在役動車組空心車軸材質缺陷探傷標準研究*

胡祺昆，黃永巍，張澎湃，吳 毅，畢 超，李立凡

（1 中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081）

車軸是動車組轉向架走行部的關鍵部件，在運行過程中的使用性能至關重要。在車軸的制造過程中有一定概率產生內部材質缺陷，該種缺陷使車軸面臨萌生裂紋并擴展失效的風險，威脅著動車組的運行安全。由于動車組在世界鐵路史上應用時間不長，空心車軸尚未出現規律性的缺陷疲勞擴展規律［1-2］，而我國從本世紀初開始從國外引進動車組，對于關鍵部件探傷缺乏自主標準。由于歷史原因，現行標準主要借鑒于德國、日本、法國等國。上述國家的輪軸探傷標準主要基于實心輪軸探傷的經驗，應用于現役動車組車軸探傷則存在3 個重大問題：（1）內部材質缺陷探傷標準；（2）外表面疲勞裂紋的探測方法和標準；（3）不同材質的空心車軸探傷靈敏度的統一。

基于以上問題，以全尺寸輪軸疲勞試驗臺（型號+F02，精度等級U=0.1%）為主要試驗設備，對含有材質缺陷動車組空心車軸進行了超高周疲勞試驗。采用工業CT 掃描、VG 軟件復原、金相觀察的方法對缺陷形貌及裂紋萌生擴展行為進行了表征。為動車組空心車軸超聲探傷規程的優化提供了實踐和數據支撐。

1 內部材質缺陷疲勞擴展試驗方案

1.1 試驗依據

EN 13261-2009+A1-2010《鐵路應用—輪對和轉向架—車軸—產品要求標準》和EN 13260：2009《鐵路應用—輪對與轉向架—輪對—產品要求》對動車組EA4T 車軸疲勞力學性能做出了規定，其中所有疲勞極限均以疲勞周期為1 000 萬周次定義，目標值見表1。

表1 EA4T 型空心車軸疲勞極限目標值 單位：MPa

表1 中：F1為軸身疲勞極限；F2為內孔疲勞極限；F3為壓裝條件下實心車軸疲勞極限；F4為空心車軸除軸頸外的安裝部分（輪座）疲勞極限；F5為空心車軸在軸頸的安裝部分疲勞極限。

從 表1 可 知，F1和F4適 用 于 本 試 驗，而F1遠 大于F4，從最嚴苛控制角度出發，本試驗選取F1作為試驗應力。

1.2 試驗樣軸加工

根據先期探傷結果，選擇了一根車軸，車軸材質為EA4T，軸號LE16010760057，內孔φ30 mm，在軸身部位有1 處材質缺陷。試驗時缺陷位置應盡量靠近外表面以增加缺陷處應力，但考慮到超聲探傷有一定始脈沖盲區，所以將缺陷加工至距離車軸表面3 mm。加工后的樣品車軸如圖1 所示，長度為1 600 mm，缺陷距離根部45 mm，距離軸端295 mm。

圖1 內部材質缺陷疲勞試驗試樣軸

1.3 缺陷部位試驗應力計算

對于圖1 中所示試驗試樣，缺陷位置對應的軸身直徑為φ123.5 mm，距離軸身表面3 mm，缺陷位置對應直徑φ′為117.5 mm，σ值（后續計算中應力符號用σ代替F）取240 MPa，按照經典材料力學梁理論［3］，缺陷部分試驗應力σ′為式（1）：

即當缺陷位置對應軸身表面應力為±240 MPa時，缺陷位置承受的試驗應力為±228.3 MPa。

1.4 試驗步驟

（1）用應變片實時監測缺陷處外表面試驗應力，確保在EN 13261 中F1應力水平（±240 MPa），每隔一定周期采用超聲探測儀測量一次缺陷當量。

（2）用工業CT 對缺陷部位進行斷層掃描并用VG 軟件對缺陷形貌進行三維復原。

（3）金相觀測缺陷實際形貌，判定是否萌生裂紋。

1.5 超聲檢測器材及測試方法

超聲波探傷儀（型號KW-4C）、超聲波探頭（型號5 MHzφ10FG5）、對比試塊（人工缺陷為φ3 mm平底孔，深度4.0 mm）、耦合劑（機油）。將超聲儀器測距調整，然后分別將對比試塊φ3 mm 平底孔和空心軸上自然夾雜缺陷的反射波調為熒光屏滿刻度的80%，記錄各自的深度、儀器衰減器讀數，以缺陷與平底孔的波高差值表示缺陷當量的變化。

2 試驗結果及分析

2.1 超聲測試數據及分析

疲勞試驗前對帶有人工缺陷的對比試塊和試驗樣品分別進行超聲探傷，均調整至80%波高記錄儀器讀數，作為第一組測量數據。而后完成了108次的超高周疲勞周期試驗，期間進行了25 次測量，共26 組數據，見表2。曲線當量測試值變化趨勢如圖2 所示。

圖2 測試值變化曲線圖

表2 空心車軸內部材質缺陷疲勞試驗記錄表

由于試驗過程中沒有測量到明顯當量變化，所以進行了4 次測量周期的調整，從每50 萬周次測量一次最后增加到每1 000 萬周次測量一次，均沒有明顯缺陷疲勞擴展跡象。26 次測量數據極差為1.1 dB，平均值為φ3-9.23 dB，計算標準差s為式（2）：

標準差s為一較小數值。對這26 個數據進行線性擬合得到線性回歸方程為式（3）：

該回歸曲線的斜率2.38e-5也為一個很小的數值。

將每個測量值和對應回歸曲線上的擬合值差的平方加和，得到殘差平方和3.415e-27（計算過程略）為一極小數值，表明回歸具有高度的可信度。

根據上述數據分析結果認定，該缺陷當量值無變化。即從超聲檢測的角度，缺陷沒有擴展。

2.2 CT 檢測結果

為確定內部材質缺陷空間分布狀態。將包含材質缺陷的空心軸切割成條塊狀試樣，尺寸為長60 mm，高40 mm，厚10 mm。采用工業CT 檢測系統對該試樣每隔0.1 mm 進行一次掃描形成一幅斷層圖像，結果如圖3、圖4 所示。

圖3 上下方向（z 軸）的斷面

圖4 左右方向上（x 軸）的斷面

采用VG 軟件進行逆向工程三維復原，可初步確定該缺陷（紅色部分）長約3.97 mm（距離1），距離外圓面3.0 mm（距離2），中間部分最大直徑0.98 mm（距離3），兩端直徑趨于0，呈紡錘條狀。如圖5 所示。

圖5 缺陷三維模型

2.3 金相檢驗結果

對該內部材質缺陷線切割觀察金相，判斷缺陷類型為夾渣。缺陷橫向剖面尺寸為531 μm×240 μm，邊緣未發現疲勞微裂紋，證明該內部材質缺陷橫向邊緣未發生疲勞擴展，如圖6 所示。

對該內部材質缺陷縱向線切割觀察，雙側金相結果如圖7、圖8 所示，其中一端長度1 241 μm，另一端951 μm，兩端邊緣均未發現微裂紋，證明該內部材質缺陷縱向尖端同樣未發生疲勞擴展。

圖7 內部材質缺陷縱向截面金相（一側）

圖8 內部材質缺陷縱向截面金相（另一側）

2.4 等效里程計算

S-N曲線是疲勞性能評估的基礎數據，關于車軸S-N曲線擬合，可以參考GL 規范《Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2003》［4］進行。在試驗應力σf為±240 MPa、試驗循環為108次的試驗條件下，全尺寸車軸軸身部位S-N曲線可描述為式（4）：

選取許用應力σe時，按照非動力車軸評定準則EN 13103-2009《軌道交通—輪組和轉向架—非主動軸—設計方法》第7 節“Maximum permissible stresses”即最大許用應力的規定，當車軸軸身試驗應力為±240 MPa 時，對應許用應力σe為±180 MPa。此時被測試車軸對應的等效服役壽命NS（周次）與試驗循環次數NT（周次）的對應關系為式（5）：

式中：σf為試驗應力，MPa；σe為許用應力，MPa。

等效里程LS（萬km）和試驗里程LT（萬km）的關系為式（6）：

試驗試樣在完成108次的超高周疲勞周期試驗后仍未出現裂紋。車輪使用過程中的維修方式為旋修，會導致車輪直徑減小直至下限后報廢。新輪滾動圓直徑d1=920 mm，磨耗到限時動力轉向架車輪直徑d2=830 mm［5］。對應里程計算如下：

（1）以新制車輪直徑計算試驗里程為式（7）：

按照式（6）計算等效里程：

（2）以動輪磨耗到限直徑計算試驗里程為式（8）：

按照式（6）計算等效里程：

可以推斷：實際運行里程介于二者之間，以平均值來說，該試驗車軸能夠安全運行約（110.0＋121.8）/2=115.9 萬km 而不出現材質缺陷產生的裂紋。

3 結論及建議

3.1 結論

（1）軸身內部距外表面3 mm 處存在材質缺陷，對應缺陷處外表面加載應力±240 MPa，經計算缺陷位置的最大應力為±228.3 MPa，加載108周次后（等效里程約為115.9 萬km），采用超聲探傷和金相檢驗未發現缺陷疲勞擴展。

（2）雖然試驗樣本只有1 個，但超高周試驗數據能夠說明，內部材質缺陷不易萌生裂紋，實際使用中車軸在更低應力（表面約50～80 MPa）條件下更不易萌生裂紋。

3.2 建議

現役動車組空心軸內部材質探傷靈敏度標準為φ2 mm 平底孔當量。根據以上結論，對EA4T 型動車組空心車軸超聲檢測給出2 種優化方案：

（1）在現有探傷靈敏度（φ2 mm 平底孔當量）基礎上延長探傷周期，日常不探傷，在高級修階段探傷。

（2）保持現有探傷周期不變的基礎上，降低探傷靈敏度（如φ3 mm 或φ4 mm 平底孔當量）。