無損檢測技術在和諧型機車牽引電機C6修中的應用研究

劉 瑋, 李儒彬, 曹 蒙, 李 融, 王興強

(中車株洲電機有限公司， 湖南株洲 412001)

隨著社會的發展、科學技術的進步和人們需求的不斷變化，當今中國的鐵路網、軌道交通網已經行成一個非常龐大而且復雜的體系，行車安全是這一體系的重要的標準。

牽引電機在給列車在線運行提供核心動力的同時會在某些部位及部件裝配面形成應力集中，隨著電機運行時間的不斷累積，這些敏感位置就可能形成疲勞缺陷，從而給列車的行車安全埋下極大的安全隱患。和諧型機車牽引電機在運行一定里程數后就需要進行定級檢修，現階段和諧型機車檢修即將全面進入C6修修程，這對牽引電機重要零配件的缺陷檢測能力提出了更高的要求。

目前，和諧型機車牽引電機C6修主要針對轉軸軸伸及內錐孔、小齒輪、懸掛及抱軸、聯軸器等關鍵部件進行無損檢測，以確定其使用質量狀態。

1 轉軸軸伸及內錐孔滲透探傷

1.1 結構分析

和諧型牽引電機轉軸采用合金結構鋼鍛造成型，粗加工后調質處理，經數控車床精加工、磨床磨削而成。以HXD1C型牽引電機為例，轉軸內錐孔材料為30CrNiMo8，內徑為φ125 mm，內錐孔孔深為230 mm，錐度比為1∶10，內錐孔壁厚最薄處為17.5 mm，如圖1所示。

圖1 HXD1C電機轉軸

該轉軸是通過內錐孔內壓裝小齒輪，經小齒輪和聯軸節嚙合傳遞輸出動力。列車運行時會在小齒輪注油孔位置與轉軸內錐孔結合位置形成應力集中，若以上位置存在線性缺陷，應力集中會導致缺陷擴展，進而致使小齒輪斷裂，給列車的行車安全造成極大的隱患。

1.2 檢測方法

通過電機檢修數據統計及現場實物確認，電機轉軸內錐孔缺陷位置均為軸向61 mm處，故障原因為轉軸內錐孔與小齒輪裝配后，在小齒輪注油孔過渡油槽處形成應力集中所形成的壓傷。

在保證C6修轉軸軸伸及內錐孔的可靠性和有效性的前提下，為提高檢測效率及減少檢修成本，在電機拆解后先采用滲透檢測對轉軸軸伸及內錐孔進行效果驗證。如圖2所示。

圖2 滲透檢測

1.3 滲透探傷技術要求

(1)轉軸軸伸及內錐孔滲透探傷應在不低于10℃的環境溫度下進行，避免在火焰附近及高溫環境(主要指正在焊接的現場或其他加溫設備附近等)下進行操作；作業場地應通風并有適當的照明，痕跡觀察應在500 Lx以上的可見光下進行。

(2)轉軸軸伸及內錐孔表面塵垢、油污等異物清洗干凈，并經外觀檢查合格后進行。

(3)作業步驟按下述的規定進行:前處理、滲透、清洗、干燥、顯像、觀察、記錄、后處理。

2 小齒輪、轉軸內錐孔修磨熒光磁粉檢測

2.1 檢測方法

熒光磁粉檢測就是對被檢工件施加磁場使其磁化(整體磁化或局部磁化)，在工件的表面和近表面缺陷處將有磁力線逸出工件表面而形成漏磁場，有磁極的存在就能吸附施加在工件表面上的磁粉形成聚集磁痕；利用紫外線熒光探傷燈所發出的紫外線來激發熒光磁粉中的發光物質，使發光物質產生一種熒光，而借助這種熒光檢查出工件的缺陷。電機小齒輪及轉軸軸伸內錐孔修磨處進行熒光磁粉檢測見圖3，具有以下優點：

(1)小齒輪及轉子放于熒光磁粉探傷機上360°旋轉，能更好的觀察并發現修磨處的缺陷。

(2)復檢檢出率高；檢測時磁化工件，缺陷處有漏磁場的形成，漏磁場吸附磁粉，產生磁痕，退磁后磁痕消失。因而可重復檢測工件。

(3)檢測靈敏度高，可檢測出最小寬度0.1 μm的缺陷;

(4)能直觀的顯示出缺陷的位置、大小、形狀，可大致確定缺陷的性質。

圖3 熒光磁粉檢測

2.2 技術要求

(1)小齒輪及轉軸內錐孔可見部位表面潔凈無污物，并露出基本金屬面，以避免表面油污影響檢測結果的可靠性。

(2)檢測參數設定：為保證熒光磁粉檢測范圍能全面覆蓋到被檢測區域，根據機車電機小齒輪及內錐孔的形狀、長度L、工件截面有效直徑D等參數計算出縱向磁化磁勢 NI的數值。

(3)在暗室情況下，用白光照度計及熒光照度計測定暗室白光照度及紫外線輻照度，要求：在暗室內作業時，白光照度不高于20 Lx，紫外燈輻照度不得低于1 000 μW/cm2。

(4)進行磁化時，要求磁場強度不小于2 400 A/m，熒光磁懸液體積濃度為0.1 mL/100 mL～0.6 mL/100 mL。

2.3 存在問題

電機拆解退小齒輪后，小齒輪表面及轉子內錐孔內都或多或少的帶有油漬、污垢等異物，在對其進行熒光磁粉探傷時，小齒輪及轉軸內錐孔帶有的異物就會污染熒光磁懸液(如圖4所示)，被污染的磁懸液會給探傷工作帶來兩處不利：(1)熒光磁懸液污染后濃度達不到檢測要求，進而導致缺陷磁痕顯示模糊，不易辨別，大大降低微小缺陷的檢出率；(2)被污染的熒光磁懸液連帶雜物進入探傷機床后會導致探傷機運行發熱，降低探傷機的使用壽命，增加維修成本。為了避免以上帶來的不利，操作人員必須時刻關注熒光磁懸液的質量，進行磁懸液濃度測定試驗，試驗不合格則必須更換新的磁懸液，通過計算分析，每15天需更換5桶熒光磁懸液，這樣就大大的增加了操作人員的作業時間，降低工作效率。

圖4 無保護工裝

2.4 改進方法及效果

根據CJW-5000熒光磁粉探傷機的基本結構，轉盤的轉動面積，升降高度，計算出活動空間，設計制作兩個工裝托盤，安裝在探傷轉盤兩側，小齒輪及轉子內錐孔在進行熒光磁粉探傷時，兩個托盤可有效的接收從小齒輪及轉子內錐孔上流出的異物及被污染的磁懸液，從而將污染物與探傷機床進行有效隔離，即可保證整體磁懸液的濃度及純凈度，減少更換熒光磁懸液的作業次數，降低作業浪費，提高作業效率，同時可降低熒光磁懸液的使用成本，也可防止異物進入探傷機床，有利于延長設備使用時間，降低設備維護成本。

圖5 保護工裝

3 懸掛及抱軸、聯軸器磁粉檢測

3.1 結構分析

牽引電機懸掛部位(材料：GS-20Mn5)是由鑄造件焊接而成，聯軸器(材料：30CrMoV9)則是通過激光電子束焊接而成，在這些焊縫中或多或少存在一些缺陷，如鋼材熱軋和結構焊接過程中不均勻加熱和冷卻所產生的截面殘余應力、構件初彎曲等制造偏差，以及構件連接初偏心等安裝偏差。這些缺陷將降低臨界應力和穩定系數，從而給列車的行車安全埋下安全隱患。所以通過對牽引電機聯軸器、懸掛及抱軸的安全監測來避免缺陷產生的危害，顯得尤為重要。

3.2 檢測方法

由于電機懸掛及聯軸器結構較復雜，選用便攜式磁軛進行磁粉檢測。

3.3 技術要求

(1)使用便攜式磁軛對焊縫及熱影響區進行濕法磁粉檢測, 便攜式磁軛探傷儀在極距為100 mm時，提升力≥44.1 N(4.5 kg平板試塊)。

(2)焊縫及熱影響區附近的母材表面必須去漆處理，表面潔凈無污物，并露出基本金屬面，以避免表面漆及油污影響檢測結果的可靠性。

(3)磁粉檢測場地應整潔明亮，白光照度不得低于500 Lx。

圖6 非熒光磁粉檢測

4 無損檢測檢修數據庫

為確保和諧型機車電機C6修無損檢測項點完全符合國家無損檢測管理標準要求，保證機車電機檢修質量的可靠性及可追溯性，通過數據采集→數據判斷→數據存儲→數據處理分析→輸出全面檢修數據報告的方式實行機車電機檢修無損檢測數據定制定模管理模式，有效規范了無損檢測檢修數據采集及處理行為，逐步屏蔽因檢修基地分布較廣、產品類型多樣、操作員工技能素質水平不齊等因素導致的無損檢測數據收集滯后、信息缺失、數據填寫不規范等不足，建立健全無損檢測檢修數據庫，有效推動了檢修電機無損檢測全面數據管理提升，在為產品質量問題分析提供追溯依據及數據支持的同時大大降低了海量數據處理的工作難度，提升了工作效率，見圖7。

圖7 無損檢測數據庫顯示示意圖

5 全壽命周期分析

通過對無損檢測檢修數據庫進行統計分析，發現機車電機在運行一定時間或里程后，在小齒輪、轉軸內錐孔等受力部位均會形成疲勞缺陷，為有效保證列車的行車安全，機車電機檢修全壽命周期管理至關重要。下面就以電機懸掛部位為例進行分析研究。

目前，針對和諧型機車電機懸掛及抱軸位置鑄造缺陷及探傷發現缺陷采取的修復方案為：對缺陷位置進行返修焊補，具體作業方法參照返修方案執行。而隨著列車運行里程數的不斷增加，機車電機定子懸掛缺陷返修焊補位置可能再次出現缺陷，而對同一位置進行多次返修焊補，勢必會大大降低焊縫的力學性能，一旦返修缺陷性能惡化，就將給列車的行車安全造成極大的安全隱患，為有效規避上述安全風險，采取了一系列措施。

(1) 調研分析國內外不同行業領域關于焊縫缺陷補焊的性能影響及補焊次數的規范標準；

(2)分析研究GS-20Mn5材質在焊接過程中的冶金反應；

(3)詳細記錄電機定子懸掛缺陷位置，并跟蹤其補焊后的上線運行情況，做好相應記錄；

(4)根據定子懸掛的材質及焊接結構設計制作工作試塊，模擬懸掛位置缺陷補焊形式及特點，對一次焊接試塊、一次補焊試塊、二次補焊試塊、三次補焊試塊及多次焊補試塊進行試驗類比分析，試驗的方法包含沖擊韌性試驗和微觀金相試驗等，確定機車牽引電機懸掛焊縫缺陷的最大允許補焊次數，規避因不確定的因素而帶來的質量安全風險；分析結果：①當和諧型機車牽引電機定子懸掛位置缺陷超出所允許的最大補焊面積時，則不再使用該定子。②電機定子懸掛相同位置進行二次補焊后，若再次發現缺陷，則不再使用該定子。以最大限度的規避電機的上線運行風險。

6 結束語

常規的滲透檢測及磁粉檢測均具有其優點及局限性，針對不同的零部件選擇合適的檢測方法對保證機車電機的檢修質量至關重要。根據和諧型機車電機C6修

技術要求，結合電機各重要零部件自身結構特點，通過理論分析和實際檢測驗證，對無損檢測技術在和諧型機車電機C6修中的應用進行了全方位的研究，不僅提出了牽引電機小齒輪、轉軸內錐孔、聯軸器、懸掛及抱軸等重要零部件的無損檢測方法，而且進一步對無損檢測檢修數據庫的建立及電機懸掛部位全壽命周期管理進行了論述，在有效保證了上述部件的檢修質量的同時提供可追溯依據，從而為鐵路運營安全提供有力支持。

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