周徐行 上海恒德科技有限公司

周榮祥 上海鐵路局安全監(jiān)察室

高頻疲勞檢測技術(shù)在鐵路的應(yīng)用研究

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周榮祥 上海鐵路局安全監(jiān)察室

以國際上最新的高頻疲勞檢測技術(shù)在鐵路應(yīng)用為基礎(chǔ)，研究其在高速重載鐵路上應(yīng)用。通過德國高鐵事故的啟示，分析我國高鐵和重載鐵路金屬疲勞可能產(chǎn)生的安全風(fēng)險，列舉了疲勞檢測技術(shù)的應(yīng)用前景和具體實例。提出了用進盡量少的安全投入、提供完整可靠的安全保障的觀點。

鐵路安全；檢測技術(shù)；設(shè)備、部件，壽命預(yù)測；事故防范

安全和運輸效率始終是鐵路運輸企業(yè)追求的最主要目標(biāo)，用進盡量少的安全投入，提供完整可靠的安全保障，滿足鐵路運輸安全的需要，以安全技術(shù)發(fā)展引領(lǐng)鐵路科技發(fā)展，提高運輸效率，是現(xiàn)階段鐵路企業(yè)的一項主要工作。使用高頻疲勞檢測技術(shù)提前對設(shè)備及設(shè)備零部件使用周期、壽命、等安全可靠性指標(biāo)進行預(yù)檢測，運用設(shè)備管家的理念，對設(shè)備實施動態(tài)維修，提供滿足運輸生產(chǎn)安全的保障技術(shù)，應(yīng)該成為鐵路安全風(fēng)險防范主要內(nèi)容。

1 德國高鐵事故教訓(xùn)

1.1 德國高鐵事故概況

1998年6月3日，德國ICE884次高速列車發(fā)生了高速列車脫軌事故，事故造成101人死亡100人，88人重傷。德鐵安全部門發(fā)現(xiàn)，事故原因是由于車輛輪箍的金屬疲勞突變，導(dǎo)致輪箍的突然斷裂。由于當(dāng)時德鐵在對車輛輪對并沒有引入強制壽命檢測的規(guī)章，車輪以及其他走行部的安全檢測是完全依靠于常規(guī)的返場檢修、檢測。該事故被定性為輪餅疲勞而引起的責(zé)任事故，德鐵兩位安全主管官員以及負(fù)責(zé)檢測的工程師被以誤殺罪起訴。

1.2 德國高鐵事故給我們啟示

（1）高鐵所有零部件都必須有嚴(yán)格的檢測規(guī)定，涉及安全的關(guān)鍵部件必須進行強制檢測。事故發(fā)生后德鐵施行了高于以往10倍的檢測頻率，來找尋安全隱患?，F(xiàn)在，德聯(lián)邦鐵路局要求所有行程超過3萬km的車輪每周都要強檢。

（2）以現(xiàn)有的技術(shù)手段，涉及金屬結(jié)構(gòu)的零部件導(dǎo)致的事故都可實現(xiàn)事前預(yù)防，但由于現(xiàn)有規(guī)章不完善，沒有做。

（3）通過對設(shè)備零部件的事先檢測，能有效發(fā)防止事故發(fā)生，是規(guī)避高鐵和重載列車安全風(fēng)險，防范的事故發(fā)生的有效手段。能以最經(jīng)濟的投入，獲取最大的安全效益。

2 威脅我國高速和重載鐵路運營安全的主要問題

分析國內(nèi)高速和重載鐵路響運行安全的隱患主要集中在以下10個方面:

①列車配件裂損脫落；②零部件失效；③信息數(shù)據(jù)錯誤；④列車控制系統(tǒng)（也包括是制動系統(tǒng)的材料）故障；⑤防災(zāi)設(shè)備不穩(wěn)定；⑥建設(shè)、施工、養(yǎng)護問題；⑦外物侵限；⑧火災(zāi)；⑨弓網(wǎng)故障或停電（弓網(wǎng)材料的質(zhì)量與匹配）；⑩外部環(huán)境。而這十個方面問題中至少有3項（列車配件裂損脫落、零部件失效、材料質(zhì)量）與金屬材料檢測有密切相關(guān)。并且這3項是高鐵和重載運行安全中最常見最容易發(fā)生并導(dǎo)致嚴(yán)重后果的問題。比如在濟南、福州發(fā)現(xiàn)的輪對裂紋、在京滬高鐵發(fā)現(xiàn)的skf軸承燒軸、以及高鐵扣件斷裂，路基鋼棒打出等安全隱患都和金屬材料和零部件的事先檢測有直接的關(guān)系。

3 鐵路器材零部件或材料失效因素分析

3.1 常見零部件或材料失效原因

（1）生產(chǎn)因素：材料、鑄造、鑄造、噴砂、焊接、滾壓、鍛造、燒結(jié)、切割、打磨、機加工、熱處理、鍍膜情況。

（2）結(jié)構(gòu)因素：凹痕、孔位、尺寸、硬度、載荷、負(fù)載應(yīng)用、緊固形式；

（3）操作因素：

①機械壓/拉歷史：拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、頻率、振幅、隨機性、靜載荷、旋轉(zhuǎn)彎曲、持續(xù)時間。

②熱條件:溫度、梯度、熱條件、不變與交變。

③環(huán)境條件：陽光、腐蝕與放射。

3.2 在失效原因中腐蝕產(chǎn)生疲勞源而導(dǎo)致斷軸情況最常見

2008年7月，德國ICE的斷軸事件就是這個原因（見圖1）。國內(nèi)1996年9月3日，7419次列車在京廣線機后25位，車號C62M739221(裝煤60t)第3位軸頸卸荷槽部位斷裂，致使機后25～43位貨車脫軌顛覆的重大事故。也是此原因?qū)е?，該軸1983年7月制造、8月上車使用，斷裂位置距軸端約195mm處。斷口由疲勞源、裂紋擴展、脆性斷裂三部分組成，段修違規(guī)應(yīng)探傷而未探傷是導(dǎo)致事故的主要原因，但從斷口分析知，軸表面形成的蝕坑，促使疲勞裂紋萌生，縮短了車軸使用壽命。因此如何通過模擬車輛零部件實際工況，通過疲勞試驗，科學(xué)確定車輛零部件的使用周期，是從源頭防止事故發(fā)生的最有效措施。

圖1 德國ICE的斷軸情況

4 歐洲對鐵路零部件檢測體系

4.1 完善的法律體系

對鐵路零部件檢測全部由國際鐵路聯(lián)盟統(tǒng)一制訂，并以法規(guī)的形式公布（見圖2）。

圖2 國際鐵路聯(lián)盟統(tǒng)一制訂的法規(guī)

根據(jù)這些法規(guī)德國及歐洲鐵路規(guī)定了以下內(nèi)容為鐵路部件、零配件、結(jié)構(gòu)件強制試驗項目包括:

（2）裂紋擴展試驗---在部件、零配件、結(jié)構(gòu)件已經(jīng)產(chǎn)生缺陷情況下，在指定的工況下失效壽命。

（3）強制破壞試驗---確定部件、零配件、結(jié)構(gòu)件壽命極限在指定的工況條件下使用多少時間（或運行多少公里）失效。

德國及歐洲鐵路通過這些強制試驗對部件、零配件、結(jié)構(gòu)件安全控制防止事故發(fā)生。

4.2 典型部件的疲勞試驗（以鐵科院已經(jīng)引進的檢測設(shè)備為例）

走行部具有代表性的零部件強制疲勞試驗--不同車型的車軸疲勞試驗。

（1）歐洲電力機車及德國高速城際鐵路車軸(ICE)車軸結(jié)構(gòu)示意圖見如圖3。

圖3 歐洲電力機車及德國高速城際鐵路車軸(ICE)結(jié)構(gòu)

結(jié)論：歐洲電力機車及德國高速城際鐵路車軸的結(jié)構(gòu)與國內(nèi)現(xiàn)在所使用的車軸結(jié)構(gòu)是一樣的。

（2）試驗用的“車軸輪餅旋轉(zhuǎn)彎曲試驗機”主要測試：車軸與輪餅接觸面以及輪輻的疲勞強度，可用于時速500km，單軸載重100t車軸測試。

美國成為獨立國家后，國會建議全國人民每年慶祝感恩節(jié)。喬治·華盛頓建議把11月26日的這天定為感恩節(jié)。1863年，在漫長而血腥的內(nèi)戰(zhàn)結(jié)束時，亞伯拉罕·林肯要求所有的美國人把11月的最后一個星期四作為感恩節(jié)。

（3）機車車輛運行狀態(tài)車軸應(yīng)力梯度分析，表明試驗機工作原理是仿真機車車輛在高速運行狀態(tài)的受力狀況（見圖4）。

圖4 機車車輛在高速運行狀態(tài)的受力狀況

4.3 金屬零部件疲勞（包括腐蝕老化）導(dǎo)致的構(gòu)件破損、裂紋、失效及使用預(yù)期壽命試驗

（1）適用范圍：廣泛適用于各類金屬構(gòu)件及零部件的試驗：如鋼軌及配件（包括扣件魚尾板螺栓等），防護網(wǎng)（包括主、被動網(wǎng)）道岔（含結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)轍部分），鋼結(jié)構(gòu)橋梁、框架，機車車輛轉(zhuǎn)向架、車底架、傳動部件和支撐懸掛部件等，接觸網(wǎng)接觸懸掛設(shè)備、支持設(shè)備、立柱，以及鐵路使用的各類金屬構(gòu)件的試驗檢測

（2）工作原理：利用電機產(chǎn)生的高頻震動，和預(yù)加載的力，通過力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器和加速度傳感器模擬測定自然條件下的高速、重載列車運行時的實際工況，解決其他試驗機不能模擬列車運行狀況的問題，經(jīng)破壞性試驗還能準(zhǔn)確判定設(shè)備或失效狀態(tài)，且可以通過在設(shè)備和零部件上設(shè)置裂紋沙眼等等缺陷，有效判斷設(shè)備在已產(chǎn)生缺陷或存在隱患情況下失效壽命和突變情況，防止突變導(dǎo)致更嚴(yán)重安全問題。

（3）試驗設(shè)備，采用目前中鐵科學(xué)院已經(jīng)使用，并以此擬訂定標(biāo)準(zhǔn)的是德國Sincotec公司為德鐵和歐洲鐵路設(shè)計制造零部件試驗用的電機式高頻疲勞試驗機。

4.4 試驗實例

（1）車輪的3點彎曲試驗。使用專用夾具對輪對所承受的壓力、沖擊力，表面接觸應(yīng)力進行3點彎曲試驗，觀測金屬結(jié)構(gòu)疲勞變化，準(zhǔn)確判定輪對在高速或重載情況下（通過高頻震動和加壓設(shè)定所需的速度和載荷）連續(xù)運轉(zhuǎn)時間走行公里，及輪對使用壽命，及輪對發(fā)現(xiàn)裂紋、沙眼等缺陷后可繼續(xù)運行的條件確保運行安全（見圖5）。

圖5 車輪的3點彎曲試驗

（2）故障失效試驗，這是模擬設(shè)備、零部件、結(jié)構(gòu)件已經(jīng)發(fā)生（裂紋、沙眼等）故障情況下還能繼續(xù)運行直至失效發(fā)導(dǎo)致事故的條件的試驗，觀測其在已經(jīng)發(fā)生（裂紋、沙眼）等故障情況下設(shè)備還能在什么條件下繼續(xù)運行并確保運行安全。

（3）特殊需求試驗主要是針對特殊環(huán)境的試驗要求，通過環(huán)境模擬，能滿足設(shè)備、構(gòu)件、零配件在15000C高溫環(huán)境條件下和-500C低溫，工況條件下的疲勞試驗，以及帶有酸、堿、腐蝕工況條件下的疲勞試驗（如沿海鐵路金屬構(gòu)件容易腐蝕）和失效情況。

通過以上試驗?zāi)芸茖W(xué)確定設(shè)備維修周期。

5 高頻共振疲勞試驗機的特點

車軸輪餅旋轉(zhuǎn)彎曲試驗機和電機式高頻疲勞試驗機都屬高頻共振疲勞試驗機其共同特點是：

（1）快速試驗，可以達到上百赫茲的試驗頻率，對于需要大量試驗樣本數(shù)據(jù)來得到的零部件壽命預(yù)估計算可以以最快的速度得到零部件的壽命曲線。

（2）準(zhǔn)確的失效監(jiān)測，使用包括試樣在內(nèi)的整個結(jié)構(gòu)體系的共振頻率作為試驗設(shè)置頻率，其中試件是最弱環(huán)節(jié)。當(dāng)試樣開始出現(xiàn)早期裂紋時體系內(nèi)的共振頻率會相應(yīng)降低，達到設(shè)置偏差時,說明試件出現(xiàn)裂紋，設(shè)備自動偵測，從而在第一時間得到失效信息，了解最初的失效點，研究裂紋擴展過程，確定零部件使用壽命；也便于準(zhǔn)確判定事故原點，采取控制措施防止同類事故重復(fù)發(fā)生。

（3）能正確模擬列車高速重載運行的實際工況，高頻共振疲勞試驗機與所有試驗機不同的是,高頻共振疲勞試驗機通過高頻共振，模擬和列車運行相同的工況，特別是高速和重載條件這是其他所有試驗機單機所不能實現(xiàn)的，特別適合鐵路設(shè)備的零部件試驗使用。

（4）適應(yīng)范圍廣，通過轉(zhuǎn)換夾具就能實現(xiàn)各類零部件的試驗，一臺設(shè)備能進行各種零部件的試驗，做到一機多用，即適用于科研單位的試驗測試，新產(chǎn)品研制，也適用與生產(chǎn)單位對產(chǎn)品的自驗，或使用單位對采購產(chǎn)品的復(fù)驗

（5）極低的能耗，和所有試驗設(shè)備相比高頻共振疲勞試驗機能耗是最低的，使用共振測試，只需要非常小的能耗就能達到最大的試驗載荷，相當(dāng)于同類試驗機所需能耗的5%-20%，辦公樓的供電就能滿足試驗的需求，這大大節(jié)約了建設(shè)和試驗成本，為在辦公樓建試驗室提供了可能。實現(xiàn)試驗辦公一體化。

6 強制工況載荷試驗設(shè)備--驗證壽命預(yù)估的準(zhǔn)確性

該項技術(shù)目前德方剛向我鐵科院轉(zhuǎn)讓，設(shè)備完整照片依據(jù)保密協(xié)議不便于公布，其基本結(jié)構(gòu)是：

外部尺寸：4200×1800×2100（mm）；重量：17t；輸入功率:250kW試驗載荷: 2×1000kN；

參考力矩:200kN·m；速率:3.000U/ min(50Hz)軸承采用油循環(huán)潤滑劑冷卻系統(tǒng)；2橫1縱預(yù)加載傳動力杠桿；；4個450kN的力傳感器2個位移傳感器；8個溫度傳感器；4個加速度感器；4個流量傳感器。

這是一個完全是仿真列車運行狀態(tài)所研制的快速試驗設(shè)備，針對不同類型的零部件以及軸承，試驗機真實的模擬列車在行駛過程中試件所受的載荷以反映其真實的壽命。對車軸輪餅旋轉(zhuǎn)彎曲試驗機、電機式高頻疲勞試驗機和電機式高頻疲勞試驗機，確定的數(shù)據(jù)進行驗證。

7 結(jié)論

通過仿真試驗獲取最科學(xué)、最詳實的數(shù)據(jù)，合理制訂設(shè)備及零部件的使用、維修周期，并研究設(shè)備在失效情況下安全可靠度，是規(guī)避安全風(fēng)險，確保設(shè)備運行安全，實現(xiàn)科技包安全的一項重要內(nèi)容。高頻共振疲勞試驗方法，為此提供了最經(jīng)濟的、最簡便、最適用、能普及的試驗方法，能實現(xiàn)安全效益最大化。

責(zé)任編輯：萬寶安

來稿日期：2014-12-04