(fā)現(xiàn)慣性疲勞區(qū)的此類缺陷，需增加適當?shù)脑鲆嬷祷蛱岣咛筋^頻率等，這還需進一步驗證。

圖2 45°探頭探測裂紋圖示

磁粉檢測是鐵磁性材料工件被磁化后，如果工件的表面或近表面有缺陷存在，工件表面的磁力線會發(fā)生局部畸變而產(chǎn)生漏磁場，吸附施加在工件表面的磁粉，形成可見的磁痕，從而顯示出不連續(xù)的位置、大小、形狀和嚴重程度。

該輪對四級修時需進行換輪修，退卸車輪后，對拖車車軸進行磁粉檢測。根據(jù)相關(guān)標準，磁粉檢測使用CJW3000Z 濕法連續(xù)法熒光磁粉探傷機，磁粉粒度400 目，濃度（0.1～0.6）mL/100 mL，探測靈敏度A1-15/50 試片顯示清晰完整，表面磁場強度≥4 mT，檢測結(jié)果：輪對內(nèi)側(cè)邊緣約3 mm 區(qū)域內(nèi)，周向不連續(xù)磁痕分布一周顯示，如上頁圖1 所示。

2.2 破壞性分析

做好車軸防斷工作的重要方法之一，就是對斷軸或失效軸進行失效分析，查明車軸斷裂的原因，有針對性地提出應(yīng)急補救措施，防止類似事故的再次發(fā)生。主要從宏觀形貌、化學成分、微觀形貌、金相檢驗和硬度檢測等方面進行分析。

2.2.1 宏觀分析

圖3 所示為試樣熒光磁粉檢測顯示的裂紋的宏觀形貌，分別截取橫縱向試樣，經(jīng)磨床磨光后根據(jù)相關(guān)標準進行低倍組織檢驗，縱向試樣外表面見裂紋，在約1.064～3.262 mm 的區(qū)域內(nèi)存在斷續(xù)分布的細小裂紋。裂紋距輪座邊緣約3.262 mm 處裂紋沿周向連續(xù)分布，未見其他低倍組織缺陷。

圖3 宏觀形貌

2.2.2 微觀形貌分析

不連續(xù)磁痕的表面試樣清洗后置于掃描電鏡下觀察，不連續(xù)磁痕不明顯。經(jīng)過硝酸酒精擦拭觀察，可見多條淺表裂紋。再次減薄，人工打開裂紋形成的端口試樣，將試樣清洗后，置于掃描電鏡下觀察，可見疲勞裂紋輝紋特征。

2.2.3 金相檢驗

對缺陷縱向剖面試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋、化學侵蝕后置于顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)試樣存在一條深度為38.674μm 和34.574μm 的微裂紋，長度為28.75μm和35.91μm，如圖4 所示。裂紋起源于車軸表面并向內(nèi)擴展，裂紋兩側(cè)未見明顯脫碳現(xiàn)象，顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體。

圖4 裂紋微觀圖

2.2.4 硬度檢驗

截取車軸橫向剖面試樣，根據(jù)相關(guān)標準檢驗，結(jié)果顯示車軸表面的基體硬度分布均勻。

3 分析與討論

綜合以上分析，化學成分、硬度檢驗等相關(guān)指標均在標準規(guī)定的技術(shù)指標允許范圍內(nèi)，可判斷不是物體本身的性能所造成的，推測輪座不連續(xù)性磁痕為微動損傷。微動損傷是微動磨損、微動疲勞和微動腐蝕（酸雨等介質(zhì)）造成的材料表面磨損和疲勞的統(tǒng)稱。輪軸微動損傷產(chǎn)生的主要過程是：接觸面變形- 黏附點形成及撕裂- 磨損顆粒形成及氧化- 磨屑堆積—疲勞裂紋產(chǎn)生。

微動損傷主要發(fā)生在輪軸過盈配合面的接觸區(qū)邊緣，微動所造成的損傷產(chǎn)生氧化磨屑和表面凹坑、表面或亞表面塑性變形，在交變應(yīng)力作用下這些損傷可以引起裂紋的萌生和擴展。所以車軸與輪對的過盈配合部位為疲勞磨損易發(fā)生部位。表面磨損主要與該處的壓力和微滑幅度的乘積有關(guān)，當微滑幅度為0，即使承受較大的壓力，表面都不會發(fā)生磨損，因界面條件處于完全粘著狀態(tài)。壓力相近時，磨損大小主要取決于微滑幅度的大小。對于輪座/輪轂界面過盈配合，界面的壓力近似分布均勻，微動幅度在接觸邊緣最大，并隨著靠近中心而減小直至為0。當彎曲應(yīng)力增大時，車軸的變形量增大，曲線有上移的區(qū)域，如圖5 所示。

圖5 輪軸接觸邊緣損傷區(qū)域與相對滑移幅度示意圖

車輪與車軸裝配采用的是突懸結(jié)構(gòu)，即輪轂內(nèi)側(cè)突出輪座3～5 mm，這種結(jié)構(gòu)可以有效地減小輪對受載彎曲時因輪座與輪轂彎曲剛度不一致產(chǎn)生的相對滑移，從而微動磨損減輕，延緩裂紋萌生的速度。但是在車軸的運用檢修環(huán)境過程中，輪座可能有腐蝕性的介質(zhì)進入輪座內(nèi)側(cè)鑲?cè)氩康目p隙中，從而誘發(fā)疲勞裂紋。因此，為降低微動損傷風險，除了對輪對進行定期無損檢測外，更重要的是改善輪對運行環(huán)境及檢修措施，并嚴格按照高級修檢修規(guī)程來執(zhí)行。

4 結(jié)論

1）超聲波檢測時，4 MHz 的探頭探測缺陷的最小深度為1 mm，可在慣性疲勞區(qū)增加適當?shù)脑鲆嬷祷蛱岣咛筋^頻率進行檢測，且微動損傷的無損檢測體系還需進一步試驗研究。

2）為降低微動損傷風險，除了對輪對進行定期在線檢測外，更重要的是改善輪對運行環(huán)境及檢修措施，并嚴格按照高級檢修規(guī)程來執(zhí)行。