降低車軸故障率的創新方法

原宇博

(貴陽市城市軌道交通集團有限公司 貴州 貴陽 550000)

0 引言

2000年以來，歐洲鐵路運營商不管是客運、貨運和高速列車均報告了車軸斷裂事故。2009年夏天，一輛運送危險貨物的貨車在意大利發生事故，導致人員受傷。在所有事故的后續檢查過程中都會指出存在腐蝕、運營載荷定義、維護操作步驟等方面的問題。

鐵路車軸通常連接的部件有車輪、軸箱、齒輪箱等，如圖1所示，車軸是影響列車運行安全的最關鍵零部件之一，由于車軸失效易導致嚴重的傷亡，設計者和運營方一直在盡量減少車軸在使用中發生失效的可能性[1]。為了確保車軸的可靠性及確保其滿足適當的性能，應明確定義軸橋的疲勞極限。此外，還需要創新的方法和技術來快速有效地檢查車軸，而不需要讓列車停運幾天，這在目前是一項重要的維護成本。

圖1 車軸的連接部件

歐洲輪軸聯合會(EURAXLES)旨在將鐵路輪軸故障風險降至最低水平，為了找到確定鐵路車軸疲勞極限的實用解決方案，以在不降低安全要求的情況下降低維護成本，主要開展了以下幾個領域的研究[2]：

(1)確定現有和新鋼種疲勞極限的創新方法，包括安全考慮。這些開發將有助于提升歐洲鐵路車軸和車軸標準。

(2)改善車軸粗糙度的設計，包括根據環境要求開發油漆和涂層創新解決方案。油漆附著力的改善將提高鐵路車軸的抗疲勞性。

(3)簡化的無損檢測技術允許在列車底下進行檢查，而無須任何拆卸和列車停運。這些方法需要驗證，并便于檢查，允許使用顯著提高的安全等級進行測量。

研究活動產生了更好的車軸設計驗證和檢查技術，優化了車軸產品成本及安全特性。

1 新的車軸疲勞設計方法

1.1 表征服役載荷下真實車軸嚴重程度的方法

考慮到負載幅值的可變性和車軸使用的可變性，法國國家鐵路公司(SNCF)開發了一個在線軸重測量數據庫，以便更好地了解實際服役載荷的變化性。該項目獲得了Dynotrain(火車動力學項目)和Hembot(現代火車高效動車轉向架研究項目)項目的數據，SNCF同時組織了一個測試活動，增加了在法國運行的客車的數據。車軸通常的受力如圖2所示，包含輪軌間垂向載荷Q1、Q2，軸箱垂向載荷P1、P2，輪軌間橫向載荷Y1、Y2等。法國國家鐵路公司從這些載荷數據中，提取出了兩個簡化的代表性載荷譜，并分發給合作伙伴進行進一步分析。同時，提出了一種軸疲勞載荷的分析方法，參數分析結果顯示了對所選損傷規律的顯著敏感性。通過對小比例樣品進行可變振幅載荷實驗，這種損傷規律得到了精確的模擬和表示。然后，在定義車軸壽命基本情況和虛擬用途的基礎上，SNCF提出了一種估算負荷嚴重程度真實分布的方法。最后，將該方法應用于SNCF客車，并根據負荷嚴重度分布估計出了標準負荷(定義在EN 13103/13104中)的嚴重度為P1=3.6×10-5，并估計了在用故障概率(Pf=3×10-8)。

圖2 車軸受力示意圖

1.2 車軸數值驗證過程方法

通過定義待測試和模擬車軸及臺架的詳細幾何形狀后，生成了拖車和動車車軸的數值模型，并與試驗進行了比較，結果如圖3所示。EN 13103/13104中定義的過渡部位相關的應力集中因子低于通過有限元計算獲得的應力集中因子(大約低18%～20%)，有限元法得到的凹槽應力也不同于按照EN 13103規則得到的應力。與此同時，試驗結果也表明，疲勞極限在標準中被低估，因此當前的設計過程仍然是安全的(這也可以從該領域反饋的經驗來說明)。對過渡部位進行的參數分析使團隊能夠根據車軸幾何參數完善求出應力集中因子的公式。團隊還對整個輪對進行了仿真，給出了如何在車軸驗證過程中使用有限元法以及如何生成相關有限元模型的建議。

圖3 不同計算方法的應力集中系數對比

1.3 評估車軸實際服役可靠性(故障率)的方法

Polimi提出了基于歐洲規范標準的半概率方法(semi-probabilistic)作為驗證車軸設計的方法。該方法使用測量得到的“代表性載荷譜”，并使人們能夠根據材料疲勞極限的分散性和載荷不確定性的簡單假設，提出驗證過程中要定義的最小安全系數。SNCF提出了基于應力和強度干涉分析的第二種全概率方法，以估計車軸的故障率，同時考慮了疲勞極限分散性以及負載嚴重程度的真實分布。使用SNCF客車拖車車軸作為應用對象，采用前期得到的材料特性和載荷測量方法來評估其故障率。結果表明：計算出的故障率相對較小，其數量級與真實使用情況相當吻合。

2 鐵路車軸疲勞極限評估的新測試方法

研究前期通過試驗測量出車軸的疲勞極限，這些信息是設計中的主要輸入。該研究考慮了由標準材料(A1N和A4T)制成的車軸，并從統計角度定義了測試和分析獲得數據的標準方法，以便將來能夠在新材料或新表面處理的鑒定中應用相同的方法。

實際測試中考慮的車軸狀況是標準精加工表面的車軸，其軸身(自由表面)與進行車輪、制動盤或軸承壓配的軸座分開評估；在壓配位置，當大彎矩施加到車軸上時，部件的耦合會產生相對微小的滑動并由此產生摩擦力，最終導致局部磨損和軸座側面可能產生的微小裂紋，這種現象被稱為摩擦磨蝕，其結果是疲勞極限會顯著低于軸身，試驗的壓配軸座平均疲勞極限(F4，A4T軸，直徑比1.12)為124 MPa，如圖4所示，圖中右側為在磁粉探傷試驗結束時發現的表面裂紋，疲勞極限結果低于歐洲標準中給出的值(132 MPa)。這種疲勞極限降低現象的嚴重程度更多地取決于車軸的幾何形狀(軸座-軸身直徑比)，而不是材料本身；為此，團隊定義并測試了不同的車軸幾何形狀。研究了微動疲勞的理論建模，為評價裂紋萌生的可能性和裂紋擴展的評估提供標準，并提供優化設計的工具。

圖4 直徑比為1.12的F4 A4T車軸的階梯疲勞試驗結果

研究的一個重要主題是可以提高車軸表面防腐蝕能力的解決方案，為此，提出了一些表面處理技術(噴砂加工，增加粗糙度等等)，因為類似的解決方案會對表面疲勞極限產生影響。

RAFIL工廠制備了兩批1/3比例的車軸，并由SNCF進行測試，第一系列的最終粗糙度Ra為3～4 μm，第二系列的粗糙度為6～7 μm。較低粗糙度比較高粗糙度(分別為340 MPa和363 MPa)顯示出稍低的疲勞極限。產生差異的原因應該是：為獲得更高的粗糙度，噴砂壓力增加使殘余壓應力增加。因此噴砂工藝可能會增加標準軸橋表面的殘余壓應力，從而提高疲勞極限。

此外，對未上漆的腐蝕表面F1(過渡和凹槽)A1N車軸的疲勞極限進行了疲勞極限測試。從行駛了106km的客車上取下10根未上漆的使用約10年A1N車軸。疲勞試驗的結果顯示平均疲勞極限相比新車軸降低了近13%，標準偏差增加了約18%。

3 最小化腐蝕影響的方法

研究了軸表面的常規和新制備條件，以提供涂層體系的良好黏附性，并找出表面性質與涂料體系黏附性之間的相關性。Bonatrans、BVV、CAF、GHH、Lucchini和Valdunes等公司制備了183份樣品，并在試驗中進行了分析。ENSCL和UNIUD大學對選定的16個不同樣品進行了進一步的實驗室測試，以評估涂層系統的保護性能，并試圖將其與表面條件聯系起來。表面處理和附著力測試之間的相關性無法明確解釋。獲得的結果主要取決于涂料體系。只有在電化學測試之后，才觀察到樣品之間的一些差異。噴砂處理對附著力的改善效果最好，SNCF的進一步鹽霧試驗也強調了這一結果。

研究了其他行業的替代性和創新性油漆和涂層解決方案，特別是海洋等對防腐要求高的行業。對發現的方法進行了使用條件、環境影響、成本效益和使用限制方面的分析。評估結果表明，只有少數技術值得進一步研究是否可用于輪對車軸。建議對以下涂層系統進行進一步研究：熱噴涂(電弧噴涂或火焰噴涂)鋅鋁涂層；冷等離子滲氮；鎳/碳化硅納米涂層。

所進行的調查表明：所有這些涂層系統都有良好的防腐性能。然而，進一步的研究應包括涂層系統是否需要面漆以更好地抵抗碎石沖擊，這種面漆可能是傳統的涂層系統。

此外，還研究了可剝離涂層。可剝離涂層用于臨時防腐。這些涂層系統的特征是它們容易被快速去除。因此，在涂層損壞的情況下，修復比較容易。檢查軸表面時，涂層也很容易去除。采用合適的維護理念，可剝離涂層可能是有意義的，還需要進一步研究。

4 在役車軸的無損檢測和可靠性驗證

適用于改進當前檢驗的有以下技術和方法：超聲相控陣技術、合成孔徑聚焦技術(SAFT)、POD模擬、用于表面裂紋檢測的感應熱成像、狀態監測。

相控陣技術已經廣泛應用于大修中實心軸的自動超聲波檢測，特別是軸的圓柱部分。相控陣探針被應用于端面測試，并且與傳統探針端面測試相比可以展現出相當大的優勢。一種新的相控陣方法，即所謂的采樣相控陣(SPA)和一種特殊的噪聲消除算法(eRDM)，與傳統的相控陣技術相比，允許顯著提高信噪比。在使用大角度掃描技術對裝配和涂裝車軸進行檢測的情況下，SPA的好處尤其明顯。這對于輕度維護列車上的車軸檢測特別有意義，因為在輕度維護中，去除超聲波探頭接觸面上的涂層并不方便。有了這項新技術，火車上可以進行大角度掃描，并且能夠節省時間和成本。使用這種運輸便捷和靈活的設備對實心車軸進行100%檢查，可以作為固定式檢查系統的一種相對經濟的替代方案。

對于空心軸檢測，目前的研究活動由DB開展，旨在將相控陣技術與SAFT方法相結合，用于分析例行檢查中發現的超聲缺陷。這兩種方法的結合允許通過計算顯示幾何缺陷的重建圖像以及在裂紋情況下的裂紋尖端信號，以區分錯誤指示和裂紋。區分裂紋和錯誤指示對于避免在指示原因不明的情況下拆卸車軸非常重要。這樣，空心軸檢測變得更加有效。除了超聲波指示的分類之外，通過評估大約2 mm深度裂紋的裂紋尖端信號，可以確定檢測到的裂紋的尺寸。

檢測方法的缺陷檢測能力可以通過其檢出概率(POD)來表征。然而，POD的試驗測定非常耗時和昂貴。為了減少POD測定的工作量，模擬工具是一種合適的手段。如果所應用的檢測技術的POD是已知的，檢測間隔可以被優化并建立得不那么保守。一般來說，模擬工具對于優化檢驗技術和支持驗證過程非常方便。

除超聲波外，磁粉檢測(MT)還適用于車軸檢測，尤其是實心車軸檢測。然而，到目前為止，磁粉檢測必須目視評估，因為目前沒有全自動系統存在。此外，磁粉檢測需要熒光粒子液體，必須在檢查后處理。這些缺點可以通過感應熱成像來克服，感應熱成像可以實現自動化，這是進一步處理熱成像數據以抑制干擾影響和利用熱成像圖像序列的時間變化所提供附加信息的先決條件。

對于未來的維護概念，應該從常規維護轉向基于條件的維護。從安全角度來看，最重要的目標是在嚴重缺陷導致車軸故障之前及時發出警告，這可以通過在線監測來實現，在線監測也是記錄可能導致車軸壽命計算中未考慮到的意外異常事件的適當手段。完成這項任務的可能方法是集成超聲波探頭或傳感器，記錄結構聲和從加速度傳感器收集的信息。

5 結束語

國內車軸設計者一般依據EN 13103/13104標準進行車軸設計，通過借鑒歐洲輪軸聯合會提出的新的車軸設計方法，可確保車輛車軸能夠承受車輛施加的載荷，從而減少車軸狀態的惡化，降低車軸故障和車輛事故的風險。

國內鐵路車軸包括高鐵車軸普遍存在有機涂層容易受到環境和碎石撞擊破壞的情況。上文介紹的更加堅固的涂層系統(通過對各種創新涂層的研究)，確保車軸上涂層的黏附性，從而提高車軸長時間使用后保持疲勞性能，能夠顯著降低車軸故障和車軸故障引發事故的可能性，從而減少造成的傷亡人數。國內設計人員可借鑒經驗并開展這些方面的研究，以降低車軸在壽命中后期的故障概率。

我國鐵路客運量大，超載嚴重，第一時間檢測出車軸服役過程中出現的缺陷非常重要。上文介紹的無損檢測方法，使更精確地測量車軸狀況和檢測缺陷成為可能。該技術在故障發生前檢測出可能的故障，從而減少車軸故障和事故。可通過借鑒國外車軸檢測方法，研究舊鋼的疲勞性能和裂紋產生和擴展機理，為眾多在役車軸檢查提供一個優化的方案。