內燃機車輔助傳動部件磁粉探傷漏檢的對策

紀曉明，李學文

（沈陽鐵路局通遼機務段，1.技術員，2.助理工程師，內蒙古 通遼 028000）

內燃機車傳動軸和萬向軸裝配均屬于萬向聯軸器的復合結構，由于其工作條件惡劣，如柴油機經常地啟動、停機、轉速升降等工況轉換頻繁，使其承受較大的交變載荷和機械沖擊載荷。同時，由于組裝工藝控制不當、裝配時尺寸選配不合適，造成十字頭銷游隙過大、潤滑不良卡滯、靜液壓變速箱主軸線與柴油機組的軸線偏差值過大，以及由于焊接工藝不當造成軸身殘留焊接應力過大的本身材質問題等等，使所受到的交變載荷和機械沖擊相應增大，從而加劇部件的疲勞破壞直至斷裂。這些段修組裝質量不高和裝配檢測手段不足等問題，也制約著輔助傳動部件的使用壽命。特別是重載提速以來，機車持續高負荷地運行，加劇了內燃機車輔助傳動系統的傳動軸、萬向軸部件的疲勞老化，其中叉接頭、十字頭銷等部件裂損比例逐漸增多，導致機車部件折裂的事故多發。因此，分析該部件磁粉探傷方法存在的問題，在總結經驗的基礎上，探討如何提高探傷檢測質量，以防止傳動部件折裂事故的發生顯得十分重要。

1 輔助傳動部件裂損的特征

根據一些部件裂紋的磁痕以及機破事故裂軸的斷口分析，裂紋的發生主要集中在十字頭銷、傳動軸叉接頭、花鍵軸及花鍵套4個部件。

1.1 十字頭銷 十字頭銷是整個傳動系統受力最大的組件之一。制造后期的磨削加工，如果磨削應力變化過大，破壞了工件表面的拉應力，在強大的外力作用下使之產生疲勞微裂紋。裂紋主要集中在圓根部剪切力方向的某一點開始發展，初期都是呈極細淺的發紋狀，磁粉聚集不多，顯示模糊，沿軸的根部圓周向均勻稀疏分布，最終沿旋轉方向擴展至圓根全部被切斷。從磁痕的顯示特點看，它比較平直、窄細長，寬度均勻，兩頭不尖銳，磁痕聚集不多且顯示模糊，分布均勻稀疏，一般沿軸柱根部的圓周方向分布。在折裂的斷口上觀察有明顯的貝紋區，一般脆斷區占截面積的25%左右，個別的脆斷區甚至高達40%。如2010年9月1日，DF4D型0309機車X1次修，探傷發現傳動軸十字頭銷圓根部有隱性毛細裂紋20余條，最長達27 mm（如圖1所示）。

圖1 十字頭銷圓根部隱性稀疏的毛細裂紋

1.2 傳動軸叉接頭 叉頭裂紋是從內向外裂損發展的，裂紋的產生有2種形式，一是叉頭根部內腕側薄弱區存在原始缺陷，沿旋轉方向成45°角逐漸發展，在高速旋轉的極大扭矩作用下將叉頭撕裂；二是塞焊區存在的未焊透或微小裂紋沿旋轉方向擴展至外側焊口發展，同時裂紋的另一端按剪切力45°角的方向至叉頭根部斜向發展，最后在巨大的扭矩作用下超過疲勞極限形成撕裂，造成傳動軸折裂。如2010年10月27日，在DF4BK型備品傳動軸探傷時，發現一叉接頭外側環焊區表面有3 mm長裂紋，使用平銼打磨后裂紋顯示6 mm長，然而在內側塞焊區顯示有半周的環形裂紋，并且斜向接頭叉部延伸45 mm，這是典型的內側焊口疲勞裂紋。

1.3 花鍵軸 花鍵軸的裂紋方向一般在花鍵齒根部與剪切力方向呈45°角單方向斜向發展，偶爾也有鋸齒形交叉發展的（見圖2）。這是長時期受到交變載荷作用的結果，熱處理工藝質量對其使用的壽命影響重大。

圖2 傳動軸花鍵部鋸齒形裂紋一周

1.4 花鍵套 花鍵套平衡槽內的裂紋與剪切力方向呈45°角斜向發展，裂紋有1條至數條不等，也有在槽根部沿圓周方向的機械加工殘余應力產生的微裂紋逐漸擴展，是典型的疲勞裂紋。以萬向軸的裂紋居多，由于受力較大，具有快速發展的趨向。

2 影響輔助傳動部件磁粉探傷的因素

輔助傳動部件容易產生應力集中部位一般都發生疲勞裂紋，其擴展速度快、危害性更嚴重。對于不同的部件，只有認真分析裂紋發展規律，正確地選擇探傷磁化規范和磁化角度，才能保證探傷質量。否則極易因探傷方法不正確，使部件探傷不徹底或微小裂紋漏檢就裝車使用，將會造成輔助傳動部件的折裂事故。造成輔助傳動部件磁粉探傷漏檢的原因主要有5個方面。

2.1 磁化規范選擇與探傷靈敏度試驗有誤區 根據理論和實際探傷經驗可知，探傷時的靈敏度除取決于磁場強度、磁化方式、工件的導磁率和工件表面的粗糙度外，還與磁粉本身的性能有關。各探傷器磁化方法不同，其靈敏度和缺陷檢出能力也不同，以致對同一部件的裂紋有不同的探傷結果。磁軛探傷器的提升力僅能表示總磁場強度的大小，不能說明磁場強度最弱方向上的磁場強度大小。假如磁軛的提升力已足夠，但此時在最小磁場強度方向上磁場強度，可能達不到檢出缺陷的要求，造成某個方向上缺陷的漏檢。由于A1-15/50標準試片與被檢材質不同，評判材質不一的異型工件磁粉探傷靈敏度有一定的局限性，諸如對長徑比、退磁因子、磁路上多條導致磁場分布不均勻性的特殊結構工件就有影響。因此，每一種磁化規范都有一定的局限性，對于輔助傳動部件這類異形的裝配件，由于解體后材質、形狀各異，很難以同一磁化規范解決所有部件探傷的問題。

2.2 探傷機的使用及磁化電流選擇不當 傳動軸屬于長度比較大的長桿類空心工件，采用多功能旋轉磁場軸向磁化時，為了消除磁極與傳動軸接觸不良而產生的打火現象，在兩端磁極加入了紫銅板或銅網，但銅金屬不屬于鐵磁材料，在磁化工作時導電不導磁。當縱向磁化的電流穿過工件的磁場及磁感應線通過探頭到傳動軸的端部時，由于紫銅板的阻隔和空氣隙的磁阻，工件的磁感應強度減弱，并直接影響對叉接頭塞焊區內環面焊口部位裂紋的有效探測。同時，由于磁痕觀察的角度存在視覺盲區的問題，不利于叉接頭塞焊區內環面焊口部位裂紋的有效檢出，容易出現漏探現象。采用旋轉磁場探傷花鍵套、十字頭銷、法蘭盤等結構復雜的盤餅類異型工件，磁化時需要發現任意方向的缺陷，但是各方向上探傷靈敏度不一致，造成根部磁化不足。為了保證在磁場強度最弱的方向上具有足夠的靈敏度而提高磁化電流，必然會導致棱角臺階的磁粉堆積而影響磁痕的觀察；而磁化電流過小時，易使工件在某個方向上磁化不足，并且漏磁場不足所形成稀疏的磁痕，在工件表面亮白色反光的影響下，不易觀察確認，對隱性毛細裂紋的有效檢出也難以勝任，而剩磁法磁化方向單一探傷效果也不理想。

2.3 磁化方法和磁場方向選擇不合理 磁化方法對裂紋的檢出能力有著至關重要的影響，對于異型結構的工件如果不能保證全面充分磁化，勢必影響缺陷的檢出。漏磁場對磁粉的吸引是磁粉探傷最基本的原理要點，鐵磁性材料在外磁場作用下而被磁化，磁力線在工件中傳播方向與缺陷垂直于90°時形成的漏磁場最高，假如缺陷處漏磁場達不到一定的強度，就不能完全吸附磁粉而造成漏檢。經過現場跟蹤觀察，發現在十字頭銷的探傷中，多數探傷人員在使用探傷器操作時，選擇對角線方向磁化2次即完成探傷檢查任務。由于磁路的走向使磁場不能完全覆蓋十字頭銷圓根部裂紋區域形成有效的漏磁場；而叉接頭探傷時僅磁化外側環焊區，沒有兼顧到內側塞焊區。這種盲目的磁化方法和磁場方向選擇很容易造成裂紋漏檢。

2.4 干法與濕法探傷選擇不正確 磁粉的質量對材質、形狀復雜的異型件裂紋的顯示能力，有著至關重要的影響。濕法時磁懸液濃度過小時，不能清晰顯示磁痕，而濃度過大，則會影響磁懸液的流動性和掩蓋磁痕顯示。干法時磁粉的磁性不良，會影響吸附能力，粒度過大會影響流動性。根據通遼機務段多人次采用多種探傷方法檢測驗證結果表明，十字頭銷圓根部的隱性毛細裂紋，在靈敏度相同的探傷條件下，干法探傷時裂紋的磁痕顯示明顯優于濕法且易于分辨。干法探傷時由于顆粒較粗的磁粉，在漏磁場的作用下對磁痕的顯示有一定的放大作用，磁痕顯示清晰直觀，易于觀察確認；而濕法探傷使用不同的探傷器和磁粉，對磁痕的顯示結果差異很大。由于所使用320目以上的磁粉顆粒細小，平均直徑為0.045 mm，而裂紋寬度為小于0.01 mm的發紋狀，較粘滯性磁粉被吸附后磁痕顯示窄細、模糊不清晰，并且稀疏的磁痕，在工件根部圓角處不易確認。

2.5 工件表面不清潔 由于工件不清潔或清潔處理不徹底，在油污殘存于圓根被檢區域表面以及工件表面油漆覆蓋層的影響下，遲滯磁粉的流動性，造成磁粉或磁懸液滯留表面，形成偽缺陷等因素，影響缺陷的有效檢出。

3 改進探傷方法

探傷方法的正確與否直接決定了探傷檢測的質量，只有針對現場實際情況和輔助傳動部件疲勞裂紋發生的規律，采取有效的探傷措施和方法，才能提高檢測的準確性和傳動部件的使用壽命，杜絕折裂事故的發生。

3.1 正確選擇探傷儀 探傷規范選擇既要保證有足夠的外加磁場強度，又要減少偽磁痕的顯現，基于以上各種因素考慮，對于小修機車輔助傳動這類結構復雜的裝配件，選用電磁軛提升力大于或等于34.32 N的馬蹄鐵磁粉探傷儀，采用交流連續法探傷即可保證探傷檢測質量。該儀器操作簡單，不受工件的幾何形狀限制，可以根據探傷部位隨時調整磁化方向和改變磁場強度進行分段檢查，有效地防止裂紋的漏檢。探傷前須用A1-15／50標準試片試驗探傷靈敏度，盡量采用已知最小裂紋的部件試驗磁痕顯示能力，以確保部件的磁化程度綜合顯示能力。

3.2 合理確定磁化電流 選用馬蹄鐵磁粉探傷儀并采用交流連續法磁化探傷時，確定電流值的選取以探傷部位A1-15／50標準試片顯示清晰為準，工作有效電流值比飽和磁場有效電流值略小即可。交流電、連續法磁化即可滿足材質、形狀各異的復雜工件探傷檢測，對表面開口缺陷有較高的檢測靈敏度，且退磁方便。

3.3 改進磁化方法和磁場方向 根據裂紋易發生的位置和特點選擇主探傷面，將十字頭銷按旋轉方向放置并傾斜15°角，適當調節探傷器磁極開度間距，選擇相鄰的2個銷柱磁化并使兩磁極與工件充分接觸，確保磁力線沿圓根裂紋部位傳播且使磁場方向垂直90°于裂紋區域（如圖3所示），以提高漏磁場的強度，依次磁化4次，再軸向磁化2次，方可完成探傷檢查任務。將傳動軸立式放置使叉接頭及環焊區朝上（如圖4所示），磁化時，對于叉接頭部位要盡量使磁力線垂直于塞焊區環面焊口部位和內腕部裂紋趨向延伸方向，才能完全顯示裂紋，保證探傷質量。其它工件磁化時，盡量使磁場方向與裂紋的趨于走向垂直，形成最大化的漏磁場；并進行多方向交叉磁化，使磁粉易于流動。

圖3 改變磁化方向后的磁路走向

圖4 叉接頭立式放置的探傷部位

3.4 選擇干法探傷提高磁痕顯示效果 雖然濕法探傷相對于干法探傷時靈敏度高，但對于窄細的線狀裂紋顯示不清，容易造成漏探的后果。因此，要根據工件形狀和裂紋特點的綜合因素考慮優選干法探傷。干法探傷對各種形式裂紋能有效顯示，且磁痕顯示直觀清晰，能夠克服基底的模糊不清現象，易于觀察。所用磁粉須具有較高的磁導率和良好的流動性，粒度要求為100～250目、磁性稱重為6～8 g，要盡量選擇較高比例的針狀或棒狀的優質磁粉，因其在漏磁場的作用下，磁粉的線狀鏈排列彌補了圓顆粒磁粉的不足，使磁痕顯示出一定的寬度。

有探傷條件的盡可能考慮優選熒光磁粉。相對于黑磁粉來說，熒光磁粉檢驗靈敏度高，可見度與對比度好，無論工件背景何種顏色，均呈現鮮亮的黃綠色熒光，易于辨認和提高磁粉探傷質量。

3.5 加強工件表面的清潔 對部件表面使用汽油徹底清洗殘存的油污，保證被檢面在磁粉探傷過程中清潔干燥。對于焊口表面油漆覆蓋層、銹蝕要用脫漆劑處理干凈，保證露出基本金屬體，以提高缺陷的有效檢出能力。

3.6 規范探傷操作過程 干粉探傷時，部件表面應干燥并均勻涂抹滑石粉，將探傷器磁極適當地調節開度后放置于部件上進行磁化，使用撒粉器均勻地施加適量干燥的磁粉于部件有效磁化范圍內。施加磁粉時要注意勻細適量，防止過多的磁粉使襯度變壞、掩蓋磁痕顯示。磁軛的磁極間距應控制在75～150 mm之間，磁化率每次保證有25 mm的重疊率。以小于30 mm/s的速度緩慢移動探傷器，并同時注意觀察磁粉流動和聚集的情況。如有異常變化時應改變磁軛開度、調節磁場強度，移動探傷器反復進行多方位交叉探傷檢測，正確判斷各種磁痕特征。

4 結束語

只有正確地選擇磁化方法和優質的磁粉才能提高裂紋的檢出能力。通遼機務段赤峰整備車間采取上述探傷方法效果顯著。2011年來連續4個月檢測出小輔修機車輔助傳動部件裂紋14例，其中工廠中修后走行8萬km以內發生部件裂紋的就有8例，有效地遏制了輔助傳動部件折裂事故的多發。