在役動(dòng)車組空心車軸材質(zhì)缺陷探傷標(biāo)準(zhǔn)研究*

胡祺昆，黃永巍，張澎湃，吳 毅，畢 超，李立凡

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081）

車軸是動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架走行部的關(guān)鍵部件，在運(yùn)行過程中的使用性能至關(guān)重要。在車軸的制造過程中有一定概率產(chǎn)生內(nèi)部材質(zhì)缺陷，該種缺陷使車軸面臨萌生裂紋并擴(kuò)展失效的風(fēng)險(xiǎn)，威脅著動(dòng)車組的運(yùn)行安全。由于動(dòng)車組在世界鐵路史上應(yīng)用時(shí)間不長，空心車軸尚未出現(xiàn)規(guī)律性的缺陷疲勞擴(kuò)展規(guī)律［1-2］，而我國從本世紀(jì)初開始從國外引進(jìn)動(dòng)車組，對于關(guān)鍵部件探傷缺乏自主標(biāo)準(zhǔn)。由于歷史原因，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)主要借鑒于德國、日本、法國等國。上述國家的輪軸探傷標(biāo)準(zhǔn)主要基于實(shí)心輪軸探傷的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用于現(xiàn)役動(dòng)車組車軸探傷則存在3 個(gè)重大問題：（1）內(nèi)部材質(zhì)缺陷探傷標(biāo)準(zhǔn)；（2）外表面疲勞裂紋的探測方法和標(biāo)準(zhǔn)；（3）不同材質(zhì)的空心車軸探傷靈敏度的統(tǒng)一。

基于以上問題，以全尺寸輪軸疲勞試驗(yàn)臺(tái)（型號(hào)+F02，精度等級(jí)U=0.1%）為主要試驗(yàn)設(shè)備，對含有材質(zhì)缺陷動(dòng)車組空心車軸進(jìn)行了超高周疲勞試驗(yàn)。采用工業(yè)CT 掃描、VG 軟件復(fù)原、金相觀察的方法對缺陷形貌及裂紋萌生擴(kuò)展行為進(jìn)行了表征。為動(dòng)車組空心車軸超聲探傷規(guī)程的優(yōu)化提供了實(shí)踐和數(shù)據(jù)支撐。

1 內(nèi)部材質(zhì)缺陷疲勞擴(kuò)展試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)依據(jù)

EN 13261-2009+A1-2010《鐵路應(yīng)用—輪對和轉(zhuǎn)向架—車軸—產(chǎn)品要求標(biāo)準(zhǔn)》和EN 13260：2009《鐵路應(yīng)用—輪對與轉(zhuǎn)向架—輪對—產(chǎn)品要求》對動(dòng)車組EA4T 車軸疲勞力學(xué)性能做出了規(guī)定，其中所有疲勞極限均以疲勞周期為1 000 萬周次定義，目標(biāo)值見表1。

表1 EA4T 型空心車軸疲勞極限目標(biāo)值 單位：MPa

表1 中：F1為軸身疲勞極限；F2為內(nèi)孔疲勞極限；F3為壓裝條件下實(shí)心車軸疲勞極限；F4為空心車軸除軸頸外的安裝部分（輪座）疲勞極限；F5為空心車軸在軸頸的安裝部分疲勞極限。

從 表1 可 知，F(xiàn)1和F4適 用 于 本 試 驗(yàn)，而F1遠(yuǎn) 大于F4，從最嚴(yán)苛控制角度出發(fā)，本試驗(yàn)選取F1作為試驗(yàn)應(yīng)力。

1.2 試驗(yàn)樣軸加工

根據(jù)先期探傷結(jié)果，選擇了一根車軸，車軸材質(zhì)為EA4T，軸號(hào)LE16010760057，內(nèi)孔φ30 mm，在軸身部位有1 處材質(zhì)缺陷。試驗(yàn)時(shí)缺陷位置應(yīng)盡量靠近外表面以增加缺陷處應(yīng)力，但考慮到超聲探傷有一定始脈沖盲區(qū)，所以將缺陷加工至距離車軸表面3 mm。加工后的樣品車軸如圖1 所示，長度為1 600 mm，缺陷距離根部45 mm，距離軸端295 mm。

圖1 內(nèi)部材質(zhì)缺陷疲勞試驗(yàn)試樣軸

1.3 缺陷部位試驗(yàn)應(yīng)力計(jì)算

對于圖1 中所示試驗(yàn)試樣，缺陷位置對應(yīng)的軸身直徑為φ123.5 mm，距離軸身表面3 mm，缺陷位置對應(yīng)直徑φ′為117.5 mm，σ值（后續(xù)計(jì)算中應(yīng)力符號(hào)用σ代替F）取240 MPa，按照經(jīng)典材料力學(xué)梁理論［3］，缺陷部分試驗(yàn)應(yīng)力σ′為式（1）：

即當(dāng)缺陷位置對應(yīng)軸身表面應(yīng)力為±240 MPa時(shí)，缺陷位置承受的試驗(yàn)應(yīng)力為±228.3 MPa。

1.4 試驗(yàn)步驟

（1）用應(yīng)變片實(shí)時(shí)監(jiān)測缺陷處外表面試驗(yàn)應(yīng)力，確保在EN 13261 中F1應(yīng)力水平（±240 MPa），每隔一定周期采用超聲探測儀測量一次缺陷當(dāng)量。

（2）用工業(yè)CT 對缺陷部位進(jìn)行斷層掃描并用VG 軟件對缺陷形貌進(jìn)行三維復(fù)原。

（3）金相觀測缺陷實(shí)際形貌，判定是否萌生裂紋。

1.5 超聲檢測器材及測試方法

超聲波探傷儀（型號(hào)KW-4C）、超聲波探頭（型號(hào)5 MHzφ10FG5）、對比試塊（人工缺陷為φ3 mm平底孔，深度4.0 mm）、耦合劑（機(jī)油）。將超聲儀器測距調(diào)整，然后分別將對比試塊φ3 mm 平底孔和空心軸上自然夾雜缺陷的反射波調(diào)為熒光屏滿刻度的80%，記錄各自的深度、儀器衰減器讀數(shù)，以缺陷與平底孔的波高差值表示缺陷當(dāng)量的變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 超聲測試數(shù)據(jù)及分析

疲勞試驗(yàn)前對帶有人工缺陷的對比試塊和試驗(yàn)樣品分別進(jìn)行超聲探傷，均調(diào)整至80%波高記錄儀器讀數(shù)，作為第一組測量數(shù)據(jù)。而后完成了108次的超高周疲勞周期試驗(yàn)，期間進(jìn)行了25 次測量，共26 組數(shù)據(jù)，見表2。曲線當(dāng)量測試值變化趨勢如圖2 所示。

圖2 測試值變化曲線圖

表2 空心車軸內(nèi)部材質(zhì)缺陷疲勞試驗(yàn)記錄表

由于試驗(yàn)過程中沒有測量到明顯當(dāng)量變化，所以進(jìn)行了4 次測量周期的調(diào)整，從每50 萬周次測量一次最后增加到每1 000 萬周次測量一次，均沒有明顯缺陷疲勞擴(kuò)展跡象。26 次測量數(shù)據(jù)極差為1.1 dB，平均值為φ3-9.23 dB，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差s為式（2）：

標(biāo)準(zhǔn)差s為一較小數(shù)值。對這26 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得到線性回歸方程為式（3）：

該回歸曲線的斜率2.38e-5也為一個(gè)很小的數(shù)值。

將每個(gè)測量值和對應(yīng)回歸曲線上的擬合值差的平方加和，得到殘差平方和3.415e-27（計(jì)算過程略）為一極小數(shù)值，表明回歸具有高度的可信度。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析結(jié)果認(rèn)定，該缺陷當(dāng)量值無變化。即從超聲檢測的角度，缺陷沒有擴(kuò)展。

2.2 CT 檢測結(jié)果

為確定內(nèi)部材質(zhì)缺陷空間分布狀態(tài)。將包含材質(zhì)缺陷的空心軸切割成條塊狀試樣，尺寸為長60 mm，高40 mm，厚10 mm。采用工業(yè)CT 檢測系統(tǒng)對該試樣每隔0.1 mm 進(jìn)行一次掃描形成一幅斷層圖像，結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 上下方向（z 軸）的斷面

圖4 左右方向上（x 軸）的斷面

采用VG 軟件進(jìn)行逆向工程三維復(fù)原，可初步確定該缺陷（紅色部分）長約3.97 mm（距離1），距離外圓面3.0 mm（距離2），中間部分最大直徑0.98 mm（距離3），兩端直徑趨于0，呈紡錘條狀。如圖5 所示。

圖5 缺陷三維模型

2.3 金相檢驗(yàn)結(jié)果

對該內(nèi)部材質(zhì)缺陷線切割觀察金相，判斷缺陷類型為夾渣。缺陷橫向剖面尺寸為531 μm×240 μm，邊緣未發(fā)現(xiàn)疲勞微裂紋，證明該內(nèi)部材質(zhì)缺陷橫向邊緣未發(fā)生疲勞擴(kuò)展，如圖6 所示。

對該內(nèi)部材質(zhì)缺陷縱向線切割觀察，雙側(cè)金相結(jié)果如圖7、圖8 所示，其中一端長度1 241 μm，另一端951 μm，兩端邊緣均未發(fā)現(xiàn)微裂紋，證明該內(nèi)部材質(zhì)缺陷縱向尖端同樣未發(fā)生疲勞擴(kuò)展。

圖7 內(nèi)部材質(zhì)缺陷縱向截面金相（一側(cè)）

圖8 內(nèi)部材質(zhì)缺陷縱向截面金相（另一側(cè)）

2.4 等效里程計(jì)算

S-N曲線是疲勞性能評(píng)估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，關(guān)于車軸S-N曲線擬合，可以參考GL 規(guī)范《Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2003》［4］進(jìn)行。在試驗(yàn)應(yīng)力σf為±240 MPa、試驗(yàn)循環(huán)為108次的試驗(yàn)條件下，全尺寸車軸軸身部位S-N曲線可描述為式（4）：

選取許用應(yīng)力σe時(shí)，按照非動(dòng)力車軸評(píng)定準(zhǔn)則EN 13103-2009《軌道交通—輪組和轉(zhuǎn)向架—非主動(dòng)軸—設(shè)計(jì)方法》第7 節(jié)“Maximum permissible stresses”即最大許用應(yīng)力的規(guī)定，當(dāng)車軸軸身試驗(yàn)應(yīng)力為±240 MPa 時(shí)，對應(yīng)許用應(yīng)力σe為±180 MPa。此時(shí)被測試車軸對應(yīng)的等效服役壽命NS（周次）與試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)NT（周次）的對應(yīng)關(guān)系為式（5）：

式中：σf為試驗(yàn)應(yīng)力，MPa；σe為許用應(yīng)力，MPa。

等效里程LS（萬km）和試驗(yàn)里程LT（萬km）的關(guān)系為式（6）：

試驗(yàn)試樣在完成108次的超高周疲勞周期試驗(yàn)后仍未出現(xiàn)裂紋。車輪使用過程中的維修方式為旋修，會(huì)導(dǎo)致車輪直徑減小直至下限后報(bào)廢。新輪滾動(dòng)圓直徑d1=920 mm，磨耗到限時(shí)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架車輪直徑d2=830 mm［5］。對應(yīng)里程計(jì)算如下：

（1）以新制車輪直徑計(jì)算試驗(yàn)里程為式（7）：

按照式（6）計(jì)算等效里程：

（2）以動(dòng)輪磨耗到限直徑計(jì)算試驗(yàn)里程為式（8）：

按照式（6）計(jì)算等效里程：

可以推斷：實(shí)際運(yùn)行里程介于二者之間，以平均值來說，該試驗(yàn)車軸能夠安全運(yùn)行約（110.0＋121.8）/2=115.9 萬km 而不出現(xiàn)材質(zhì)缺陷產(chǎn)生的裂紋。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

（1）軸身內(nèi)部距外表面3 mm 處存在材質(zhì)缺陷，對應(yīng)缺陷處外表面加載應(yīng)力±240 MPa，經(jīng)計(jì)算缺陷位置的最大應(yīng)力為±228.3 MPa，加載108周次后（等效里程約為115.9 萬km），采用超聲探傷和金相檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)缺陷疲勞擴(kuò)展。

（2）雖然試驗(yàn)樣本只有1 個(gè)，但超高周試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠說明，內(nèi)部材質(zhì)缺陷不易萌生裂紋，實(shí)際使用中車軸在更低應(yīng)力（表面約50～80 MPa）條件下更不易萌生裂紋。

3.2 建議

現(xiàn)役動(dòng)車組空心軸內(nèi)部材質(zhì)探傷靈敏度標(biāo)準(zhǔn)為φ2 mm 平底孔當(dāng)量。根據(jù)以上結(jié)論，對EA4T 型動(dòng)車組空心車軸超聲檢測給出2 種優(yōu)化方案：

（1）在現(xiàn)有探傷靈敏度（φ2 mm 平底孔當(dāng)量）基礎(chǔ)上延長探傷周期，日常不探傷，在高級(jí)修階段探傷。

（2）保持現(xiàn)有探傷周期不變的基礎(chǔ)上，降低探傷靈敏度（如φ3 mm 或φ4 mm 平底孔當(dāng)量）。