CRH2動車組空心車軸探傷及車軸材料熱處理工藝

李志平+王玉輝

摘要：本文以CRH2型動車組為例，介紹了CRH2動車組空心車軸在現場的探傷流程，給出了CRH2型動車組車軸表面材料的熱處理工藝。

關鍵詞：CRH2動車組；空心車軸；探傷；熱處理

1、研究背景與意義

目前，高速動車組是我國運輸行業的主要形式之一，以其快速、安全、舒適為特點，備受世界各國的青睞。目前世界各地高速列車大多采用動車組形式[1-2]。為了減緩輪對車軌作用力，減少車輛本身的重量以及降低車輛輪對的彈簧質量，目前的我國高速動車組車軸常采用空心車軸。隨著我國列車的大提速，高速動車組怎么樣才能安全、快速、舒適的服役成為首要任務。車軸是車輛轉向架的關鍵承載部件，車軸損傷具有很強隱蔽性和突發性，這將直接危及運輸安全，給國家財產和人身安全造成巨大的威脅[3-5]。

車軸是關系高速動車組安全性的一個重要部件，任何非安全設計都是不允許的。車軸疲勞使用壽命與車軸的材料、熱處理工藝都有直接關系。在動車組運行到一定時間或者距離時，就要對空心車軸進行探傷。

2、 CRH2動車組空心車軸探傷工藝

CRH2動車組空心車軸探傷采用的是HAT-M02型空心軸超聲波探傷機。

2.1開工前的準備

作業流程包括兩個方面，一是針對系統動態校驗前檢查，主要檢查探傷設備是否有異常情況；另外一個方面是針對探傷設備進行日常性能校驗，日常性能校驗通過標準如下：（1）基準缺陷反射波幅必須為滿刻度的50～80%；（2）閘門閾值必須為滿刻度的40～70%；（3）閘門閾值必須比基準缺陷的反射波幅低10～25%；（4）空心車軸過渡圓弧的反射顯示必須均勻。

2.2動車組準備

主要是實車探傷前準備工作，如下：（1）探傷工和探傷輔助人員到動車所調度室領取作業計劃單，確認探傷作業車輛及輪對位數。（2）若拆卸帶有LKJ2000速度傳感器的軸端時，由調度員通知電務段安排人員配合。（3）將探傷設備及軸端零部件拆卸作業車移到被探傷輪對旁，檢查升降機構安全位置，鎖定作業車車輪。作業車移動時，探傷儀須使用防滑腰帶捆扎牢固。（4）探傷輔助人員向調度申請接觸網斷電。

2.3空心車軸端零部件拆卸

①拆卸AG37型輪對及AG43型輪對軸端零部件

②拆卸LKJ2000型輪對軸端零部件

2.4空心軸孔除油

圖1 除油、除銹專用工具 圖2 適配器

①除油工裝如圖所示。

②連接空心軸除油裝置，空心軸除油裝置兩連接桿連接須牢固，兩中心軸線須同心，連接松動時，可適當采用生料帶進行纏繞，確保安裝牢固。

③將空心軸除油裝置插入空心軸內，空心軸除油裝置除油頭插入空心軸之前，須檢查除油頭上的橡膠圈，確保橡膠圈無破損和磨耗過限。

④手握除油裝置手推桿，使除油裝置除油頭從軸端一側移到另一側：除油裝置移動時，速度須適中，且均勻。一次除油未完全時，可變換除油頭插入角度，進行多次除油，直到手觸無明顯油跡。

2.5空心車軸除銹

空心車軸除銹的主要步驟如下：1、向空心軸內噴揮發性防銹油；2、安裝除銹裝置連接桿；3、將空心軸除銹裝置插入空心軸內；4、手握除銹裝置手推桿，使除銹裝置除油頭從軸端一側移到另一側；5、清理；6、檢查。

2.6安裝適配器

①將探頭保護套放置于空心軸內孔，應確保保護套將軸孔內部螺紋全部遮蓋住。

②將適配器主體與設備的推進機構連接緊固，并將他們一起裝入軸箱。

③旋開快拆螺母取下快拆螺栓，將適配器軸向卡環繞銷軸打開。

④將適配器軸向卡環放置于動車軸箱上的卡槽內（原用于安裝軸端防塵橡膠蓋的卡槽），穿入快拆螺栓，旋緊快拆螺母。

⑤將擠緊螺栓旋緊，抵住軸箱端面，從而將整個適配器緊固于軸箱之上。

⑥將廢油盤放置在軸箱兩端排油堵下方和適配器排油槽下方，回收探傷廢油，以免污染環境。

2.7探傷作業

①探傷工將進給機構掛懸于適配器之上，確保進給機構連接盤與適配器連接密貼、彈簧平衡器必須位于平衡梁的正下方，禁止斜拉鋼絲繩，并保證在探傷作業過程中鋼絲繩均勻受力。

②打開設備主電源開關，確認主控制箱內UPS及工控機運行良好。啟動計算機并開啟檢測軟件，探傷工將探傷車軸軸號、軸型等信息記錄在檢修記錄本上。

③操作檢測軟件應用程序，進行對比試樣軸探傷作業。單擊系統主操作界面中的 “開始”按鈕，系統提示輸入車號、軸號、軸型等信息，根據所探測的軸型、類別及探測端面，調用日常性能校驗儲存的參數并確認。在輸入數據后，對探頭停止位置進行檢查，如果探頭沒有處于停止位置，則將探頭移動到該位置。

④根據被檢空心車軸與對比試樣軸在內孔直徑、探測面狀況、材質等方面的差異進行靈敏度補償。

⑤探傷掃查時，應注意觀察B型顯示、C型顯示和TD顯示等圖像顯示并進行分析。當出現各臺階和界面顯示斷續或不均勻時，應停止作業并查明原因。

⑥如遇個別空心車軸內表面有加工或處理造成的異常時，應該適當降低探頭轉速和進給螺距，并適當提高掃查靈敏度以獲得良好的A型、B型和C型顯示圖像。

⑦如果發現疑似缺陷，操作檢測結果對話框中的“手動操作”切換到手動控制方式，將探頭移動到疑似缺陷位置查看該位置的A型顯示圖像；并通過調整螺距、探頭轉速等參數進一步確認。必要時使用動車組空心車軸便攜式超聲波探傷儀進行手工核查。

最后保存探傷記錄，并回收探傷設備，將適配器拆除。

2.8軸端零部件安裝

①安裝AG37型輪對及AG43型輪對軸端零部件

②安裝LKJ2000型輪對軸端零部件endprint

2.9作業完畢

①填寫《CRH2型動車組空心車軸超聲波探傷設備交接記錄表》

②收拾工具，清理作業場地。

③到調度室填寫作業竣工單。

3、CRH2動車組空心車軸熱處理工藝[6]

CRH2動車組空心車軸采用普通碳素鋼（S38C）加表面中頻淬火熱處理工藝，歐洲采用的熱處理工藝是合金鋼加調質，相對于這種處理工藝而言，CRH2動車組車軸的原材料成本相對較低，但是熱處理工藝比較復雜，而且要求參數控制精度高。而歐洲高速車軸原材料成本高，熱處理工藝相對簡單，相對容易實現國產化。CRH2動車組車軸的危險部位為輪座，這是由于輪座與軸身過渡圓弧部位采用大半徑和小直徑比，使得應力影響小。為了增加輪座部位的疲勞強度，采用了中頻硬化措施，以進一步提高殘余應力和硬度分布引起的疲勞強度。車軸兩端軸頸中心到輪座前半部分及兩輪座后半部分貫通部位的硬度都比較高但數值不一樣，這說明在這2個部位均采用了中頻淬火熱處理（但方法不一樣）。并且距離車軸表面硬化層深度越大，硬度越低。車軸表面殘余壓應力在超過一定的加熱溫度時反而下降。由車軸表面殘余應力和硬度分布與高頻電流頻率之間的關系可知，降低高頻硬化的頻率和加熱溫度可以大大改善車軸的疲勞強度。為了加深車軸殘余應力的分布，使其更具有抗壓性，高速車軸硬化頻率為3 kHz；同時加熱溫度為473 K，采用這種方法能夠有效的增加車軸表面附近的殘余壓應力。

4、總結

高速動車組的車軸是保證列車能夠安全、快速運行的關鍵部件，因此對動車組的定期檢修、探傷是非常有必要的。車軸的抗疲勞能力也直接跟車軸的材料及熱處理工藝有很大關系。本文就針對CRH2動車組的空心車軸給出了車軸探傷流程以及熱處理工藝。

參考文獻

[1]錢立新. 世界高速鐵路技術[M].北京： 中國鐵道出版社， 2003.

[2]佐藤芳彥.歐洲高速列車技術的最新技術發展方向[J].國外機車車輛工藝，2010，3（1）：1-4.

[3] R A Smith and S Hillmansen. A brief historical overview of the fatigue of railway axles[C]//Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part F： Journal of Rail and Rapid Transit ， 2004，218（4）：267-277.

[4]程里，余家捷.鐵路貨車切軸斷裂分析[J].理化檢驗（物理分冊）.2006，42（3）：149-151.

[5] C.Lonsdale， D.Stone. North American axle failure experience[C]//Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part F： Journal of Rail and Rapid Transit， 2004， 218（4）， 293-298.

[6] 周平宇.高速動車組車軸材料及疲勞設計方法[J]. 鐵道車輛， 2009， 47（2）：29-31.

作者簡介：李志平（1987.2-），男，漢族，籍貫：江西省撫州市，職務/現職稱：專業教師/助教。研究方向：高速鐵道技術。

基金項目：本文是湖南省教育廳科學研究項目：《高速動車組空心車軸疲勞裂紋擴展分析與剩余壽命預測研究》（13C595）endprint

2.9作業完畢

①填寫《CRH2型動車組空心車軸超聲波探傷設備交接記錄表》

②收拾工具，清理作業場地。

③到調度室填寫作業竣工單。

3、CRH2動車組空心車軸熱處理工藝[6]

CRH2動車組空心車軸采用普通碳素鋼（S38C）加表面中頻淬火熱處理工藝，歐洲采用的熱處理工藝是合金鋼加調質，相對于這種處理工藝而言，CRH2動車組車軸的原材料成本相對較低，但是熱處理工藝比較復雜，而且要求參數控制精度高。而歐洲高速車軸原材料成本高，熱處理工藝相對簡單，相對容易實現國產化。CRH2動車組車軸的危險部位為輪座，這是由于輪座與軸身過渡圓弧部位采用大半徑和小直徑比，使得應力影響小。為了增加輪座部位的疲勞強度，采用了中頻硬化措施，以進一步提高殘余應力和硬度分布引起的疲勞強度。車軸兩端軸頸中心到輪座前半部分及兩輪座后半部分貫通部位的硬度都比較高但數值不一樣，這說明在這2個部位均采用了中頻淬火熱處理（但方法不一樣）。并且距離車軸表面硬化層深度越大，硬度越低。車軸表面殘余壓應力在超過一定的加熱溫度時反而下降。由車軸表面殘余應力和硬度分布與高頻電流頻率之間的關系可知，降低高頻硬化的頻率和加熱溫度可以大大改善車軸的疲勞強度。為了加深車軸殘余應力的分布，使其更具有抗壓性，高速車軸硬化頻率為3 kHz；同時加熱溫度為473 K，采用這種方法能夠有效的增加車軸表面附近的殘余壓應力。

4、總結

高速動車組的車軸是保證列車能夠安全、快速運行的關鍵部件，因此對動車組的定期檢修、探傷是非常有必要的。車軸的抗疲勞能力也直接跟車軸的材料及熱處理工藝有很大關系。本文就針對CRH2動車組的空心車軸給出了車軸探傷流程以及熱處理工藝。

參考文獻

[1]錢立新. 世界高速鐵路技術[M].北京： 中國鐵道出版社， 2003.

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[4]程里，余家捷.鐵路貨車切軸斷裂分析[J].理化檢驗（物理分冊）.2006，42（3）：149-151.

[5] C.Lonsdale， D.Stone. North American axle failure experience[C]//Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part F： Journal of Rail and Rapid Transit， 2004， 218（4）， 293-298.

[6] 周平宇.高速動車組車軸材料及疲勞設計方法[J]. 鐵道車輛， 2009， 47（2）：29-31.

作者簡介：李志平（1987.2-），男，漢族，籍貫：江西省撫州市，職務/現職稱：專業教師/助教。研究方向：高速鐵道技術。

基金項目：本文是湖南省教育廳科學研究項目：《高速動車組空心車軸疲勞裂紋擴展分析與剩余壽命預測研究》（13C595）endprint

2.9作業完畢

①填寫《CRH2型動車組空心車軸超聲波探傷設備交接記錄表》

②收拾工具，清理作業場地。

③到調度室填寫作業竣工單。

3、CRH2動車組空心車軸熱處理工藝[6]

CRH2動車組空心車軸采用普通碳素鋼（S38C）加表面中頻淬火熱處理工藝，歐洲采用的熱處理工藝是合金鋼加調質，相對于這種處理工藝而言，CRH2動車組車軸的原材料成本相對較低，但是熱處理工藝比較復雜，而且要求參數控制精度高。而歐洲高速車軸原材料成本高，熱處理工藝相對簡單，相對容易實現國產化。CRH2動車組車軸的危險部位為輪座，這是由于輪座與軸身過渡圓弧部位采用大半徑和小直徑比，使得應力影響小。為了增加輪座部位的疲勞強度，采用了中頻硬化措施，以進一步提高殘余應力和硬度分布引起的疲勞強度。車軸兩端軸頸中心到輪座前半部分及兩輪座后半部分貫通部位的硬度都比較高但數值不一樣，這說明在這2個部位均采用了中頻淬火熱處理（但方法不一樣）。并且距離車軸表面硬化層深度越大，硬度越低。車軸表面殘余壓應力在超過一定的加熱溫度時反而下降。由車軸表面殘余應力和硬度分布與高頻電流頻率之間的關系可知，降低高頻硬化的頻率和加熱溫度可以大大改善車軸的疲勞強度。為了加深車軸殘余應力的分布，使其更具有抗壓性，高速車軸硬化頻率為3 kHz；同時加熱溫度為473 K，采用這種方法能夠有效的增加車軸表面附近的殘余壓應力。

4、總結

高速動車組的車軸是保證列車能夠安全、快速運行的關鍵部件，因此對動車組的定期檢修、探傷是非常有必要的。車軸的抗疲勞能力也直接跟車軸的材料及熱處理工藝有很大關系。本文就針對CRH2動車組的空心車軸給出了車軸探傷流程以及熱處理工藝。

參考文獻

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[4]程里，余家捷.鐵路貨車切軸斷裂分析[J].理化檢驗（物理分冊）.2006，42（3）：149-151.

[5] C.Lonsdale， D.Stone. North American axle failure experience[C]//Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part F： Journal of Rail and Rapid Transit， 2004， 218（4）， 293-298.

[6] 周平宇.高速動車組車軸材料及疲勞設計方法[J]. 鐵道車輛， 2009， 47（2）：29-31.

作者簡介：李志平（1987.2-），男，漢族，籍貫：江西省撫州市，職務/現職稱：專業教師/助教。研究方向：高速鐵道技術。

基金項目：本文是湖南省教育廳科學研究項目：《高速動車組空心車軸疲勞裂紋擴展分析與剩余壽命預測研究》（13C595）endprint