鐵路貨車車軸卸荷槽部位斷裂系統(tǒng)分析及應(yīng)對措施

喬紅彬

(鄭州鐵路局鄭州北車輛段,河南鄭州 450000)

鐵路貨車車軸卸荷槽部位斷裂系統(tǒng)分析及應(yīng)對措施

喬紅彬

(鄭州鐵路局鄭州北車輛段,河南鄭州 450000)

針對近兩年鄭州北車輛段發(fā)現(xiàn)的RD2型車軸卸荷槽部位裂紋情況,車軸卸荷槽或軸頸根部部位仍是輪對檢修的重點(diǎn),雖然新造輪對取消了車軸卸荷槽,但還有相當(dāng)一部分在役輪對仍帶有卸荷槽,因此有必要結(jié)合2008年“5.29”冷切軸事故情況,對車軸卸荷槽部位斷裂情況進(jìn)行系統(tǒng)分析,總結(jié)該部位斷裂的主要原因,并結(jié)合現(xiàn)場輪對檢修工藝提出加強(qiáng)措施,從而有效避免貨車?yán)淝休S事故。

車軸 斷裂 分析 措施

2012年7月2日,鄭州鐵路局鄭州北車輛段鄭州北檢修車間在磁粉探傷中,發(fā)現(xiàn)RD2型輪對(軸號(hào)：4219)右端軸頸卸荷槽部位橫裂紋,裂紋部位距離車軸右端面約為204mm,裂紋長度150mm;2013年5月14日鄭州北車輛段車輪車間在磁粉探傷中,發(fā)現(xiàn)RD2型車軸(軸號(hào)：72687)右端軸頸卸荷槽部位橫裂紋,裂紋部位距離車軸右端面約為210mm,裂紋長度15mm。從該段防止的兩起貨車?yán)淝休S事故情況看,RD2型車軸卸荷槽部位仍是輪對檢修作業(yè)中的重點(diǎn)。隨著全路輪對生產(chǎn)單位車軸成型磨床的逐步使用,RD2型車軸在生產(chǎn)加工過程中漸漸取消了卸荷槽,但在役輪對中仍有相當(dāng)一部分帶有卸荷槽,因此對RD2型輪對車軸卸荷槽部位斷裂情況進(jìn)行系統(tǒng)分析,并提出相應(yīng)的控制措施,對輪對檢修工作具有一定的指導(dǎo)意義。下面就2008年“5.29”貨車?yán)淝休S事故情況進(jìn)行分析。

1 2008年“5.29”貨車?yán)淝休S事故概況

2008年5月29日1：52分,10059次貨車(編組50輛)運(yùn)行至北京局管內(nèi),機(jī)后47位C64K4927180現(xiàn)車1位軸右端卸荷槽發(fā)生冷切。事故車裝用轉(zhuǎn)K2型轉(zhuǎn)向架,RD2型車軸,車軸制造時(shí)間為2002年11月,組裝時(shí)間為2003年3月,軸號(hào)為67352。該車軸從第一次組裝到發(fā)生冷切,運(yùn)行時(shí)間約為5年2個(gè)月,斷裂位置距離車軸右端面約為207mm。斷裂發(fā)生位置示意圖如圖1所示。

2 材質(zhì)斷口特征

圖1 斷裂發(fā)生位置(車軸右端)示意圖

圖2 車軸斷裂部位宏觀特征

材質(zhì)斷口特征如圖2,根據(jù)斷口宏觀特征,將斷面劃分為A、B、C三個(gè)區(qū)域。A區(qū)為斷口裂紋源區(qū),B區(qū)為裂紋擴(kuò)展區(qū),C區(qū)為瞬時(shí)斷裂區(qū)。

上述特征表明,該軸斷裂屬于典型的疲勞斷裂。

3 車軸受力分析

該車軸從運(yùn)行到斷裂累積使用壽命約為5年2個(gè)月。列車在運(yùn)行中,車軸承受旋轉(zhuǎn)彎曲載荷,該載荷在卸荷槽部位(斷裂失效部位)橫截面上分別產(chǎn)生正應(yīng)力和剪應(yīng)力。由于彎曲載荷的作用,軸表層任意一單元體隨著車軸的旋轉(zhuǎn),承受著拉壓交變正應(yīng)力和脈動(dòng)交變剪應(yīng)力。當(dāng)單元體旋轉(zhuǎn)到車軸上部時(shí),正應(yīng)力達(dá)到最大拉伸應(yīng)力,剪應(yīng)力為零;旋轉(zhuǎn)到車軸中間部位時(shí),正應(yīng)力降為零,剪應(yīng)力達(dá)到最大值;旋轉(zhuǎn)到車軸下部時(shí),正應(yīng)力達(dá)到最大壓縮應(yīng)力,剪應(yīng)力再次降為零。如此反復(fù),構(gòu)成了車軸承受的疲勞載荷。因?yàn)檐囕S彎曲載荷引起的最大剪應(yīng)力比最大正應(yīng)力小得多,并且兩者不同時(shí)出現(xiàn),所以,可以忽略剪應(yīng)力的影響,車的疲勞斷裂主要是由彎曲載荷引起的交變正應(yīng)力反復(fù)作用所致。如圖3所示。

4 疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展成因及壽命分析

4.1 疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展成因分析

微觀檢查結(jié)果證明,裂紋萌生及其最初擴(kuò)展的方向與軸縱向成45°角,之后,裂紋方向逐漸轉(zhuǎn)向與車軸縱向垂直的橫截面方向。因此疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展的過程是,首先在剪應(yīng)力作用下,裂紋沿著與軸縱向成45°角的方向萌生并開始最初的擴(kuò)展;之后,剪應(yīng)力和正應(yīng)力共同控制短裂紋的擴(kuò)展,使裂紋方向逐漸轉(zhuǎn)向與軸縱向垂直的橫截面(斷口面)方向;最后裂紋擴(kuò)展完全受正應(yīng)力控制,其擴(kuò)展路徑徹底轉(zhuǎn)向正應(yīng)力作用面即車軸橫截面(斷口面)方向。如圖4所示。

第一階段：剪應(yīng)力作用下的裂紋沿與軸縱向約成45°的方向萌生;

第二階段：剪應(yīng)力、正應(yīng)力共同影響下的短裂紋擴(kuò)展階段;

第三階段：正應(yīng)力控制下的裂紋擴(kuò)展階段;

第四階段：瞬斷區(qū)。

4.2 疲勞壽命分析

圖3 車軸尺寸、斷裂位置、載荷及表層最大正應(yīng)力分布(a)車軸尺寸及裂斷部位(mm) (b)表層最大正應(yīng)力分布

圖4 疲勞裂紋源萌發(fā)、擴(kuò)展形成示意圖

經(jīng)宏觀觀察,在車軸卸荷槽部位近斷口軸表面有較多的腐蝕坑,較厚的腐蝕產(chǎn)物,在變截面靠近后肩附近有一圈微動(dòng)摩擦腐蝕產(chǎn)物。

車軸在腐蝕介質(zhì)中,受浸蝕而形成多源、環(huán)狀腐蝕坑。腐蝕坑處產(chǎn)生應(yīng)力集中, 易于誘發(fā)疲勞裂紋, 從而縮短疲勞裂紋萌生壽命。在腐蝕條件下,即使在很低的交變應(yīng)力作用下, 也將會(huì)引起疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展。加之腐蝕坑環(huán)狀分布,裂紋萌生點(diǎn)也環(huán)狀分布,應(yīng)力集中更加嚴(yán)重,使得萌生的顯微裂紋很快轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^裂紋,宏觀裂紋的擴(kuò)展速度更快,最終造成車軸發(fā)生短壽命的早期失效。

5 結(jié)論及對策

5.1 結(jié)論

由于斷裂車軸卸荷槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的存在,使得外界強(qiáng)腐蝕物質(zhì)(鹽類)進(jìn)入到卸荷槽部位后在此形成富集,導(dǎo)致車軸卸荷槽部位受到嚴(yán)重腐蝕并形成多源環(huán)狀腐蝕坑,在外界交變應(yīng)力作用下,卸荷槽部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中與腐蝕坑的底部應(yīng)力集中共同作用導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展并引發(fā)車軸早期失效斷裂。

5.2 對策

(1)從理論上分析,腐蝕介質(zhì)進(jìn)入車軸卸荷槽部位的通道有兩條：一是后擋與防塵擋板座的配合處,二是密封座與后擋接觸面。因此現(xiàn)場輪對檢修過程中,一是嚴(yán)格執(zhí)行后擋檢測工藝、后擋與防塵板座選配工藝,加強(qiáng)軸頸根部或卸荷槽部位防腐、防銹措施,軸承組裝前須在軸頸根部或卸荷槽處、軸頸后肩、防塵板座配合面上涂刷厚度均勻的PR-1型車軸軸頸卸荷槽專用防銹脂;二是從源頭上加強(qiáng)軸承密封裝置的結(jié)構(gòu)、制造和檢修質(zhì)量。同時(shí)要加強(qiáng)軸承壓裝前軸頸根部或卸荷槽部位的外觀質(zhì)量檢查,對該部位存在腐蝕坑的限度、處理辦法應(yīng)嚴(yán)格,不能按一般機(jī)械損傷對待。

(2)輪對進(jìn)行廠修時(shí),在舊車軸鑒定過程中必須加強(qiáng)軸頸根部或卸荷槽部位的外觀質(zhì)量檢查和檢測,卸荷槽深度超限或該部位存在腐蝕坑狀的麻點(diǎn)等現(xiàn)象時(shí)必須報(bào)廢。

(3)提高貨車車軸軸頸根部或卸荷槽部位的加工質(zhì)量。一是提高該部位的表面加工粗糙度等級(jí),這對延緩腐蝕有重要作用;二是采用專用軸頸成型磨床進(jìn)行磨削加工;三是加強(qiáng)對該部位加工質(zhì)量的檢驗(yàn),防止有加工缺陷的車軸投入運(yùn)用。

(4)嚴(yán)格落實(shí)探傷工藝,防止車軸漏探現(xiàn)象發(fā)生。近幾年,車軸探傷工作在管理、設(shè)備、工藝及工作條件等方面都有極大改善和提高,是全路冷切事故得以有效控制的重要因素。但從現(xiàn)場情況看,還存在一個(gè)不容忽視的問題,就是存在著漏探的隱患。由于探傷工序?qū)儆跈z修工序中特殊的關(guān)鍵工序,即探傷作業(yè)質(zhì)量不易或不能通過其后的工序進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)和試驗(yàn)。因此探傷工作質(zhì)量就必須從設(shè)備日常保養(yǎng)及性能校驗(yàn)、探傷材料質(zhì)量控制、工藝標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)、作業(yè)過程控制、人員素質(zhì)測試、質(zhì)量記錄填寫等方面進(jìn)行全面卡控,確保不漏探。

[1]劉吉遠(yuǎn).鐵路貨車輪軸技術(shù)概論.北京：中國鐵道出版社,2009.

[2]鐵道部.鐵路貨車輪軸組裝、檢修及管理規(guī)則.北京：中國鐵道出版社,2007.