運行10 年的牽引電機鋁端蓋性能評估

廉永峰，呂志成，范小晶，姬曉峰

（中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710000）

隨著中國鐵路行業(yè)的快速發(fā)展，列車的行駛速度越來越快，車輛逐漸向輕量化方向發(fā)展。牽引電機為滿足輕量化要求，傳動端、非傳動端結構一般采用鋁端蓋和鍛鋼軸承室結構。在前期設計及試驗驗證中，已對該結構的力學性能進行仿真分析并進行模擬長壽命試驗，滿足服役期間的可靠性及安全性要求。但該類鋁制部件長期運行后是否可靠、性能是否發(fā)生變化、是否存在潛在風險仍是需要關注的問題。這些問題是決定牽引電機在全壽命周期內、在檢修周期內能否繼續(xù)可靠運行的關鍵。

目前，牽引電機在運行兩三年后需進行檢修，對牽引電機軸承進行更換，對其他部件進行相關檢測及更換。由于牽引電機傳動端、非傳動端蓋為鋁制部件，僅能對尺寸及關鍵部位進行探傷，無法評估其整體性能。在該部件運行10 年后是否能滿足后續(xù)運行要求、性能是否發(fā)生變化，這些問題需進行相關研究。

1 檢測項目

為評估鋁端蓋相關性能，主要通過對新造部件與服役10 年的部件進行性能對比，性能對比涉及成品部件材料自身的力學性能檢測、疲勞極限測定、S-N曲線測定及殘余應力測試。

成品材料自身的力學性能檢測，主要指標為抗拉強度Rm、規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2、斷后伸長率A（%）、斷面收縮率Z（%）。疲勞極限為在交變循環(huán)大至無限次（該鋁制部件采用循環(huán)次數為107）所承受的最大應力值，疲勞極限的測試采用升降法。S-N曲線為材料的疲勞性能作用的應力范圍S與到破壞時的壽命N（應力比R下，橫幅載荷作用下循環(huán)到破壞的循環(huán)次數）的關系，S-N曲線的測定采用成組法和升降法。通過殘余應力檢測確定鋁制端蓋新造和舊品的殘余應力水平。

2 樣件

2.1 樣件數量

為滿足力學性能檢測、疲勞極限測定、S-N曲線測定，需確定樣件數量，主要涉及前鋁端蓋、后鋁端蓋，新件、舊件，樣件數量可根據實際需要調整，樣件要求如表1 所示。

表1 樣件要求

2.2 樣件位置

樣件的取樣位置根據鋁端蓋實際安裝應用情況、取樣的尺寸要求確定，鋁端蓋外側為與機座配合止口的位置、內側為與軸承室配合位置，樣件取樣示例如圖1 所示。

圖1 樣件取樣示例

2.3 樣棒制作

為保證樣棒的成棒率，需進行樣件試取及樣棒制作，由于不同位置所取樣件大小不一致可能會導致無法加工成同一種樣棒，因此可根據不同的樣件制作滿足要求的樣棒。

拉伸試驗樣棒制作參照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》[1]試驗件具體尺寸要求：夾持端直徑要求是至少為標距段直徑的1.5 倍（建議4 倍），試驗件標距段長度應是標距段直徑的2～3 倍。

疲勞極限、S-N曲線樣棒制作參照ASTM E466—2015《金屬材料力控制恒定振幅軸向疲勞試驗標準規(guī)程》[2]中規(guī)定，采用狗啃骨頭型試樣作為疲勞試驗件，試驗件具體尺寸要求：夾持端直徑要求是至少為標距段直徑的1.5 倍（建議4 倍），倒圓角半徑至少為試驗標距段截面直徑的8 倍，試驗件標距段長度應是標距段直徑2～3 倍。

殘余應力試驗件尺寸不作強制要求，但需要保證截取的試樣不得釋放所測應力，應根據試驗設備，合理選擇試樣尺寸，確保試樣具備一定的衍射強度和一定峰背比的衍射曲線，所以本研究直接采用端蓋整體作為樣件進行殘余應力檢測。

3 力學性能檢測

3.1 樣棒數量及檢測依據

新件、舊件樣棒數量各24 個，檢測標準根據GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》進行分析檢測。

3.2 檢測結論

所有樣件檢測結果均滿足標準要求，新件的抗拉強度、規(guī)定塑性延伸強度、斷后生長率和斷面收縮率均大于舊件，檢測結果如表2 所示。

表2 拉伸性能檢測結果

4 疲勞極限測定

4.1 樣棒數量及檢測依據

依據ASTM E466—2015《金屬材料力控制恒定振幅軸向疲勞試驗標準規(guī)程》執(zhí)行，采用高鎮(zhèn)同《疲勞性能試驗設計和數據處理》一書中的小子樣配對升降法進行4 種試樣的疲勞極限測量[3]。以給定的應力為起點，循環(huán)基數為1.0×107，參考頻率120 Hz。樣棒數量取16 個左右（每種產品的具體試驗件個數，計算每種產品數據的變異系數，以達到標準HB/Z 112—1986《材料疲勞試驗統(tǒng)計分析方法》[4]規(guī)定的配對數要求為準）。

4.2 試驗結果

舊制試驗件疲勞極限為88 MPa，新制試驗件疲勞極限為66 MPa，舊制試驗件疲勞極限優(yōu)于新制試驗件的疲勞極限。舊件疲勞升降圖如圖2 所示，新件疲勞升降圖如圖3 所示。

圖2 舊件20SS022424-1 疲勞升降圖

圖3 新件20SS022424-2 疲勞升降圖

5 S-N 曲線測定

5.1 樣棒數量及檢測依據

根據ASTM E466—2015 及GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》[5]中規(guī)定的試驗方法執(zhí)行，采用成組法進行2 種試樣的S-N曲線測量。以給定的應力進行3 級應力水平測試，暫定每級3 件試件，參考頻率120 Hz。樣棒數量取16 個左右（每一級應力具體試驗件個數，計算每一級數據的變異系數，以達到標準HB/Z 112—1986《材料疲勞試驗統(tǒng)計分析方法》規(guī)定的試驗件數要求為準）。

5.2 試驗結果分析

舊制試驗件疲勞極限為88 MPa，新制試驗件疲勞極限為66 MPa，新制試驗件的疲勞極限低于舊制試驗件的疲勞極限。舊件S-N曲線圖如圖4 所示，新件S-N曲線圖如圖5 所示。

圖4 舊件S-N 曲線圖

圖5 新件S-N 曲線圖

6 殘余應力研究

由于拉伸性能檢測結果新件均優(yōu)于舊件，但疲勞極限及S-N曲線結果為舊件優(yōu)于新件。針對此問題，對2 種部件進行殘余應力研究。

殘余應力是當物體沒有外部因素作用時，在物體內部保持平衡而存在的應力[6]。殘余應力與成品服役前應力及服役期間使用狀況相關，殘余應力是有方向的，與規(guī)定坐標軸正向方向一致為“＋”，與規(guī)定坐標軸負向一致的面為“-”。

6.1 樣件及標準

殘余應力檢測取前鋁端蓋、后鋁端蓋新舊各1 個，檢測點如圖6 所示。

圖6 應力檢測點

試驗檢測參照GB/T 7704—2017《無損檢測X 射線應力測定方法》[6]中相關規(guī)定，應選擇合適的試驗設備，確保試樣具備一定的衍射強度和一定峰背比的衍射曲線。

6.2 測試結果

根據檢測結果，所有測量點均為壓應力，除前鋁端蓋舊件周向應力及軸承室部位后鋁端蓋舊件軸向應力大于新件外，其余測量點應力舊件均小于新件，應力檢測結果如表3 所示。

表3 應力測試結果

7 結論

根據檢測結果評估，運行10 年的鋁端蓋力學性能未發(fā)生明顯變化，通過疲勞極限及S-N曲線檢測及繪制，舊件性能顯示均優(yōu)于新件。

針對疲勞極限、S-N曲線檢測結果及殘余應力檢測分析，舊件疲勞極限優(yōu)于新件與殘余應力降低相關。

由于該測試樣件數量、檢測過程可能會存在差異造成結果存在偏差，但可為評估已運行產品部件性能研究提供參考。