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(yùn)行的動(dòng)車組普遍采用空心車軸。空心車軸的運(yùn)用既可利用其空心部分方便軸的在役檢測(cè)，又可以減輕列車自重，有利于提高運(yùn)行速度。空心車軸是動(dòng)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(dòng)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(lái)?yè)p傷等。這些傷損導(dǎo)致車軸上疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終造成車軸疲勞斷裂。

無(wú)損檢測(cè)是發(fā)現(xiàn)空心車軸危害性疲勞缺陷的重要檢測(cè)手段，空心車軸的在役檢測(cè)應(yīng)用主要有磁粉檢測(cè)和超聲波檢測(cè)，它們依據(jù)不同的物理原理，在實(shí)際應(yīng)用中均有一定的檢測(cè)效果。從多年積累經(jīng)驗(yàn)來(lái)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(diǎn)關(guān)注。

1 問(wèn)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(duì)于2013 年11 月首次三級(jí)修，2016 年4 月首次四級(jí)修。其中2018 年6 月因車輪磨耗到限，當(dāng)時(shí)已運(yùn)行3778118 km，因此進(jìn)行換輪維修。按照《和諧3 型動(dòng)車組高級(jí)修檢修規(guī)程》的內(nèi)容，換輪修解體后，應(yīng)對(duì)車軸外露金屬表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)，磁粉檢測(cè)均采用熒光濕法連續(xù)法，磁粉檢測(cè)時(shí)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(chǎng)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(duì)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(guò)盈配合，通過(guò)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(xiàng)為：車軸和輪轂的過(guò)盈量、表面的粗糙度、組裝時(shí)的油潤(rùn)狀態(tài)以及輪轂與軸的中心線重合度等。以上任何一項(xiàng)發(fā)生問(wèn)題，都會(huì)造成壓裝應(yīng)力增大。應(yīng)力增大時(shí)，輪座表面的損傷會(huì)嚴(yán)重。但是從該條輪對(duì)的壓裝曲線分析并沒(méi)有發(fā)生異常。

2.1.2 無(wú)損檢測(cè)分析

超聲波檢測(cè)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(guò)材料時(shí)能量會(huì)損失，在遇到聲阻抗不同的兩種介質(zhì)分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射的一種檢測(cè)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(jìn)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(guò)檢測(cè)設(shè)備被接收，并對(duì)其進(jìn)行處理和分析。

4）根據(jù)接收的超聲波的特征，評(píng)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(duì)已運(yùn)行3778118 km，按照在線探傷周期計(jì)算，在線探傷共計(jì)37 次，檢測(cè)執(zhí)行TG/CL 248—2013[2]標(biāo)準(zhǔn)，空心軸超聲波探傷機(jī)采用2 個(gè)4 MHz 的45°斜探頭，主要檢測(cè)與檢測(cè)面成45°的缺陷，如下頁(yè)圖2 所示。以中心孔內(nèi)壁為探測(cè)面進(jìn)行檢測(cè)，用1 mm 人工缺陷的對(duì)比試樣軸作為基準(zhǔn)，并補(bǔ)償一定的增益值作為掃查靈敏度，從理論上計(jì)算45°探頭可以探測(cè)到輪座處裂紋，猜測(cè)是受車輪或缺陷本身的影響，吸收了超聲波的能量，導(dǎo)致未檢測(cè)出裂紋，也可以說(shuō)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(dāng)?shù)脑鲆嬷祷蛱岣咛筋^頻率等，這還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖2 45°探頭探測(cè)裂紋圖示

磁粉檢測(cè)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(huì)發(fā)生局部畸變而產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，吸附施加在工件表面的磁粉，形成可見(jiàn)的磁痕，從而顯示出不連續(xù)的位置、大小、形狀和嚴(yán)重程度。

該輪對(duì)四級(jí)修時(shí)需進(jìn)行換輪修，退卸車輪后，對(duì)拖車車軸進(jìn)行磁粉檢測(cè)。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，磁粉檢測(cè)使用CJW3000Z 濕法連續(xù)法熒光磁粉探傷機(jī)，磁粉粒度400 目，濃度（0.1～0.6）mL/100 mL，探測(cè)靈敏度A1-15/50 試片顯示清晰完整，表面磁場(chǎng)強(qiáng)度≥4 mT，檢測(cè)結(jié)果：輪對(duì)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(yè)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(duì)斷軸或失效軸進(jìn)行失效分析，查明車軸斷裂的原因，有針對(duì)性地提出應(yīng)急補(bǔ)救措施，防止類似事故的再次發(fā)生。主要從宏觀形貌、化學(xué)成分、微觀形貌、金相檢驗(yàn)和硬度檢測(cè)等方面進(jìn)行分析。

2.2.1 宏觀分析

圖3 所示為試樣熒光磁粉檢測(cè)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行低倍組織檢驗(yàn)，縱向試樣外表面見(jiàn)裂紋，在約1.064～3.262 mm 的區(qū)域內(nèi)存在斷續(xù)分布的細(xì)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(jiàn)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(guò)硝酸酒精擦拭觀察，可見(jiàn)多條淺表裂紋。再次減薄，人工打開(kāi)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(jiàn)疲勞裂紋輝紋特征。

2.2.3 金相檢驗(yàn)

對(duì)缺陷縱向剖面試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋、化學(xué)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(zhǎng)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(kuò)展，裂紋兩側(cè)未見(jiàn)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(yàn)

截取車軸橫向剖面試樣，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，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(xué)成分、硬度檢驗(yàn)等相關(guān)指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)允許范圍內(nèi)，可判斷不是物體本身的性能所造成的，推測(cè)輪座不連續(xù)性磁痕為微動(dòng)損傷。微動(dòng)損傷是微動(dòng)磨損、微動(dòng)疲勞和微動(dòng)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(dòng)損傷產(chǎn)生的主要過(guò)程是：接觸面變形- 黏附點(diǎn)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(dòng)損傷主要發(fā)生在輪軸過(guò)盈配合面的接觸區(qū)邊緣，微動(dòng)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(kuò)展。所以車軸與輪對(duì)的過(guò)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(dāng)微滑幅度為0，即使承受較大的壓力，表面都不會(huì)發(fā)生磨損，因界面條件處于完全粘著狀態(tài)。壓力相近時(shí)，磨損大小主要取決于微滑幅度的大小。對(duì)于輪座/輪轂界面過(guò)盈配合，界面的壓力近似分布均勻，微動(dòng)幅度在接觸邊緣最大，并隨著靠近中心而減小直至為0。當(dāng)彎曲應(yīng)力增大時(shí)，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(duì)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(duì)受載彎曲時(shí)因輪座與輪轂彎曲剛度不一致產(chǎn)生的相對(duì)滑移，從而微動(dòng)磨損減輕，延緩裂紋萌生的速度。但是在車軸的運(yùn)用檢修環(huán)境過(guò)程中，輪座可能有腐蝕性的介質(zhì)進(jìn)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(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)，除了對(duì)輪對(duì)進(jìn)行定期無(wú)損檢測(cè)外，更重要的是改善輪對(duì)運(yùn)行環(huán)境及檢修措施，并嚴(yán)格按照高級(jí)修檢修規(guī)程來(lái)執(zhí)行。

4 結(jié)論

1）超聲波檢測(cè)時(shí)，4 MHz 的探頭探測(cè)缺陷的最小深度為1 mm，可在慣性疲勞區(qū)增加適當(dāng)?shù)脑鲆嬷祷蛱岣咛筋^頻率進(jìn)行檢測(cè)，且微動(dòng)損傷的無(wú)損檢測(cè)體系還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

2）為降低微動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)，除了對(duì)輪對(duì)進(jìn)行定期在線檢測(cè)外，更重要的是改善輪對(duì)運(yùn)行環(huán)境及檢修措施，并嚴(yán)格按照高級(jí)檢修規(guī)程來(lái)執(zhí)行。