制動夾鉗杠桿螺栓超聲波探傷可行性研究

管百飛 上海鐵路局上海鐵路機務綜合開發有限公司

制動夾鉗杠桿螺栓超聲波探傷可行性研究

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機車制動器杠桿螺栓是實現機車制動的關鍵配件，其質量直接關系到機車行車安全。通過超聲波探傷檢查和檢修處理，能夠及時發現、根除機車走行部的安全隱患，保障鐵路運輸安全。

杠桿螺栓；疲勞裂紋；超聲波探傷

1 引言

2016年7月12日，杭州機務段HXD1B-0610機車，右4位制動單元夾鉗外側杠桿螺栓尾部底面與拉桿上部平面間隙處發生異常，判斷杠桿螺栓不良。當天相關技術人員對故障部位進行分解檢查，確認杠桿螺栓斷裂。防止了一起可能由于走行部部件斷裂脫落引發的事故。

2 制動夾鉗杠桿螺栓受力及裂損分析

2.1 杠桿螺栓受力分析

HXD1系列機車整個制動器夾鉗單元，通過夾鉗機構上的前后三個吊點安裝在轉向架上，夾鉗機構通過四個螺栓與制動缸體連接，夾鉗組成相當于一個機械杠桿，當制動缸充風時，制動缸內部的鞲鞴受壓縮空氣推動向前移動，其鞲鞴桿推動夾鉗臂繞杠桿螺栓轉動，以杠桿螺栓為支點使夾鉗臂的制動端閘瓦壓于動輪制動盤面上，產生制動作用。制動過程中，杠桿螺栓承受杠桿支點的剪切力的作用（見圖1）。

圖1 杠桿螺栓承受杠桿支點的剪切力的作用情況

機車制動時夾鉗杠桿螺栓為整個杠桿組成的支點，即轉軸，承受夾鉗臂傳遞的制動壓力，受力位置為上下連接架與夾鉗臂相交處，即杠桿螺栓至上端面80 mm左右處至215 mm左右處，而此區間為縮頸設計，雖有樹脂保護套，依然為應力集中區，容易發生斷裂，威脅機車走行部安全。

2.2 杠桿螺栓裂損分析

2.2.1 杠桿螺栓的材料及幾何尺寸

HXD1型機車單元制動器夾鉗杠桿螺栓材料為17Cr16Ni2，杠桿螺栓身長度為284 mm，直徑φ32.8 mm，螺栓中間有一段縮頸（見圖2），直徑φ32 mm，杠桿螺栓總長度為320 mm。

圖2 杠桿螺栓縮頸區域

2.2.2 杠桿螺栓裂損機理

杠桿螺栓疲勞裂損主要發生在單元制動器夾鉗杠桿螺栓頭部（68～90）mm、尾部（103～125）mm區域，處在杠桿螺栓與縮頸的兩端過渡區域，結構應力比較集中。機車制動時上述兩區域的某截面承受夾鉗上下連接架與夾鉗臂相交剪切力的作用，該截面處的應力瞬間大幅度劇增，而制動緩解時應力又劇降，由于應力經常劇增、劇降交替變化，使杠桿螺栓極易產生疲勞裂紋和斷裂。

2.2.3 杠桿螺栓的斷面狀態

杠桿螺栓的斷裂表面粗糙不平、晶粒粗大，與該處的熱處理性能有一定的關系。

3 探傷方法

HXD1型機車單元制動器夾鉗杠桿螺栓外部有一個保護套，機車日常庫內檢查中看不到杠桿螺栓桿身的異常狀態，根據夾鉗杠桿螺栓的安裝結構，在不分解杠桿螺栓情況下，可以在杠桿螺桿的頭部用超聲波進行探傷檢查。該型機車絕大部分單元制動器夾鉗杠桿螺栓，可以直接在機車外側面實施超聲波探傷檢查。機車第一、六位輪對的制動器夾鉗內側杠桿螺栓，同樣不需要分解夾鉗杠桿螺栓，只要將機車移動到地溝處，探傷人員進入地溝內可以進行超聲波探傷檢查。

4 工藝方案

通過制動器夾鉗杠桿螺栓裂損情況分析可知，夾鉗杠桿螺栓應力集中區域的疲勞裂紋，可以采用超聲波探傷的手段進行檢查、發現。

4.1 試塊

采用杠桿螺栓實物對比確定超聲波探傷的靈敏度，以杠桿螺栓的頭部作為探傷基準面，分別在杠桿螺栓頭部80 mm和尾部215 mm處徑向做人工鋸口，鋸口深度為1.0 mm（見圖3）。

圖3 人工鋸口

4.2 超聲波探頭及耦合劑

（1）疲勞裂紋探傷：用2.5P5°小角度探傷檢查杠桿螺栓80 mm處的裂紋；用2.5P2°小角度探傷檢查杠桿螺栓125 mm處的裂紋；

（2）超聲波探傷用耦合劑為10#機油。

4.3 探傷靈敏度及測距調節

4.3.1 探傷靈敏度

選擇探測面為杠桿螺栓裂紋的端頭平面，在探測區域涂抹耦合劑，用2.5P5°、2.5P2°小角度探頭，分別調節實物對比試塊上頭部80 mm和尾部215 mm處人工鋸口，波高為80%，即為近端、遠端探傷基準靈敏度。調整探傷靈敏度，保存好儀器參數（見圖4）。

圖4 探傷靈敏度調整

4.3.2 掃查靈敏度

按基準靈敏度增益6 dB為掃查靈敏度。

4.4 操作要點及注意事項

（1）探傷作業前必須正確校驗探傷靈敏度，探傷作業完畢后或連續探傷作業每隔4 h，必須復驗靈敏度，確保探傷靈敏度正確。

（2）做好杠桿螺栓探傷面的清潔工作，徹底清除杠桿螺栓端頭平面塵垢，露出金屬本色。

（3）探傷操作在杠桿螺栓頂部端面，用小角度探頭進行裂紋檢查，探頭移動時需要保障覆蓋范圍。

（4）常見疲勞裂紋主要在杠桿螺栓頭部（68～90）mm區域和尾部（103～125）mm區域應力集中區。檢測裂紋時，用小角度探頭在杠桿螺栓頂部端面中心掃查，耦合必須良好，操作時探頭旋轉360°探傷。5°小角度探頭用以螺栓頭部（68～90）mm區域處疲勞裂紋探傷，2°小角度探頭用以螺栓尾部（68～ 90）mm區域處探傷檢查，操作必須規范、認真，不可簡化作業。

（5）機車移動到地溝處停車，探傷作業前必須對機車采取止輪措施并掛好禁動牌，防止機車溜逸等發生意外人身安全事故。確認安全后才可下地溝，探傷作業時采用分步操作，減少更換探頭和調整儀器的頻次縮短時間。先進行5°和2°小角度探頭探傷檢查，做好記錄，再進行探傷情況分析。

（6）典型裂紋及波形見圖5。

圖5 HXD1B-0588機車第六位右外側杠桿螺栓近端裂紋及缺陷波形

（7）由于杠桿螺栓的探傷處存在縮頸，試驗表明會發生波形轉換，使缺陷回波位置發生較大的變化，嚴重影響探傷過程中缺陷的正確定位和定量。所以，在杠桿螺栓的超聲波探傷操作中，不推薦使用直探頭進行疲勞裂紋探傷，避免發生因探傷誤判導致行車安全事故發生。

4.5 質量判定

超聲波探傷中一旦發現有缺陷反射則必須分解，用磁粉探傷進行確認，對有疲勞缺陷的杠桿螺栓一律判廢，為確保機車走行部安全，杠桿螺栓桿身部分不允許存在疲勞缺陷。

5 研究運用

（1）匯總、梳理、分析一年多來全局各機務段對HXD1型機車制動器夾鉗杠桿螺栓探傷普查及各次修程中的檢修工作，進一步完善夾鉗杠桿螺栓在線探傷檢查和修程檢修的工藝，確定各級修程杠桿螺栓的檢修范圍，并納入相應的探傷范圍。

（2）與杠桿螺栓生產廠家合作，開展杠桿螺栓的機械強度分析試驗，改進杠桿螺栓的生產制造工藝，提高螺栓的強度，確保運用質量。

（3）廣泛收集、積累機車制動器夾鉗杠桿螺栓日常運用質量情況和檢修探傷數據，進行匯總、梳理和分析，制定科學的杠桿螺栓報廢評判標準，為制動器夾鉗杠桿螺栓檢修更換提供依據。同時，建議制動器夾鉗杠桿螺栓實行使用壽命管理。

6 結論

把機車制動器杠桿螺栓納入段修（C4修程）探傷范圍，修程中嚴格按上述探傷方法和工藝要求，可以不分解制動器夾鉗杠桿螺栓實施超聲波探傷檢查，確認杠桿螺栓的質量狀態，實行及時處置質量不良的杠桿螺栓，消除機車走行部安全隱患，確保運輸安全。

責任編輯：王 華

來稿日期：2017-03-07