關于動車組車軸輪座不連續磁痕的分析研究

薛清濤

（智奇鐵路設備有限公司， 山西 太原 030032）

引言

目前高速運行的動車組普遍采用空心車軸。空心車軸的運用既可利用其空心部分方便軸的在役檢測，又可以減輕列車自重，有利于提高運行速度。空心車軸是動車組轉向架的關鍵承載部件，因此，它的質量直接影響著動車組的行車安全。車軸斷裂部位主要集中在應力集中區，那就是車軸輪座嵌鑲部、卸荷槽和軸身中部。車軸表面傷損的主要表現形式有表面加工不良、軸身表面外來損傷等。這些傷損導致車軸上疲勞裂紋的萌生和擴展，最終造成車軸疲勞斷裂。

無損檢測是發現空心車軸危害性疲勞缺陷的重要檢測手段，空心車軸的在役檢測應用主要有磁粉檢測和超聲波檢測，它們依據不同的物理原理，在實際應用中均有一定的檢測效果。從多年積累經驗來看，目前輪座部位距輪座后肩30 mm 范圍內、距輪座前肩50 mm 范圍內是疲勞裂紋多發區，應重點關注。

1 問題的提出

CRH380B 某拖車車軸，材料為EA4T，生產日期為2010 年11 月，該輪對于2013 年11 月首次三級修，2016 年4 月首次四級修。其中2018 年6 月因車輪磨耗到限，當時已運行3778118 km，因此進行換輪維修。按照《和諧3 型動車組高級修檢修規程》的內容，換輪修解體后，應對車軸外露金屬表面進行磁粉檢測，磁粉檢測均采用熒光濕法連續法，磁粉檢測時發現輪座部位存在周向不連續磁痕，具體詳情如圖1所示。

圖1 現場磁粉探傷結果顯示

2 原因分析

2.1 生產造修分析

2.1.1 壓裝曲線的形成

空心軸輪對的組成是在空心車軸上以冷壓方式壓裝車輪及盤座，采取過盈配合，通過觀察壓裝曲線，確定壓裝力的大小。壓裝工藝的關鍵控制項為：車軸和輪轂的過盈量、表面的粗糙度、組裝時的油潤狀態以及輪轂與軸的中心線重合度等。以上任何一項發生問題，都會造成壓裝應力增大。應力增大時，輪座表面的損傷會嚴重。但是從該條輪對的壓裝曲線分析并沒有發生異常。

2.1.2 無損檢測分析

超聲波檢測是基于超聲波在工件中的傳播特性、衰減特性，如聲波在通過材料時能量會損失，在遇到聲阻抗不同的兩種介質分界面時會產生反射的一種檢測方法[1]。其工作原理如下：

1）聲源產生超聲波，采用一定的方式使超聲波進入工件。

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檢測設備被接收，并對其進行處理和分析。

4）根據接收的超聲波的特征，評估工件本身及其內部是否存在缺陷及缺陷的特性。

該輪對已運行3778118 km，按照在線探傷周期計算，在線探傷共計37 次，檢測執行TG/CL 248—2013[2]標準，空心軸超聲波探傷機采用2 個4 MHz 的45°斜探頭，主要檢測與檢測面成45°的缺陷，如下頁圖2 所示。以中心孔內壁為探測面進行檢測，用1 mm 人工缺陷的對比試樣軸作為基準，并補償一定的增益值作為掃查靈敏度，從理論上計算45°探頭可以探測到輪座處裂紋，猜測是受車輪或缺陷本身的影響，吸收了超聲波的能量，導致未檢測出裂紋，也可以說用現在的掃查靈敏度并不能發現此異常缺陷，如發現慣性疲勞區的此類缺陷，需增加適當的增益值或提高探頭頻率等，這還需進一步驗證。

圖2 45°探頭探測裂紋圖示

磁粉檢測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發生局部畸變而產生漏磁場，吸附施加在工件表面的磁粉，形成可見的磁痕，從而顯示出不連續的位置、大小、形狀和嚴重程度。

該輪對四級修時需進行換輪修，退卸車輪后，對拖車車軸進行磁粉檢測。根據相關標準，磁粉檢測使用CJW3000Z 濕法連續法熒光磁粉探傷機，磁粉粒度400 目，濃度（0.1～0.6）mL/100 mL，探測靈敏度A1-15/50 試片顯示清晰完整，表面磁場強度≥4 mT，檢測結果：輪對內側邊緣約3 mm 區域內，周向不連續磁痕分布一周顯示，如上頁圖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，就是對斷軸或失效軸進行失效分析，查明車軸斷裂的原因，有針對性地提出應急補救措施，防止類似事故的再次發生。主要從宏觀形貌、化學成分、微觀形貌、金相檢驗和硬度檢測等方面進行分析。

2.2.1 宏觀分析

圖3 所示為試樣熒光磁粉檢測顯示的裂紋的宏觀形貌，分別截取橫縱向試樣，經磨床磨光后根據相關標準進行低倍組織檢驗，縱向試樣外表面見裂紋，在約1.064～3.262 mm 的區域內存在斷續分布的細小裂紋。裂紋距輪座邊緣約3.262 mm 處裂紋沿周向連續分布，未見其他低倍組織缺陷。

圖3 宏觀形貌

2.2.2 微觀形貌分析

不連續磁痕的表面試樣清洗后置于掃描電鏡下觀察，不連續磁痕不明顯。經過硝酸酒精擦拭觀察，可見多條淺表裂紋。再次減薄，人工打開裂紋形成的端口試樣，將試樣清洗后，置于掃描電鏡下觀察，可見疲勞裂紋輝紋特征。

2.2.3 金相檢驗

對缺陷縱向剖面試樣，經鑲嵌、磨拋、化學侵蝕后置于顯微鏡下觀察，發現試樣存在一條深度為38.674μm 和34.574μm 的微裂紋，長度為28.75μm和35.91μm，如圖4 所示。裂紋起源于車軸表面并向內擴展，裂紋兩側未見明顯脫碳現象，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

截取車軸橫向剖面試樣，根據相關標準檢驗，結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，化學成分、硬度檢驗等相關指標均在標準規定的技術指標允許范圍內，可判斷不是物體本身的性能所造成的，推測輪座不連續性磁痕為微動損傷。微動損傷是微動磨損、微動疲勞和微動腐蝕（酸雨等介質）造成的材料表面磨損和疲勞的統稱。輪軸微動損傷產生的主要過程是：接觸面變形- 黏附點形成及撕裂- 磨損顆粒形成及氧化- 磨屑堆積—疲勞裂紋產生。

微動損傷主要發生在輪軸過盈配合面的接觸區邊緣，微動所造成的損傷產生氧化磨屑和表面凹坑、表面或亞表面塑性變形，在交變應力作用下這些損傷可以引起裂紋的萌生和擴展。所以車軸與輪對的過盈配合部位為疲勞磨損易發生部位。表面磨損主要與該處的壓力和微滑幅度的乘積有關，當微滑幅度為0，即使承受較大的壓力，表面都不會發生磨損，因界面條件處于完全粘著狀態。壓力相近時，磨損大小主要取決于微滑幅度的大小。對于輪座/輪轂界面過盈配合，界面的壓力近似分布均勻，微動幅度在接觸邊緣最大，并隨著靠近中心而減小直至為0。當彎曲應力增大時，車軸的變形量增大，曲線有上移的區域，如圖5 所示。

圖5 輪軸接觸邊緣損傷區域與相對滑移幅度示意圖

車輪與車軸裝配采用的是突懸結構，即輪轂內側突出輪座3～5 mm，這種結構可以有效地減小輪對受載彎曲時因輪座與輪轂彎曲剛度不一致產生的相對滑移，從而微動磨損減輕，延緩裂紋萌生的速度。但是在車軸的運用檢修環境過程中，輪座可能有腐蝕性的介質進入輪座內側鑲入部的縫隙中，從而誘發疲勞裂紋。因此，為降低微動損傷風險，除了對輪對進行定期無損檢測外，更重要的是改善輪對運行環境及檢修措施，并嚴格按照高級修檢修規程來執行。

4 結論

1）超聲波檢測時，4 MHz 的探頭探測缺陷的最小深度為1 mm，可在慣性疲勞區增加適當的增益值或提高探頭頻率進行檢測，且微動損傷的無損檢測體系還需進一步試驗研究。

2）為降低微動損傷風險，除了對輪對進行定期在線檢測外，更重要的是改善輪對運行環境及檢修措施，并嚴格按照高級檢修規程來執行。