HXD3 型機車車軸輪座產生裂紋原因分析及措施

劉 憲，劉舒寧，安 萍

（1 大秦鐵路股份有限公司 湖東電力機務段， 山西大同037300；2 天津商業大學 信息工程學院, 天津300134；3 北京機務段, 北京100022）

HXD3、HXD3C型機車是我國鐵路運輸中最大功率六軸交流傳動客貨運電力機車，2015 年11 月承做C5 修時，由于車輪踏面磨耗到限更換車輪，按照規程要求對車軸進行磁粉探傷發現部分車軸車輪壓裝部存在不同程度的磁痕顯示，從磁痕形態顯示初步判斷為裂紋，隨后主機廠在驅動單元檢修中也發現車軸裂紋，數量達到250 余件，為消除機車安全隱患，文中對HXD3型電力機車車軸裂紋進行介紹和原因分析，并提出了應對措施，消除車軸裂損隱患。

1 HXD3 型電力機車車軸結構及裂紋特點

1.1 HXD3 型機車車軸技術規范

中國鐵路總公司標準性技術文件《HXD3型電力機車總體技術規范》（TJ/JW011-2014）和《HXD3C型電力機車總體技術規范》（TJ/JW013-2014）要求，HXD3和HXD3C型（以下簡稱HXD3）電力機車車軸性能具有以下性能：車軸加工執行GB5068-1999、TB/T1027-1991 標準；具有良好的幾何形狀、足夠的剛度和抗疲勞的能力，車軸設計壽命達到400 萬km，材料牌號JZ50 鋼材，車軸坯鍛制進行時效處理，車軸表面進行強化處理，成品軸進行磁粉探傷和超聲波探傷檢查。車軸機械性能要求：屈服點不小于330 N/mm2，極限強度不小于593 N/mm2，延伸率不小于19%，斷面收縮率不小于35%，沖擊韌性中4 個試樣平均值不小于34 J/cm2，個別試樣最小值不小于29 J/cm2。輪對組裝要求：車輪與車軸采用壓裝配合，壓裝過盈量為0.26～0.33 mm，車軸輪座凸懸量：輪緣側為2.5 mm，非輪緣側為6.5 mm。輪對組裝執行TB/T 1463 標準規定，車軸結構如圖1 所示。

圖1 HXD3 型電力機車車軸結構

1.2 HXD3 型機車車軸裂紋特點

HXD3型電力機車車軸裂紋產生在車軸輪座壓裝部位邊緣，也是以往其他型號機車車軸產生慣性疲勞裂紋區域和位置，車軸疲勞裂紋的產生在受力位置和應力集中區的輪座內側部位，距卸荷槽約3 mm 輪座邊緣部位范圍內，裂紋沿車軸圓周方向，呈一條或斷續幾條，經測量深度約為0.5 mm，裂紋發生位置如圖2 所示，經統計裂紋車軸運行公里數在100 萬km～130 萬km 之間，非齒輪側輪座產生裂紋比齒輪側輪座產生裂紋數量多，第1 軸和第6 軸數量偏多，分別占裂紋車軸總數的22% 和27%。齒輪端和非齒輪端均有裂紋，裂紋磁痕顯示中間粗、兩端細，為鋸齒狀且不平整形態，兩端成不規則的尖角型，磁粉聚集濃密清晰，磁痕輪廓清晰，磁痕形態呈典型的疲勞裂紋形態，磁痕顯示如圖3 所示，初步判斷為疲勞裂紋。隨后將車軸磁痕顯示裂紋部位進行金相檢驗確認：裂紋為穿過鐵素體和珠光體的穿晶裂紋，符合疲勞裂紋特點，確定為疲勞裂紋，其缺陷形態如圖4所示。

圖2 車軸發生裂紋位置和特點

圖3 車軸裂紋磁痕顯示狀態

圖4 裂紋宏觀金相檢驗

2 原因分析

HXD3型電力機車車軸裂紋產生位置在應力集中區和慣性疲勞裂紋發生區域，通過對HXD3型機車運行條件、牽引噸位、轉向架結構形式、驅動裝置懸掛方式和輪軸受力狀態等方面進行了調研和研究論證，未發現異常，重新對車軸強度進行了校核計算分析，并對HXD3型機車車軸結構設計、原材料選擇、材料質量、制造加工和裝配工藝過程控制進行檢查，排除了車軸制造工藝、加工工序不符合設計、工藝規定，車軸產生裂紋的原因一般由配合面產生微動磨損和壓裝部位形成集中應力，車軸表面應力隨著旋轉不斷地由拉應力旋轉至壓應力，再由壓應力旋轉至拉應力，是周期性變化的，產生交變應力，受力極為復雜，引發彎曲形變，產生相對滑動。

2.1 過盈配合產生微動磨損

HXD3機車采用車軸和車輪過盈配合組裝，其壓裝過盈量0.26～0.33 mm，車軸輪座凸懸量分別為2.5 mm 和6.5 mm，滿足標準性技術要求規定2～7 mm 要求，車軸車輪過盈配合面之間會產生彈性變形量，同時在黏著、磨損、氧化和疲勞這4 種基本損傷機理的疊加和相互作用造成在接觸面局部區域發生微小幅度的相對往復運動形成微動損傷；同時車軸在機車承重情況下，車軸上方受到拉應力，下方受到壓應力，隨著車軸的轉動，拉應力和壓應力交替作用在車軸上，加上牽引力、制動力和扭力等各種力的作用下產生一定的彈性變形，車軸輪座和車輪配合面隨著車輪的旋轉形成相對的輕微滑動，在微動與未微動區的交界處，拉應力、剪應力、表面摩擦力和接觸應力在此處產生應力集中［1］，由于交變拉、壓應力和切向力的反復作用使接觸表面產生交變的塑性變形，局部不斷形變硬化，從而使表面產生脫層，進而造成蝕坑等裂紋萌生點加大、加深，隨著交變的塑性累積，微裂紋逐漸萌生，產生疲勞源，長期運行過程中形成疲勞裂紋。

2.2 車輪壓裝使輪座邊緣產生集中應力

車軸輪座內側滑動部位在輪軸裝配時存在較大的壓應力，其附近非壓裝區存在較大的拉應力，輪座壓裝區兩端形成較大的應力集中，車軸輪座部位應力主要有2 種，一是輪座壓入邊緣附近的殘余拉伸應力；二是輪軸裝配部位的彎曲應力集中作用。這些應力經過長時間交變作用，影響著車軸裝配部位表面的疲勞強度。車軸最大的軸向拉應力應出現在車軸輪座端面以外的區域，但由于車軸壓裝部位形狀為錐形口的影響，車軸在各種力的作用下會產生一定的彈性變形，在車軸輪座兩側與車輪配合部位相對的輕微滑動，并隨車輪的旋轉而反復作用，所以疲勞源出現在車軸輪座和車輪接觸邊緣處。對于車軸的疲勞微裂紋在非齒輪側出現遠多于齒輪側的原因，經分析應為兩端結構及安裝部件的差異，造成兩端車輪與車軸間的彈性變形和相對微動滑移量不同引起，同時由于單側齒輪傳動，兩側車輪同步轉動，非齒輪側車軸作為該位置車輪的支點，該位置受到扭力比齒輪側要大。

3 解決措施

3.1 優化改造車軸輪座卸荷槽尺寸

鑒于裂紋車軸數量較多，車軸結構雖然符合設計要求，車軸設計上是否需要進一步完善，輪軸采用過盈配合方式進行裝配時，對于車軸有兩相鄰座的結構，在兩相鄰座之間應設計卸荷槽［2］，車軸設計卸荷槽可以有效的提高配合面的疲勞強度，卸荷槽與階梯軸相似，配合面的應力水平將顯著降低，但卸荷槽底部應力集中程度增大。但輪座與卸荷槽底部直徑的比值并無規定，車軸卸荷槽結構沒有明確的標準，EN 13104 標準規定，對于無鄰座的車軸輪座，車軸輪座直徑與軸身直徑之比至少為1.15。國內其他機車車軸卸荷槽對比見表1，車軸輪座與卸荷槽底部直徑的比值D/d 都在1.04～1.05 范圍內，HXD3型機車車軸輪座直徑D=252 mm，卸荷槽直徑d=250 mm，D/d 比值為=1.008≈1.01，比值偏小；如卸荷槽深度過小，車軸在運行過程中將在配合面處產生裂紋；如卸荷槽深度過大，車軸在運行過程中將在卸荷槽底部產生裂紋，最佳卸荷槽的形狀應為槽底和配合部的容許彎曲力矩相等時，通過試驗研究表明，卸荷槽越深或者曲率半徑越小，配合部的疲勞極限越大，但槽底的疲勞極限將顯著降低。車軸整體的疲勞強度是由配合部疲勞極限曲線和卸荷槽疲勞極限曲線中的任何一個最低值決定的，使得卸荷槽最佳形狀為兩曲線的交點。對于給定的輪座直徑，可以根據該曲線原理求出該車軸最佳卸荷槽曲率半徑或深度。

輪座邊緣和卸荷槽部位的疲勞極限趨勢是相反的，即卸荷槽處強，輪座邊緣部位就弱，反之，輪座邊緣部位強，卸荷槽處就弱，需要找到兩者的平衡點，原設計時考慮了車軸壓裝部位的應力及卸荷槽應力的平衡，針對目前在輪座邊緣部位發生裂紋，將輪座與卸荷槽的平衡點需要進一步調整優化，將卸荷槽應力在安全系數范圍內調高一些，把平衡點設置轉移至重點防止微動，在考慮國內運用條件下應屬于更加優化的措施。因此優化方案考慮優化平衡點，對卸荷槽部位進行改造適當加深，但卸荷槽的具體深度須保證卸荷槽底部應力值不應過高，應保證有足夠的安全裕度和強度。

對非齒側輪座部位存在的裂紋，沿齒側卸荷槽底部中心向輪座側偏移1.7 mm，卸荷槽深度由原來1 mm 增加到2 mm，采用半徑R 為16 mm 的圓弧過渡，如圖5 所示；對于齒側輪座部位存在的裂紋，沿齒側卸荷槽底部中心向輪座側偏移2.2 mm，卸荷槽深度由原來1 mm 增加到2 mm，采用半徑R為16 mm 的圓弧過渡，如圖6 所示。加工完成后，均采用磁粉探傷進行確認，在保證裂紋被徹底消除的情況下，采用專用滾壓工具對加工部位進行表面滾壓強化處理，以達到車軸優化、加工表面強化的作用。

3.2 控制車軸探傷關鍵點

將HXD3型電力機車車軸輪座產生裂紋部位列為重點探傷關鍵部位和關鍵點，利用便攜式數字式超聲波探傷儀的存儲功能，將探傷作業過程的實時探傷波形存儲并轉儲到計算機上，增加波形回放功能，對轉儲的車軸探傷波形進行二次分析，提高車軸超聲探傷安全風險管理研判，HXD3型電力機車車軸探傷作業過程進行全面監控管理，對異常波形進行自動識別和篩選，實現預警，提示相關人員進行質量控制，針對數據采集和作業進程情況，形成一套完整檢修作業記錄過程，自動追溯、分析、評價超聲波探傷作業質量，進行實施車軸探傷數據管理和評價，規范探傷作業過程、提高探傷質量，防止車軸探傷作業由于作業者的失誤產生裂紋漏檢。

表1 各型機車車軸卸荷槽對比

圖5 非齒輪端卸荷槽改造

圖6 齒輪端卸荷槽改造

3.3 監控超公里運用車軸

HXD3發生裂紋車軸走行公里一般在100 萬km～130 萬km 之間，且裂紋深度較小，對于超過130 萬km 運行的車軸由于沒有進入拆解輪對進行磁粉探傷，雖無探傷檢測裂損數據，但根據經驗初步判斷應該有車軸產生疲勞裂紋，對于超過130 萬km 運行的車軸，應利用退輪時機對車軸進行磁粉探傷外。利用機車進入C3 修程增加超聲波探傷，采用縱波直探頭放置在車軸端面進行軸向探傷，同時用小角度10°縱波探頭對車輪輪座和齒輪座進行探傷［3］，按照鐵總運（2014）306 號文件規定，車軸超聲波探傷采用2 mm 深度人工鋸口作為探傷靈敏度，由于組裝車軸車輪輪轂內孔倒角、側面、組裝間隙以及組裝應力都有反射回波，為分辨裂紋和固有波形，探傷靈敏度必須設置較低一些，所以小角度探傷檢查時盡量提高探傷靈敏度，在信噪比較好的狀態下進行探傷，確保微小裂紋不漏探，但小角度縱波探頭探傷方法由于受到當前超聲技術、現有超聲儀器和車軸組裝客觀條件限制，對于深度小于0.5 mm 當量的疲勞裂紋可能發生漏檢。

3.4 合理采用無損檢測技術檢測車軸裂紋

3.4.1 利用C5 修程對車軸進行磁粉探傷

車軸疲勞裂紋出現在車軸圓周外表面，磁粉探傷是發現車軸疲勞裂紋最有效的方法，對于服役中的車軸，最佳探傷方法采用磁軛探傷器干法探傷。機車進入C5 修程后，無論車輪是否磨耗到限，全部拆解車輪進行車軸磁粉探傷，對未進入C5 修程的車輪對更換車輪的車軸也進行磁粉探傷，在探傷作業過程中要將壓裝油脂擦拭干凈，有利于磁粉的流動，涂抹滑石粉增加對比度，同時針對裂紋在輪座邊緣0～3 mm，探傷器放置時注意磁極不能將裂紋壓住掩蓋，必須使探傷器傾斜將一個磁極放置在靠近裂紋的齒輪側面或者非齒輪側軸箱側面，將輪座裂紋發生區域盡量使裂紋區域處于可靠、有效的磁場之中，便于裂紋磁痕的顯示和觀察，對探傷器兩極之間進行磁痕觀察，對于形狀突變處容易積聚磁痕，應采用吹粉球吹動聚積的磁粉，有利于裂紋的顯示、分析和判斷。

3.4.2 對壓裝部進行局部超聲波探傷

超聲波探傷對于不解體車輪檢測車軸疲勞裂紋最有效，但超聲波探傷是對比法，受到超聲儀器、探頭、探傷方法、工藝以及探傷人員種種因素的影響［4］，誤判率還是很高的，對于機車車軸超聲波探傷，機車車軸探傷經歷50 多年，積累了很寶貴的車軸探傷經驗。退輪后的車軸除了進行直探頭探傷檢查外，還要進行小角度探頭縱波探傷，主要掃查疲勞裂紋產生的區域，并利用數字式超聲波探傷儀的波形展寬功能來仔細觀察波形，提高相鄰波形的分辨力。因為橫波探傷靈敏度要比縱波高［5］，同時經過計算和經驗采用K0.7 的橫波探頭放在輪座上對輪座邊緣產生疲勞裂紋位置區域進行橫波探傷，如圖7 所示，探頭前后移動大于100 mm的距離，對靠近減載槽的齒輪座位置也進行橫波探傷，這樣即使傳動齒輪不進行拆解，也能對應力集中的齒輪座和輪座同時進行探傷，確保車軸疲勞裂紋不漏探。在實物對比試塊上2 mm 深度人工鋸口基礎上增加1 mm 深度人工鋸口，其反射波如圖8、圖9 所示。

圖7 縱波小角度探頭、橫波探頭示意圖

圖8 2 mm 深度缺陷反射波

圖9 3 mm 深度缺陷反射波

3.4.3 利用超聲相控陣陣列技術檢測車軸裂紋

利用相控陣陣列技術采用不同角度探頭掃描微小裂紋［6］，有利用微小疲勞裂紋反射能量達到最高，形成較高的反射波，提高車軸微小裂紋檢測的可靠性。在車輪解體后采用相控陣超聲技術將相控陣陣列探頭放置在輪座上，對減載槽兩側進行扇形掃描，相控陣探頭采用電子觸發可形成不同角度晶片發射超聲波，通過計算機控制激發各個晶片，形成不同角度的超聲聲束，如同多個不同角度的探頭同時工作，使不同角度的超聲聲束掃查缺陷，采用多角度的探頭進行多次掃查來獲取最大的反射量，提高車軸裂紋檢測的可靠性。

4 結束語

HXD3型機車車軸和車輪在過盈配合組裝狀態下，承受著各種力的作用會產生一定的彈性變形，并伴隨相對的輕微滑動，過盈配合發生微動磨損，車輪壓裝使輪座邊緣產生集中應力，微動使輪座表面產生金屬粘連和轉移產生摩擦腐蝕形成疲勞裂紋源，逐漸萌生為疲勞裂紋。對車軸減載槽尺寸進行優化改造，緩解車軸應力集中，延遲疲勞裂紋的產生，在檢修過程中利用退輪時機對車軸輪座部分進行磁粉探傷和超聲波探傷，并增加橫波和相控陣技術進行探傷，將會提高探傷靈敏度，能夠有效提高機車車軸裂紋檢測的準確性，監控車軸裂紋的發展狀況，確保機車運用安全可靠。