劉 憲，劉舒寧，安 萍

（1 大秦鐵路股份有限公司 湖東電力機(jī)務(wù)段， 山西大同037300；2 天津商業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院, 天津300134；3 北京機(jī)務(wù)段, 北京100022）

HXD3、HXD3C型機(jī)車是我國鐵路運(yùn)輸中最大功率六軸交流傳動(dòng)客貨運(yùn)電力機(jī)車，2015 年11 月承做C5 修時(shí)，由于車輪踏面磨耗到限更換車輪，按照規(guī)程要求對車軸進(jìn)行磁粉探傷發(fā)現(xiàn)部分車軸車輪壓裝部存在不同程度的磁痕顯示，從磁痕形態(tài)顯示初步判斷為裂紋，隨后主機(jī)廠在驅(qū)動(dòng)單元檢修中也發(fā)現(xiàn)車軸裂紋，數(shù)量達(dá)到250 余件，為消除機(jī)車安全隱患，文中對HXD3型電力機(jī)車車軸裂紋進(jìn)行介紹和原因分析，并提出了應(yīng)對措施，消除車軸裂損隱患。

1 HXD3 型電力機(jī)車車軸結(jié)構(gòu)及裂紋特點(diǎn)

1.1 HXD3 型機(jī)車車軸技術(shù)規(guī)范

中國鐵路總公司標(biāo)準(zhǔn)性技術(shù)文件《HXD3型電力機(jī)車總體技術(shù)規(guī)范》（TJ/JW011-2014）和《HXD3C型電力機(jī)車總體技術(shù)規(guī)范》（TJ/JW013-2014）要求，HXD3和HXD3C型（以下簡稱HXD3）電力機(jī)車車軸性能具有以下性能：車軸加工執(zhí)行GB5068-1999、TB/T1027-1991 標(biāo)準(zhǔn)；具有良好的幾何形狀、足夠的剛度和抗疲勞的能力，車軸設(shè)計(jì)壽命達(dá)到400 萬km，材料牌號JZ50 鋼材，車軸坯鍛制進(jìn)行時(shí)效處理，車軸表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，成品軸進(jìn)行磁粉探傷和超聲波探傷檢查。車軸機(jī)械性能要求：屈服點(diǎn)不小于330 N/mm2，極限強(qiáng)度不小于593 N/mm2，延伸率不小于19%，斷面收縮率不小于35%，沖擊韌性中4 個(gè)試樣平均值不小于34 J/cm2，個(gè)別試樣最小值不小于29 J/cm2。輪對組裝要求：車輪與車軸采用壓裝配合，壓裝過盈量為0.26～0.33 mm，車軸輪座凸懸量：輪緣側(cè)為2.5 mm，非輪緣側(cè)為6.5 mm。輪對組裝執(zhí)行TB/T 1463 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，車軸結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 HXD3 型電力機(jī)車車軸結(jié)構(gòu)

1.2 HXD3 型機(jī)車車軸裂紋特點(diǎn)

HXD3型電力機(jī)車車軸裂紋產(chǎn)生在車軸輪座壓裝部位邊緣，也是以往其他型號機(jī)車車軸產(chǎn)生慣性疲勞裂紋區(qū)域和位置，車軸疲勞裂紋的產(chǎn)生在受力位置和應(yīng)力集中區(qū)的輪座內(nèi)側(cè)部位，距卸荷槽約3 mm 輪座邊緣部位范圍內(nèi)，裂紋沿車軸圓周方向，呈一條或斷續(xù)幾條，經(jīng)測量深度約為0.5 mm，裂紋發(fā)生位置如圖2 所示，經(jīng)統(tǒng)計(jì)裂紋車軸運(yùn)行公里數(shù)在100 萬km～130 萬km 之間，非齒輪側(cè)輪座產(chǎn)生裂紋比齒輪側(cè)輪座產(chǎn)生裂紋數(shù)量多，第1 軸和第6 軸數(shù)量偏多，分別占裂紋車軸總數(shù)的22% 和27%。齒輪端和非齒輪端均有裂紋，裂紋磁痕顯示中間粗、兩端細(xì)，為鋸齒狀且不平整形態(tài)，兩端成不規(guī)則的尖角型，磁粉聚集濃密清晰，磁痕輪廓清晰，磁痕形態(tài)呈典型的疲勞裂紋形態(tài)，磁痕顯示如圖3 所示，初步判斷為疲勞裂紋。隨后將車軸磁痕顯示裂紋部位進(jìn)行金相檢驗(yàn)確認(rèn)：裂紋為穿過鐵素體和珠光體的穿晶裂紋，符合疲勞裂紋特點(diǎn)，確定為疲勞裂紋，其缺陷形態(tài)如圖4所示。

圖2 車軸發(fā)生裂紋位置和特點(diǎn)

圖3 車軸裂紋磁痕顯示狀態(tài)

圖4 裂紋宏觀金相檢驗(yàn)

2 原因分析

HXD3型電力機(jī)車車軸裂紋產(chǎn)生位置在應(yīng)力集中區(qū)和慣性疲勞裂紋發(fā)生區(qū)域，通過對HXD3型機(jī)車運(yùn)行條件、牽引噸位、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)裝置懸掛方式和輪軸受力狀態(tài)等方面進(jìn)行了調(diào)研和研究論證，未發(fā)現(xiàn)異常，重新對車軸強(qiáng)度進(jìn)行了校核計(jì)算分析，并對HXD3型機(jī)車車軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料選擇、材料質(zhì)量、制造加工和裝配工藝過程控制進(jìn)行檢查，排除了車軸制造工藝、加工工序不符合設(shè)計(jì)、工藝規(guī)定，車軸產(chǎn)生裂紋的原因一般由配合面產(chǎn)生微動(dòng)磨損和壓裝部位形成集中應(yīng)力，車軸表面應(yīng)力隨著旋轉(zhuǎn)不斷地由拉應(yīng)力旋轉(zhuǎn)至壓應(yīng)力，再由壓應(yīng)力旋轉(zhuǎn)至拉應(yīng)力，是周期性變化的，產(chǎn)生交變應(yīng)力，受力極為復(fù)雜，引發(fā)彎曲形變，產(chǎn)生相對滑動(dòng)。

2.1 過盈配合產(chǎn)生微動(dòng)磨損

HXD3機(jī)車采用車軸和車輪過盈配合組裝，其壓裝過盈量0.26～0.33 mm，車軸輪座凸懸量分別為2.5 mm 和6.5 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)性技術(shù)要求規(guī)定2～7 mm 要求，車軸車輪過盈配合面之間會產(chǎn)生彈性變形量，同時(shí)在黏著、磨損、氧化和疲勞這4 種基本損傷機(jī)理的疊加和相互作用造成在接觸面局部區(qū)域發(fā)生微小幅度的相對往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成微動(dòng)損傷；同時(shí)車軸在機(jī)車承重情況下，車軸上方受到拉應(yīng)力，下方受到壓應(yīng)力，隨著車軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力交替作用在車軸上，加上牽引力、制動(dòng)力和扭力等各種力的作用下產(chǎn)生一定的彈性變形，車軸輪座和車輪配合面隨著車輪的旋轉(zhuǎn)形成相對的輕微滑動(dòng)，在微動(dòng)與未微動(dòng)區(qū)的交界處，拉應(yīng)力、剪應(yīng)力、表面摩擦力和接觸應(yīng)力在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中［1］，由于交變拉、壓應(yīng)力和切向力的反復(fù)作用使接觸表面產(chǎn)生交變的塑性變形，局部不斷形變硬化，從而使表面產(chǎn)生脫層，進(jìn)而造成蝕坑等裂紋萌生點(diǎn)加大、加深，隨著交變的塑性累積，微裂紋逐漸萌生，產(chǎn)生疲勞源，長期運(yùn)行過程中形成疲勞裂紋。

2.2 車輪壓裝使輪座邊緣產(chǎn)生集中應(yīng)力

車軸輪座內(nèi)側(cè)滑動(dòng)部位在輪軸裝配時(shí)存在較大的壓應(yīng)力，其附近非壓裝區(qū)存在較大的拉應(yīng)力，輪座壓裝區(qū)兩端形成較大的應(yīng)力集中，車軸輪座部位應(yīng)力主要有2 種，一是輪座壓入邊緣附近的殘余拉伸應(yīng)力；二是輪軸裝配部位的彎曲應(yīng)力集中作用。這些應(yīng)力經(jīng)過長時(shí)間交變作用，影響著車軸裝配部位表面的疲勞強(qiáng)度。車軸最大的軸向拉應(yīng)力應(yīng)出現(xiàn)在車軸輪座端面以外的區(qū)域，但由于車軸壓裝部位形狀為錐形口的影響，車軸在各種力的作用下會產(chǎn)生一定的彈性變形，在車軸輪座兩側(cè)與車輪配合部位相對的輕微滑動(dòng)，并隨車輪的旋轉(zhuǎn)而反復(fù)作用，所以疲勞源出現(xiàn)在車軸輪座和車輪接觸邊緣處。對于車軸的疲勞微裂紋在非齒輪側(cè)出現(xiàn)遠(yuǎn)多于齒輪側(cè)的原因，經(jīng)分析應(yīng)為兩端結(jié)構(gòu)及安裝部件的差異，造成兩端車輪與車軸間的彈性變形和相對微動(dòng)滑移量不同引起，同時(shí)由于單側(cè)齒輪傳動(dòng)，兩側(cè)車輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，非齒輪側(cè)車軸作為該位置車輪的支點(diǎn)，該位置受到扭力比齒輪側(cè)要大。

3 解決措施

3.1 優(yōu)化改造車軸輪座卸荷槽尺寸

鑒于裂紋車軸數(shù)量較多，車軸結(jié)構(gòu)雖然符合設(shè)計(jì)要求，車軸設(shè)計(jì)上是否需要進(jìn)一步完善，輪軸采用過盈配合方式進(jìn)行裝配時(shí)，對于車軸有兩相鄰座的結(jié)構(gòu)，在兩相鄰座之間應(yīng)設(shè)計(jì)卸荷槽［2］，車軸設(shè)計(jì)卸荷槽可以有效的提高配合面的疲勞強(qiáng)度，卸荷槽與階梯軸相似，配合面的應(yīng)力水平將顯著降低，但卸荷槽底部應(yīng)力集中程度增大。但輪座與卸荷槽底部直徑的比值并無規(guī)定，車軸卸荷槽結(jié)構(gòu)沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，EN 13104 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于無鄰座的車軸輪座，車軸輪座直徑與軸身直徑之比至少為1.15。國內(nèi)其他機(jī)車車軸卸荷槽對比見表1，車軸輪座與卸荷槽底部直徑的比值D/d 都在1.04～1.05 范圍內(nèi)，HXD3型機(jī)車車軸輪座直徑D=252 mm，卸荷槽直徑d=250 mm，D/d 比值為=1.008≈1.01，比值偏?。蝗缧逗刹凵疃冗^小，車軸在運(yùn)行過程中將在配合面處產(chǎn)生裂紋；如卸荷槽深度過大，車軸在運(yùn)行過程中將在卸荷槽底部產(chǎn)生裂紋，最佳卸荷槽的形狀應(yīng)為槽底和配合部的容許彎曲力矩相等時(shí)，通過試驗(yàn)研究表明，卸荷槽越深或者曲率半徑越小，配合部的疲勞極限越大，但槽底的疲勞極限將顯著降低。車軸整體的疲勞強(qiáng)度是由配合部疲勞極限曲線和卸荷槽疲勞極限曲線中的任何一個(gè)最低值決定的，使得卸荷槽最佳形狀為兩曲線的交點(diǎn)。對于給定的輪座直徑，可以根據(jù)該曲線原理求出該車軸最佳卸荷槽曲率半徑或深度。

輪座邊緣和卸荷槽部位的疲勞極限趨勢是相反的，即卸荷槽處強(qiáng)，輪座邊緣部位就弱，反之，輪座邊緣部位強(qiáng)，卸荷槽處就弱，需要找到兩者的平衡點(diǎn)，原設(shè)計(jì)時(shí)考慮了車軸壓裝部位的應(yīng)力及卸荷槽應(yīng)力的平衡，針對目前在輪座邊緣部位發(fā)生裂紋，將輪座與卸荷槽的平衡點(diǎn)需要進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化，將卸荷槽應(yīng)力在安全系數(shù)范圍內(nèi)調(diào)高一些，把平衡點(diǎn)設(shè)置轉(zhuǎn)移至重點(diǎn)防止微動(dòng)，在考慮國內(nèi)運(yùn)用條件下應(yīng)屬于更加優(yōu)化的措施。因此優(yōu)化方案考慮優(yōu)化平衡點(diǎn)，對卸荷槽部位進(jìn)行改造適當(dāng)加深，但卸荷槽的具體深度須保證卸荷槽底部應(yīng)力值不應(yīng)過高，應(yīng)保證有足夠的安全裕度和強(qiáng)度。

對非齒側(cè)輪座部位存在的裂紋，沿齒側(cè)卸荷槽底部中心向輪座側(cè)偏移1.7 mm，卸荷槽深度由原來1 mm 增加到2 mm，采用半徑R 為16 mm 的圓弧過渡，如圖5 所示；對于齒側(cè)輪座部位存在的裂紋，沿齒側(cè)卸荷槽底部中心向輪座側(cè)偏移2.2 mm，卸荷槽深度由原來1 mm 增加到2 mm，采用半徑R為16 mm 的圓弧過渡，如圖6 所示。加工完成后，均采用磁粉探傷進(jìn)行確認(rèn)，在保證裂紋被徹底消除的情況下，采用專用滾壓工具對加工部位進(jìn)行表面滾壓強(qiáng)化處理，以達(dá)到車軸優(yōu)化、加工表面強(qiáng)化的作用。

3.2 控制車軸探傷關(guān)鍵點(diǎn)

將HXD3型電力機(jī)車車軸輪座產(chǎn)生裂紋部位列為重點(diǎn)探傷關(guān)鍵部位和關(guān)鍵點(diǎn)，利用便攜式數(shù)字式超聲波探傷儀的存儲功能，將探傷作業(yè)過程的實(shí)時(shí)探傷波形存儲并轉(zhuǎn)儲到計(jì)算機(jī)上，增加波形回放功能，對轉(zhuǎn)儲的車軸探傷波形進(jìn)行二次分析，提高車軸超聲探傷安全風(fēng)險(xiǎn)管理研判，HXD3型電力機(jī)車車軸探傷作業(yè)過程進(jìn)行全面監(jiān)控管理，對異常波形進(jìn)行自動(dòng)識別和篩選，實(shí)現(xiàn)預(yù)警，提示相關(guān)人員進(jìn)行質(zhì)量控制，針對數(shù)據(jù)采集和作業(yè)進(jìn)程情況，形成一套完整檢修作業(yè)記錄過程，自動(dòng)追溯、分析、評價(jià)超聲波探傷作業(yè)質(zhì)量，進(jìn)行實(shí)施車軸探傷數(shù)據(jù)管理和評價(jià)，規(guī)范探傷作業(yè)過程、提高探傷質(zhì)量，防止車軸探傷作業(yè)由于作業(yè)者的失誤產(chǎn)生裂紋漏檢。

表1 各型機(jī)車車軸卸荷槽對比

圖5 非齒輪端卸荷槽改造

圖6 齒輪端卸荷槽改造

3.3 監(jiān)控超公里運(yùn)用車軸

HXD3發(fā)生裂紋車軸走行公里一般在100 萬km～130 萬km 之間，且裂紋深度較小，對于超過130 萬km 運(yùn)行的車軸由于沒有進(jìn)入拆解輪對進(jìn)行磁粉探傷，雖無探傷檢測裂損數(shù)據(jù)，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步判斷應(yīng)該有車軸產(chǎn)生疲勞裂紋，對于超過130 萬km 運(yùn)行的車軸，應(yīng)利用退輪時(shí)機(jī)對車軸進(jìn)行磁粉探傷外。利用機(jī)車進(jìn)入C3 修程增加超聲波探傷，采用縱波直探頭放置在車軸端面進(jìn)行軸向探傷，同時(shí)用小角度10°縱波探頭對車輪輪座和齒輪座進(jìn)行探傷［3］，按照鐵總運(yùn)（2014）306 號文件規(guī)定，車軸超聲波探傷采用2 mm 深度人工鋸口作為探傷靈敏度，由于組裝車軸車輪輪轂內(nèi)孔倒角、側(cè)面、組裝間隙以及組裝應(yīng)力都有反射回波，為分辨裂紋和固有波形，探傷靈敏度必須設(shè)置較低一些，所以小角度探傷檢查時(shí)盡量提高探傷靈敏度，在信噪比較好的狀態(tài)下進(jìn)行探傷，確保微小裂紋不漏探，但小角度縱波探頭探傷方法由于受到當(dāng)前超聲技術(shù)、現(xiàn)有超聲儀器和車軸組裝客觀條件限制，對于深度小于0.5 mm 當(dāng)量的疲勞裂紋可能發(fā)生漏檢。

3.4 合理采用無損檢測技術(shù)檢測車軸裂紋

3.4.1 利用C5 修程對車軸進(jìn)行磁粉探傷

車軸疲勞裂紋出現(xiàn)在車軸圓周外表面，磁粉探傷是發(fā)現(xiàn)車軸疲勞裂紋最有效的方法，對于服役中的車軸，最佳探傷方法采用磁軛探傷器干法探傷。機(jī)車進(jìn)入C5 修程后，無論車輪是否磨耗到限，全部拆解車輪進(jìn)行車軸磁粉探傷，對未進(jìn)入C5 修程的車輪對更換車輪的車軸也進(jìn)行磁粉探傷，在探傷作業(yè)過程中要將壓裝油脂擦拭干凈，有利于磁粉的流動(dòng)，涂抹滑石粉增加對比度，同時(shí)針對裂紋在輪座邊緣0～3 mm，探傷器放置時(shí)注意磁極不能將裂紋壓住掩蓋，必須使探傷器傾斜將一個(gè)磁極放置在靠近裂紋的齒輪側(cè)面或者非齒輪側(cè)軸箱側(cè)面，將輪座裂紋發(fā)生區(qū)域盡量使裂紋區(qū)域處于可靠、有效的磁場之中，便于裂紋磁痕的顯示和觀察，對探傷器兩極之間進(jìn)行磁痕觀察，對于形狀突變處容易積聚磁痕，應(yīng)采用吹粉球吹動(dòng)聚積的磁粉，有利于裂紋的顯示、分析和判斷。

3.4.2 對壓裝部進(jìn)行局部超聲波探傷

超聲波探傷對于不解體車輪檢測車軸疲勞裂紋最有效，但超聲波探傷是對比法，受到超聲儀器、探頭、探傷方法、工藝以及探傷人員種種因素的影響［4］，誤判率還是很高的，對于機(jī)車車軸超聲波探傷，機(jī)車車軸探傷經(jīng)歷50 多年，積累了很寶貴的車軸探傷經(jīng)驗(yàn)。退輪后的車軸除了進(jìn)行直探頭探傷檢查外，還要進(jìn)行小角度探頭縱波探傷，主要掃查疲勞裂紋產(chǎn)生的區(qū)域，并利用數(shù)字式超聲波探傷儀的波形展寬功能來仔細(xì)觀察波形，提高相鄰波形的分辨力。因?yàn)闄M波探傷靈敏度要比縱波高［5］，同時(shí)經(jīng)過計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)采用K0.7 的橫波探頭放在輪座上對輪座邊緣產(chǎn)生疲勞裂紋位置區(qū)域進(jìn)行橫波探傷，如圖7 所示，探頭前后移動(dòng)大于100 mm的距離，對靠近減載槽的齒輪座位置也進(jìn)行橫波探傷，這樣即使傳動(dòng)齒輪不進(jìn)行拆解，也能對應(yīng)力集中的齒輪座和輪座同時(shí)進(jìn)行探傷，確保車軸疲勞裂紋不漏探。在實(shí)物對比試塊上2 mm 深度人工鋸口基礎(chǔ)上增加1 mm 深度人工鋸口，其反射波如圖8、圖9 所示。

圖7 縱波小角度探頭、橫波探頭示意圖

圖8 2 mm 深度缺陷反射波

圖9 3 mm 深度缺陷反射波

3.4.3 利用超聲相控陣陣列技術(shù)檢測車軸裂紋

利用相控陣陣列技術(shù)采用不同角度探頭掃描微小裂紋［6］，有利用微小疲勞裂紋反射能量達(dá)到最高，形成較高的反射波，提高車軸微小裂紋檢測的可靠性。在車輪解體后采用相控陣超聲技術(shù)將相控陣陣列探頭放置在輪座上，對減載槽兩側(cè)進(jìn)行扇形掃描，相控陣探頭采用電子觸發(fā)可形成不同角度晶片發(fā)射超聲波，通過計(jì)算機(jī)控制激發(fā)各個(gè)晶片，形成不同角度的超聲聲束，如同多個(gè)不同角度的探頭同時(shí)工作，使不同角度的超聲聲束掃查缺陷，采用多角度的探頭進(jìn)行多次掃查來獲取最大的反射量，提高車軸裂紋檢測的可靠性。

4 結(jié)束語

HXD3型機(jī)車車軸和車輪在過盈配合組裝狀態(tài)下，承受著各種力的作用會產(chǎn)生一定的彈性變形，并伴隨相對的輕微滑動(dòng)，過盈配合發(fā)生微動(dòng)磨損，車輪壓裝使輪座邊緣產(chǎn)生集中應(yīng)力，微動(dòng)使輪座表面產(chǎn)生金屬粘連和轉(zhuǎn)移產(chǎn)生摩擦腐蝕形成疲勞裂紋源，逐漸萌生為疲勞裂紋。對車軸減載槽尺寸進(jìn)行優(yōu)化改造，緩解車軸應(yīng)力集中，延遲疲勞裂紋的產(chǎn)生，在檢修過程中利用退輪時(shí)機(jī)對車軸輪座部分進(jìn)行磁粉探傷和超聲波探傷，并增加橫波和相控陣技術(shù)進(jìn)行探傷，將會提高探傷靈敏度，能夠有效提高機(jī)車車軸裂紋檢測的準(zhǔn)確性，監(jiān)控車軸裂紋的發(fā)展?fàn)顩r，確保機(jī)車運(yùn)用安全可靠。