鐵路貨車車軸微動(dòng)磨損裂紋實(shí)例分析

徐俊生，呂革運(yùn)，李樹林，薛振峰，鄭 毅

（1太原重工軌道交通設(shè)備有限公司 技術(shù)中心，太原 030032；2中國鐵路太原局集團(tuán)有限公司 太原機(jī)車車輛監(jiān)造項(xiàng)目部，太原 030032）

鐵路貨車是鐵路貨物運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)載工具，車軸是鐵路貨車上重要的并且是可互換的部件，其技術(shù)狀態(tài)直接影響到車輛的運(yùn)行安全。車軸承擔(dān)車輛的全部重量，且在運(yùn)行時(shí)還承受著從車體、鋼軌方面?zhèn)鬟f來的各種靜、動(dòng)載作用力，車軸的結(jié)構(gòu)直接影響車輛的正常行駛，車軸發(fā)生問題將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失［1］。某路局在輪對檢修作業(yè)時(shí)，手工超聲波探傷發(fā)現(xiàn)一根貨車車軸左輪座鑲?cè)氩看嬖诹鸭y。對故障輪對退卸鑒定，經(jīng)磁粉缺陷檢測確認(rèn)后，發(fā)現(xiàn)距左軸端面464 mm處，存在長550 mm的圓周裂紋，裂紋深度約1.5 mm。針對上述車軸故障情況，為分析裂紋產(chǎn)生的原因，對裂紋進(jìn)行了宏觀和微觀形貌系統(tǒng)分析，結(jié)合車軸設(shè)計(jì)對裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行理論分析，提出了預(yù)防性建議。

1 缺陷分析

為確定車軸裂紋產(chǎn)生的原因，對裂紋進(jìn)行宏觀形貌觀察，分析裂紋位置及形貌特征。采用金相顯微鏡觀察車軸探傷裂紋區(qū)域附近的微觀組織形貌，采用掃描電子顯微鏡觀察裂紋形貌特征，采用真空直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試。綜合上述對車軸進(jìn)行的宏觀及微觀分析以及理化性能檢驗(yàn)結(jié)果，分析造成裂紋的可能原因。具體檢驗(yàn)分析結(jié)果如下。

1.1 宏觀觀察

對裂紋宏觀形貌進(jìn)行觀察分析，可見車軸裂紋位于輪座內(nèi)側(cè)鑲?cè)氩课恢茫嘧筝S端面464 mm處，如圖1所示。裂紋接近車輪壓裝邊緣區(qū)域，沿輪座呈周向斷續(xù)分布，總周長約為550 mm左右，磁粉缺陷檢測目視清晰可見，并且有一定深度，裂紋表面區(qū)域有銹蝕磨損特征，如圖2所示。為進(jìn)一步分析起裂原因，從裂紋處切割取樣，進(jìn)行金相觀察和掃描電鏡微觀分析。

圖1 車軸裂紋宏觀照片

圖2 裂紋局部放大照片

1.2 表面形貌掃描觀察

采用掃描電子顯微鏡對車軸裂紋區(qū)域表面進(jìn)行微觀形貌特征觀察，如圖3所示。從放大后的表面形貌可以看出，裂紋走向曲折，縫隙存在大小不一的顆粒物，裂紋周圍表面亦呈現(xiàn)“凹凸、凹槽”狀，是發(fā)生磨損或摩擦的典型特征；裂紋區(qū)域磨損顆粒物能譜分析如圖4、圖5所示，通過分析結(jié)果可知，主要為鐵的金屬氧化物，同時(shí)有微量Cl、K無機(jī)鹽存在，符合微動(dòng)磨損氧化銹蝕的特征。

圖3 車軸輪座裂紋處表面形貌觀察

圖4 車軸輪座裂紋處表面磨損顆粒物能譜分析

圖5 車軸輪座裂紋處裂紋縫隙磨損顆粒物能譜分析

1.3 裂紋橫截面金相分析

采用光學(xué)金相顯微鏡對車軸裂紋區(qū)域橫截面進(jìn)行金相觀察，裂紋處的金相剖面及組織特征如圖6所示。在擴(kuò)展較深且呈現(xiàn)一定寬度的主裂紋臨近位置還可以看到一細(xì)小的次生裂紋，同時(shí)注意到產(chǎn)生裂紋的車軸表面區(qū)域存在微觀鋸齒狀凹凸不平，如圖6（c）所示，該次生裂紋即是從一處凹坑底部萌生并向車軸內(nèi)部擴(kuò)展；無論是主裂紋還是次裂紋擴(kuò)展所經(jīng)過的車軸內(nèi)部金相組織未見異常，晶粒度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，裂紋均起裂于車軸表面，起裂處有磨損凹坑，裂紋呈一定傾斜角度沿徑向朝車軸內(nèi)部擴(kuò)展。

圖6 車軸裂紋區(qū)域橫截面金相觀察

2 裂紋產(chǎn)生機(jī)理分析

根據(jù)分析結(jié)果可確定裂紋性質(zhì)為微動(dòng)磨損造成疲勞裂紋，其產(chǎn)生機(jī)理為輪座和輪轂的接觸表面在微觀上凹凸不平，二者裝配到位時(shí)，接觸表面上的微觀凸起點(diǎn)首先產(chǎn)生接觸，其接觸應(yīng)力很大。當(dāng)接觸應(yīng)力超過了車軸和車輪材料的屈服極限時(shí)，表面微凸體便產(chǎn)生塑性變形，輪座與輪轂表面發(fā)生黏著，當(dāng)輪對運(yùn)行時(shí)，接觸面邊緣產(chǎn)生微動(dòng)，如圖7所示，黏著點(diǎn)發(fā)生撕裂，金屬顆粒從表面剝離。在旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力的作用下，金屬顆粒在微動(dòng)摩擦過程中被擠壓碎化，并發(fā)生遷移。同時(shí)，金屬顆粒遇到潮濕空氣時(shí)便被氧化，這種機(jī)械和化學(xué)的共同作用使氧化磨屑不斷增多，造成了輪軸接觸邊緣的磨損和腐蝕，蝕坑在很高的接觸應(yīng)力及旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力的作用下，萌生微裂紋。有的微裂紋擴(kuò)展到一定深度后停止，與附近類似的微裂紋貫通，形成環(huán)形裂紋，有的微裂紋向材料深部擴(kuò)展，最終可能導(dǎo)致車軸的斷裂［2-4］。減小微動(dòng)損傷的主要措施包括：

圖7 輪軸配合處微動(dòng)示意圖

（1）車軸表面強(qiáng)化處理，采取措施包括輪座表面高頻淬火、滾壓強(qiáng)化、鉬噴涂等，提升接觸部位疲勞強(qiáng)度。

（2）優(yōu)化車軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理選擇輪座與軸身直徑比，過渡圓弧形狀可有效降低接觸區(qū)壓應(yīng)力，減少微動(dòng)傷［5］。

（3）采用輪轂突懸的設(shè)計(jì)，約束輪座表面的變形，減少輪座與輪轂相對滑移運(yùn)動(dòng)，延緩裂紋萌生的速率，如圖8所示。根據(jù)德國專家Nishioka和Komatsu不同幾何形狀的軸轂疲勞試驗(yàn)結(jié)果，突懸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可降低微動(dòng)磨損的影響。將軸肩進(jìn)行倒圓，并采取輪轂突懸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，疲勞壽命可提高50%［6］。

圖8 輪軸突懸裝配示意圖

我國早期設(shè)計(jì)的鐵路客貨車輛車軸采用的是非突懸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)入21世紀(jì)后，國內(nèi)輪軸設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)逐步意識到突懸結(jié)構(gòu)的重要性，相關(guān)設(shè)計(jì)單位對設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行了更新，將RD2車軸軸端到輪座內(nèi)沿距離由原設(shè)計(jì)471 mm縮短到459 mm，增加了輪座壓裝突懸量［7-8］。文中實(shí)例介紹的裂紋車軸為非突懸結(jié)構(gòu)，裂紋產(chǎn)生的原因與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)有一定關(guān)系。

3 結(jié)論

從裂紋宏觀表征特點(diǎn)分析，裂紋內(nèi)側(cè)部位出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。通過車軸裂紋區(qū)域表面微觀形貌特征分析顯示，表面裂紋走向曲折，縫隙存在大小不一的顆粒物，裂紋周圍表面亦呈現(xiàn)“凹凸、凹槽”狀，屬于磨損或摩擦的典型特征。通過對裂紋表面及縫隙磨損顆粒進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)顆粒物主要為鐵的金屬氧化物，同時(shí)有微量Cl、K無機(jī)鹽存在，顆粒屬于氧化磨屑。裂紋產(chǎn)生原因?yàn)檐囕S配合部位在接觸壓力下產(chǎn)生了氧化磨屑和微動(dòng)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，氧化磨屑的脫落造成磨損加重和微裂紋擴(kuò)展加速，最終形成宏觀裂紋。結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，認(rèn)為輪軸無突懸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使輪軸配合部位微動(dòng)位移相對較大，微動(dòng)損傷幾率變大，是誘發(fā)微動(dòng)磨損產(chǎn)生裂紋的主因。

4 預(yù)防建議

考慮到我國目前仍然有大量按照無突懸結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的車軸正在服役，隨著服役年限的增加，出現(xiàn)微動(dòng)損傷的幾率會(huì)逐步增大，建議相關(guān)部門加強(qiáng)對該類車軸的運(yùn)營監(jiān)控，增加段修和廠修頻次，加強(qiáng)對該類車軸探傷，確保鐵路運(yùn)營的安全。建議修訂《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》和《鐵路客車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》，增加對客車和貨車車軸檢修時(shí)，應(yīng)排查出非突懸結(jié)構(gòu)的車軸，并將其返修至符合突懸結(jié)構(gòu)的要求，以降低微動(dòng)磨損疲勞裂紋出現(xiàn)幾率。