動(dòng)車組空心車軸運(yùn)用檢修檢測(cè)方法的探討和建議

厲 浩 上海鐵路局上海動(dòng)車客車段

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)（Non Destructive Testing縮寫 NDT）是以不損害被檢測(cè)對(duì)象的使用性能為前提，應(yīng)用多種物理原理和化學(xué)現(xiàn)象，對(duì)各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有效的檢測(cè)和測(cè)試，借以評(píng)價(jià)他們的連續(xù)性、完整性、安全可靠性和某些物理性能，包括被檢測(cè)材料和構(gòu)件中是否有缺陷，并對(duì)缺陷的形狀、大小、方位、取向、分布和內(nèi)含物等情況進(jìn)行判斷。

1 選題的背景和意義

高速列車是高效運(yùn)輸工具，以其靈活、方便、快捷、安全、可靠、舒適為特點(diǎn)，備受世界各國(guó)的青睞。隨著我國(guó)鐵路裝備現(xiàn)代化和中國(guó)鐵路跨越式的發(fā)展，鐵路動(dòng)車組的發(fā)展正處于"引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，聯(lián)合涉及生產(chǎn)，打造中國(guó)品牌"的階段，空心車軸在動(dòng)車組的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。空心車軸是動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵承載部件，其疲勞破壞直接危及運(yùn)輸安全，切軸斷裂是鐵路車輛重大傾覆事故的最主要原因之一，有很強(qiáng)的隱蔽性和突然性，給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民安全帶來(lái)巨大的損失和災(zāi)難。空心車軸的損傷會(huì)直接導(dǎo)致車輛的重大事故的發(fā)生，而在車軸的損失中，約有2/3是有疲勞引起的。在車軸中常見的損傷或缺陷主要來(lái)之材料、加工和裝配工藝。在動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)中，又遭受疲勞載荷、各種腐蝕環(huán)境和離散源載荷造成的偶然損傷，這些損傷都可能導(dǎo)致空心車軸發(fā)生災(zāi)難性的破壞。

1.1 車軸損傷及破壞的主要形式

空心車軸斷裂主要有內(nèi)部缺陷和外表面疲勞裂紋。當(dāng)空心車軸某些質(zhì)量指標(biāo)未達(dá)到規(guī)定的要求或外部的條件超過(guò)了額定的允許值而引發(fā)裂紋，導(dǎo)致斷裂。這種斷裂的機(jī)理是空心車軸薄弱區(qū)域在交變載荷的作用下，疲勞累積損傷達(dá)到一定程度后，誘發(fā)疲勞裂紋，進(jìn)而裂紋擴(kuò)展，最后導(dǎo)致斷裂。這種裂紋是極端危險(xiǎn)的，主要特點(diǎn)：①發(fā)生在常溫下；②斷裂部位沒(méi)有明顯的塑性變形；③往往承受的載荷不太大；④斷裂時(shí)比較突然。所以防止空心車軸斷裂的重點(diǎn)應(yīng)放在空心車軸本身質(zhì)量的提高、空心車軸失效原因分析和失效的預(yù)防上。

空心車軸失效可能發(fā)生的部位主要在輪座嵌鑲部、卸荷槽和軸身中部。導(dǎo)致裂紋的原因有：內(nèi)部材質(zhì)不良、表面加工不良、腐蝕、微動(dòng)摩擦損傷和軸身表面外來(lái)?yè)p傷等。常見空心車軸損傷和裂紋位置如圖1所示。

車軸內(nèi)部缺陷主要包括材料成分偏差、組織異常、夾雜級(jí)別超標(biāo)、疏松、殘余縮孔等等，它是有軸胚冶煉或空心車軸熱處理不當(dāng)造成的。運(yùn)用中，疲勞裂紋從空心車軸內(nèi)部缺陷處萌生，然后逐步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。

圖1 空心車軸損傷和裂紋位置

1.2 國(guó)內(nèi)外車軸失效的歷史

鐵路開始投入運(yùn)用大約是在十九世紀(jì)三十年代從英國(guó)開始，然后迅速蔓延向至歐洲、美洲和最后整個(gè)世界，這是人類進(jìn)步的里程碑。隨著我國(guó)鐵路朝著重載化合高速化發(fā)展，車軸的重要性也日漸被人所關(guān)注。

最近幾十年中，英國(guó)每年的車軸失效為1-2根，北美每年的車軸失效為2-3起，但自從1995年以來(lái)，隨著列車載重的增加，北美車軸故障數(shù)量不斷增長(zhǎng)。從1998年到2002年五年間，車軸故障數(shù)52起，平均每年超過(guò)10起，并且是逐年增加的趨勢(shì)。德國(guó)1998年6月3日因?yàn)檐囕S斷裂引起列車脫軌，死傷188人。2008年10月，德國(guó)高鐵在8根車軸上發(fā)現(xiàn)裂紋，一根車軸斷裂，當(dāng)時(shí)運(yùn)行速度不是很高，所以沒(méi)有造成人員傷亡。

在我國(guó)，自1974年至1993年，共發(fā)生車軸疲勞斷裂事故七十余起，每起造成經(jīng)濟(jì)損失少則十幾萬(wàn)，多則上百萬(wàn)。動(dòng)車組是目前世界上最先進(jìn)的高速列車，空心車軸的質(zhì)量要求也非常高，隨著車軸加工制造工藝的提高，一般很少存在嚴(yán)重的材質(zhì)或加工缺陷，因此空心車軸的運(yùn)用檢修檢測(cè)就顯的尤為重要，選擇一種速度快、精度高、定位準(zhǔn)的綜合檢測(cè)方法，就針對(duì)性的預(yù)防空心車軸的疲勞斷裂。

1.3 國(guó)內(nèi)動(dòng)車組空心車軸運(yùn)用檢修現(xiàn)狀

在高速動(dòng)車組的設(shè)計(jì)中，為最大限度地減少列車對(duì)路軌的磨損（這種磨損在列車高速運(yùn)行是更為劇烈），對(duì)作為列車的重要零件之一的列車車軸采用了空心車軸的結(jié)構(gòu)，目的在于減輕列車的簧下重量。

空心車軸由厚壁無(wú)縫鋼管坯料鏜孔加工而成，在其制造過(guò)程中可能產(chǎn)生內(nèi)外表面縱、橫向缺陷以及夾雜物和分層等，由于動(dòng)車組的運(yùn)行速度較快，在各種因素的影響下，很可能產(chǎn)生橫向疲勞裂紋，隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展，將會(huì)嚴(yán)重影響列車的安全運(yùn)行，因此對(duì)此類缺陷的有效檢測(cè)就顯得尤為特別的重要。

按照鐵道部要求CRH2型動(dòng)車組每運(yùn)行里程6萬(wàn)km進(jìn)行空心軸探傷。根據(jù)實(shí)際情況這就要求對(duì)動(dòng)車組空心車軸檢測(cè)的速度快。目前上海局共配屬CRH2型動(dòng)車組數(shù)和開行對(duì)數(shù)見表1。基本上每一個(gè)交路的時(shí)間為2天，而交路走行公里最大為4198 km，按照鐵道部空心車軸的探傷周期要求，平均28.6天左右就要進(jìn)行一次空心車軸探傷。在現(xiàn)有條件下，探傷次數(shù)頻率較高，因此在對(duì)空心車軸探傷時(shí)，要求探傷設(shè)備對(duì)車軸發(fā)生疲勞失效概率高的部位進(jìn)行細(xì)探，對(duì)車軸發(fā)生疲勞失效概率低的部位進(jìn)行快速掃差。這樣針對(duì)性的探傷作業(yè)，有利于提高空心車軸探傷速度，在保證探傷檢測(cè)有效性的前提下，提高探傷檢測(cè)效率，提高動(dòng)車組上線利用率。

表1 上海鐵路局配屬CRH2型動(dòng)車組數(shù)、開行對(duì)數(shù)及交路走行公里

2 超聲檢測(cè)

2.1 超聲檢測(cè)的原理

一般在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續(xù)，這種不連續(xù)往往有造成聲阻抗的不一致，由反射定理我們知道，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)的交界面上將會(huì)發(fā)生反射，反射回來(lái)的能量的大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)。

超聲波是頻率高于20 kHz的機(jī)械波。在超聲探傷中常用的頻率為0.5-5 MHz。這種機(jī)械波在材料中能以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面（如缺陷或被測(cè)物件的底面等）就會(huì)產(chǎn)生反射。這種反射現(xiàn)象可被用來(lái)進(jìn)行超聲波探傷，最常用的是脈沖回波探傷法探傷時(shí)，脈沖振蕩器發(fā)出的電壓加在探頭上（用壓電陶瓷或石英晶片制成的探測(cè)元件），探頭發(fā)出的超聲波脈沖通過(guò)聲耦合介質(zhì)（如機(jī)油或水等）進(jìn)入材料并在其中傳播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途徑返回探頭，探頭又將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，經(jīng)儀器放大而顯示在示波管的熒光屏上。根據(jù)缺陷反射波在熒光屏上的位置和幅度（與參考試塊中人工缺陷的反射波幅度作比較），即可測(cè)定缺陷的位置和大致尺寸。超聲檢測(cè)用的超聲波，其頻率范圍一般在 0.25 MHz～15 MHz之間。用于金屬材料超聲檢測(cè)的超聲波，其頻率范圍通常在 0.5 MHz～10 MHz之間；而用于普通鋼鐵材料超聲檢測(cè)的超聲波，其頻率范圍通常為 1 MHz～5 MHz。

2.2 超聲檢測(cè)的應(yīng)用范圍

超聲檢測(cè)可應(yīng)用于對(duì)接焊縫、角焊、板材、管材、棒材、鍛件以及復(fù)合材料等；對(duì)面積型缺陷的檢出率較高，對(duì)體積性缺陷的檢出率較低；適宜檢測(cè)厚度較大的工件。可發(fā)現(xiàn)工件內(nèi)部較小的裂紋、夾渣、縮孔、未焊透等缺陷。被探測(cè)物要求形狀較簡(jiǎn)單，并有一定的表面光潔度。為了成批地快速檢查管材、棒材、鋼板等型材，可采用配備有機(jī)械傳送、自動(dòng)報(bào)警、標(biāo)記和分選裝置的超聲探傷系統(tǒng)。除探傷外，超聲波還可用于測(cè)定材料的厚度，使用較廣泛的是數(shù)字式超聲測(cè)厚儀，其原理與脈沖回波探傷法相同，可用來(lái)測(cè)定化工管道、船體鋼板等易腐蝕物件的厚度。利用測(cè)定超聲波在材料中的聲速、衰減或共振頻率可測(cè)定金屬材料的晶粒度、彈性模量(見拉伸試驗(yàn))、硬度、內(nèi)應(yīng)力、鋼的淬硬層深度、球墨鑄鐵的球化程度等。此外，穿透式超聲法在檢驗(yàn)纖維增強(qiáng)塑料和蜂窩結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用也已日益廣泛。超聲全息成象技術(shù)也在某些方面得到應(yīng)用。

2.3 超聲檢測(cè)的特點(diǎn)

超聲波穿透能力較大，例如在鋼中的有效探測(cè)深度可達(dá)1m以上；對(duì)平面型缺陷如裂紋、夾層等，探傷靈敏度較高，并可測(cè)定缺陷的深度和相對(duì)大小。超聲波可定向發(fā)射，在介質(zhì)中沿直線傳播且具有良好的指向性。設(shè)備輕便，操作安全，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢驗(yàn)。不易檢查形狀復(fù)雜的工件，要求被檢查表面有一定的光潔度，并需有耦合劑充填滿探頭和被檢查表面之間的空隙，以保證充分的聲耦合。對(duì)于有些粗晶粒的鑄件和焊縫，因易產(chǎn)生雜亂反射波而較難應(yīng)用。超聲波具有眾多與眾不同的特性，如：聲束指向性好（能量集中）；聲壓聲強(qiáng)大（能量高），傳播距離遠(yuǎn)；穿透能力強(qiáng)；在界面處會(huì)產(chǎn)生反射、透射（或折射）和波型轉(zhuǎn)換，以及產(chǎn)生衍射等。

3 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)

3.1 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的原理

遠(yuǎn)場(chǎng)效應(yīng)是20世紀(jì)40年代發(fā)現(xiàn)的。1951年Maclean W.R.獲得了此項(xiàng)技術(shù)的美國(guó)專利。50年代殼牌公司的Schmidt T.R.獨(dú)立地再發(fā)現(xiàn)了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在世界上首次研制成功檢測(cè)井下套管的探頭，并用來(lái)檢測(cè)井下套管的腐蝕情況，1961年他將此項(xiàng)技術(shù)命名為"遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)"，以區(qū)別于普通渦流檢測(cè)。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的基本原理是將內(nèi)置式探頭置于被檢測(cè)鋼管內(nèi)，探頭上有一個(gè)激勵(lì)線圈，還有一個(gè)（或兩個(gè)）檢測(cè)線圈。激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈的距離為鋼管內(nèi)徑的2-3倍。激勵(lì)線圈發(fā)出的磁力線（能量）穿過(guò)管壁向外擴(kuò)散，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)又再次穿過(guò)有表面缺陷的管壁向內(nèi)擴(kuò)散，被檢測(cè)線圈接收。檢測(cè)線圈接收到的信號(hào)的幅度和相位都和壁厚有關(guān)，利用專用的軟件就可測(cè)得管壁的厚度（見圖2）。

圖2 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流無(wú)損檢測(cè)的原理

3.2 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的應(yīng)用范圍

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)一般都應(yīng)用于厚壁管道，可方便測(cè)出壁內(nèi)、外表面的裂紋、凹坑、腐蝕、減薄及管壁材料的內(nèi)部缺陷。

3.1 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的特點(diǎn)

與普通渦流、漏磁和超聲波無(wú)損檢測(cè)相比，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流無(wú)損檢測(cè)具有以下優(yōu)點(diǎn)：被檢測(cè)的鋼管的表面不必清洗；探頭與鋼管表面不接觸，探頭外徑與鋼管內(nèi)徑之間的間隙變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響很小，允許的最大間隙為鋼管內(nèi)徑的30%，最佳間隙小于鋼管內(nèi)徑的15%；檢測(cè)鋼管內(nèi)表面和外表面的腐蝕坑的靈敏度相同；對(duì)均勻減薄、漸變減薄和偏磨減薄的檢測(cè)，都有極高的檢測(cè)靈敏度；探頭的檢測(cè)速度是否均勻?qū)z測(cè)結(jié)果無(wú)影響；鋼管內(nèi)的氣體、液體介質(zhì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果無(wú)影響；檢測(cè)設(shè)備體積小，重量輕，便于現(xiàn)場(chǎng)靈活應(yīng)用；檢測(cè)數(shù)據(jù)還可存入探頭內(nèi)，實(shí)施長(zhǎng)距離檢測(cè)。

4 結(jié)論

（1）空心車軸是高速動(dòng)車組的關(guān)鍵部件，對(duì)其進(jìn)行的探傷檢測(cè)必不可少。針對(duì)空心車軸失效原因的研究，發(fā)現(xiàn)空心車軸疲勞裂紋主要的發(fā)生部位以及原因，因此在選擇探傷檢測(cè)設(shè)備時(shí)，可以針對(duì)車軸發(fā)生疲勞失效概率高的部位進(jìn)行細(xì)探，對(duì)車軸發(fā)生疲勞失效概率低的部位進(jìn)行快速掃差。

（2)按照鐵道部的動(dòng)車組長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，就上海鐵路局來(lái)說(shuō)，動(dòng)車組配屬多，上線運(yùn)行交路多，走行公里多，這樣勢(shì)必導(dǎo)致對(duì)空心車軸探傷檢測(cè)的頻率高。在保證空心車軸安全的前提下，這就要求空心車軸檢測(cè)裝備檢測(cè)速度快的特點(diǎn)。

（3）通過(guò)對(duì)比超聲檢測(cè)和遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)，可以將遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)和超聲檢測(cè)相結(jié)合的方法，利用超聲波主要檢測(cè)空心車軸內(nèi)部缺陷，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流主要檢測(cè)空心車軸內(nèi)外表面裂紋，并且兩種檢測(cè)方法互相彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)車組空心車軸探傷檢測(cè)速度快、定位準(zhǔn)、精度高的三個(gè)要求。