運(yùn)行10 年的牽引電機(jī)鋁端蓋性能評估

廉永峰，呂志成，范小晶，姬曉峰

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西 西安 710000）

隨著中國鐵路行業(yè)的快速發(fā)展，列車的行駛速度越來越快，車輛逐漸向輕量化方向發(fā)展。牽引電機(jī)為滿足輕量化要求，傳動(dòng)端、非傳動(dòng)端結(jié)構(gòu)一般采用鋁端蓋和鍛鋼軸承室結(jié)構(gòu)。在前期設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證中，已對該結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析并進(jìn)行模擬長壽命試驗(yàn)，滿足服役期間的可靠性及安全性要求。但該類鋁制部件長期運(yùn)行后是否可靠、性能是否發(fā)生變化、是否存在潛在風(fēng)險(xiǎn)仍是需要關(guān)注的問題。這些問題是決定牽引電機(jī)在全壽命周期內(nèi)、在檢修周期內(nèi)能否繼續(xù)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

目前，牽引電機(jī)在運(yùn)行兩三年后需進(jìn)行檢修，對牽引電機(jī)軸承進(jìn)行更換，對其他部件進(jìn)行相關(guān)檢測及更換。由于牽引電機(jī)傳動(dòng)端、非傳動(dòng)端蓋為鋁制部件，僅能對尺寸及關(guān)鍵部位進(jìn)行探傷，無法評估其整體性能。在該部件運(yùn)行10 年后是否能滿足后續(xù)運(yùn)行要求、性能是否發(fā)生變化，這些問題需進(jìn)行相關(guān)研究。

1 檢測項(xiàng)目

為評估鋁端蓋相關(guān)性能，主要通過對新造部件與服役10 年的部件進(jìn)行性能對比，性能對比涉及成品部件材料自身的力學(xué)性能檢測、疲勞極限測定、S-N曲線測定及殘余應(yīng)力測試。

成品材料自身的力學(xué)性能檢測，主要指標(biāo)為抗拉強(qiáng)度Rm、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2、斷后伸長率A（%）、斷面收縮率Z（%）。疲勞極限為在交變循環(huán)大至無限次（該鋁制部件采用循環(huán)次數(shù)為107）所承受的最大應(yīng)力值，疲勞極限的測試采用升降法。S-N曲線為材料的疲勞性能作用的應(yīng)力范圍S與到破壞時(shí)的壽命N（應(yīng)力比R下，橫幅載荷作用下循環(huán)到破壞的循環(huán)次數(shù)）的關(guān)系，S-N曲線的測定采用成組法和升降法。通過殘余應(yīng)力檢測確定鋁制端蓋新造和舊品的殘余應(yīng)力水平。

2 樣件

2.1 樣件數(shù)量

為滿足力學(xué)性能檢測、疲勞極限測定、S-N曲線測定，需確定樣件數(shù)量，主要涉及前鋁端蓋、后鋁端蓋，新件、舊件，樣件數(shù)量可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整，樣件要求如表1 所示。

表1 樣件要求

2.2 樣件位置

樣件的取樣位置根據(jù)鋁端蓋實(shí)際安裝應(yīng)用情況、取樣的尺寸要求確定，鋁端蓋外側(cè)為與機(jī)座配合止口的位置、內(nèi)側(cè)為與軸承室配合位置，樣件取樣示例如圖1 所示。

圖1 樣件取樣示例

2.3 樣棒制作

為保證樣棒的成棒率，需進(jìn)行樣件試取及樣棒制作，由于不同位置所取樣件大小不一致可能會(huì)導(dǎo)致無法加工成同一種樣棒，因此可根據(jù)不同的樣件制作滿足要求的樣棒。

拉伸試驗(yàn)樣棒制作參照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》[1]試驗(yàn)件具體尺寸要求：夾持端直徑要求是至少為標(biāo)距段直徑的1.5 倍（建議4 倍），試驗(yàn)件標(biāo)距段長度應(yīng)是標(biāo)距段直徑的2～3 倍。

疲勞極限、S-N曲線樣棒制作參照ASTM E466—2015《金屬材料力控制恒定振幅軸向疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程》[2]中規(guī)定，采用狗啃骨頭型試樣作為疲勞試驗(yàn)件，試驗(yàn)件具體尺寸要求：夾持端直徑要求是至少為標(biāo)距段直徑的1.5 倍（建議4 倍），倒圓角半徑至少為試驗(yàn)標(biāo)距段截面直徑的8 倍，試驗(yàn)件標(biāo)距段長度應(yīng)是標(biāo)距段直徑2～3 倍。

殘余應(yīng)力試驗(yàn)件尺寸不作強(qiáng)制要求，但需要保證截取的試樣不得釋放所測應(yīng)力，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備，合理選擇試樣尺寸，確保試樣具備一定的衍射強(qiáng)度和一定峰背比的衍射曲線，所以本研究直接采用端蓋整體作為樣件進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測。

3 力學(xué)性能檢測

3.1 樣棒數(shù)量及檢測依據(jù)

新件、舊件樣棒數(shù)量各24 個(gè)，檢測標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行分析檢測。

3.2 檢測結(jié)論

所有樣件檢測結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，新件的抗拉強(qiáng)度、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、斷后生長率和斷面收縮率均大于舊件，檢測結(jié)果如表2 所示。

表2 拉伸性能檢測結(jié)果

4 疲勞極限測定

4.1 樣棒數(shù)量及檢測依據(jù)

依據(jù)ASTM E466—2015《金屬材料力控制恒定振幅軸向疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程》執(zhí)行，采用高鎮(zhèn)同《疲勞性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理》一書中的小子樣配對升降法進(jìn)行4 種試樣的疲勞極限測量[3]。以給定的應(yīng)力為起點(diǎn)，循環(huán)基數(shù)為1.0×107，參考頻率120 Hz。樣棒數(shù)量取16 個(gè)左右（每種產(chǎn)品的具體試驗(yàn)件個(gè)數(shù)，計(jì)算每種產(chǎn)品數(shù)據(jù)的變異系數(shù)，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)HB/Z 112—1986《材料疲勞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法》[4]規(guī)定的配對數(shù)要求為準(zhǔn)）。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

舊制試驗(yàn)件疲勞極限為88 MPa，新制試驗(yàn)件疲勞極限為66 MPa，舊制試驗(yàn)件疲勞極限優(yōu)于新制試驗(yàn)件的疲勞極限。舊件疲勞升降圖如圖2 所示，新件疲勞升降圖如圖3 所示。

圖2 舊件20SS022424-1 疲勞升降圖

圖3 新件20SS022424-2 疲勞升降圖

5 S-N 曲線測定

5.1 樣棒數(shù)量及檢測依據(jù)

根據(jù)ASTM E466—2015 及GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》[5]中規(guī)定的試驗(yàn)方法執(zhí)行，采用成組法進(jìn)行2 種試樣的S-N曲線測量。以給定的應(yīng)力進(jìn)行3 級應(yīng)力水平測試，暫定每級3 件試件，參考頻率120 Hz。樣棒數(shù)量取16 個(gè)左右（每一級應(yīng)力具體試驗(yàn)件個(gè)數(shù)，計(jì)算每一級數(shù)據(jù)的變異系數(shù)，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)HB/Z 112—1986《材料疲勞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法》規(guī)定的試驗(yàn)件數(shù)要求為準(zhǔn)）。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

舊制試驗(yàn)件疲勞極限為88 MPa，新制試驗(yàn)件疲勞極限為66 MPa，新制試驗(yàn)件的疲勞極限低于舊制試驗(yàn)件的疲勞極限。舊件S-N曲線圖如圖4 所示，新件S-N曲線圖如圖5 所示。

圖4 舊件S-N 曲線圖

圖5 新件S-N 曲線圖

6 殘余應(yīng)力研究

由于拉伸性能檢測結(jié)果新件均優(yōu)于舊件，但疲勞極限及S-N曲線結(jié)果為舊件優(yōu)于新件。針對此問題，對2 種部件進(jìn)行殘余應(yīng)力研究。

殘余應(yīng)力是當(dāng)物體沒有外部因素作用時(shí)，在物體內(nèi)部保持平衡而存在的應(yīng)力[6]。殘余應(yīng)力與成品服役前應(yīng)力及服役期間使用狀況相關(guān)，殘余應(yīng)力是有方向的，與規(guī)定坐標(biāo)軸正向方向一致為“＋”，與規(guī)定坐標(biāo)軸負(fù)向一致的面為“-”。

6.1 樣件及標(biāo)準(zhǔn)

殘余應(yīng)力檢測取前鋁端蓋、后鋁端蓋新舊各1 個(gè)，檢測點(diǎn)如圖6 所示。

圖6 應(yīng)力檢測點(diǎn)

試驗(yàn)檢測參照GB/T 7704—2017《無損檢測X 射線應(yīng)力測定方法》[6]中相關(guān)規(guī)定，應(yīng)選擇合適的試驗(yàn)設(shè)備，確保試樣具備一定的衍射強(qiáng)度和一定峰背比的衍射曲線。

6.2 測試結(jié)果

根據(jù)檢測結(jié)果，所有測量點(diǎn)均為壓應(yīng)力，除前鋁端蓋舊件周向應(yīng)力及軸承室部位后鋁端蓋舊件軸向應(yīng)力大于新件外，其余測量點(diǎn)應(yīng)力舊件均小于新件，應(yīng)力檢測結(jié)果如表3 所示。

表3 應(yīng)力測試結(jié)果

7 結(jié)論

根據(jù)檢測結(jié)果評估，運(yùn)行10 年的鋁端蓋力學(xué)性能未發(fā)生明顯變化，通過疲勞極限及S-N曲線檢測及繪制，舊件性能顯示均優(yōu)于新件。

針對疲勞極限、S-N曲線檢測結(jié)果及殘余應(yīng)力檢測分析，舊件疲勞極限優(yōu)于新件與殘余應(yīng)力降低相關(guān)。

由于該測試樣件數(shù)量、檢測過程可能會(huì)存在差異造成結(jié)果存在偏差，但可為評估已運(yùn)行產(chǎn)品部件性能研究提供參考。