鐵路貨車車軸微動磨損裂紋實例分析

徐俊生，呂革運，李樹林，薛振峰，鄭 毅

（1太原重工軌道交通設備有限公司 技術中心，太原 030032；2中國鐵路太原局集團有限公司 太原機車車輛監造項目部，太原 030032）

鐵路貨車是鐵路貨物運輸的運載工具，車軸是鐵路貨車上重要的并且是可互換的部件，其技術狀態直接影響到車輛的運行安全。車軸承擔車輛的全部重量，且在運行時還承受著從車體、鋼軌方面傳遞來的各種靜、動載作用力，車軸的結構直接影響車輛的正常行駛，車軸發生問題將造成重大的經濟損失［1］。某路局在輪對檢修作業時，手工超聲波探傷發現一根貨車車軸左輪座鑲入部存在裂紋。對故障輪對退卸鑒定，經磁粉缺陷檢測確認后，發現距左軸端面464 mm處，存在長550 mm的圓周裂紋，裂紋深度約1.5 mm。針對上述車軸故障情況，為分析裂紋產生的原因，對裂紋進行了宏觀和微觀形貌系統分析，結合車軸設計對裂紋產生原因進行理論分析，提出了預防性建議。

1 缺陷分析

為確定車軸裂紋產生的原因，對裂紋進行宏觀形貌觀察，分析裂紋位置及形貌特征。采用金相顯微鏡觀察車軸探傷裂紋區域附近的微觀組織形貌，采用掃描電子顯微鏡觀察裂紋形貌特征，采用真空直讀光譜儀進行化學成分分析，采用電子萬能試驗機進行拉伸性能測試。綜合上述對車軸進行的宏觀及微觀分析以及理化性能檢驗結果，分析造成裂紋的可能原因。具體檢驗分析結果如下。

1.1 宏觀觀察

對裂紋宏觀形貌進行觀察分析，可見車軸裂紋位于輪座內側鑲入部位置，距左軸端面464 mm處，如圖1所示。裂紋接近車輪壓裝邊緣區域，沿輪座呈周向斷續分布，總周長約為550 mm左右，磁粉缺陷檢測目視清晰可見，并且有一定深度，裂紋表面區域有銹蝕磨損特征，如圖2所示。為進一步分析起裂原因，從裂紋處切割取樣，進行金相觀察和掃描電鏡微觀分析。

圖1 車軸裂紋宏觀照片

圖2 裂紋局部放大照片

1.2 表面形貌掃描觀察

采用掃描電子顯微鏡對車軸裂紋區域表面進行微觀形貌特征觀察，如圖3所示。從放大后的表面形貌可以看出，裂紋走向曲折，縫隙存在大小不一的顆粒物，裂紋周圍表面亦呈現“凹凸、凹槽”狀，是發生磨損或摩擦的典型特征；裂紋區域磨損顆粒物能譜分析如圖4、圖5所示，通過分析結果可知，主要為鐵的金屬氧化物，同時有微量Cl、K無機鹽存在，符合微動磨損氧化銹蝕的特征。

圖3 車軸輪座裂紋處表面形貌觀察

圖4 車軸輪座裂紋處表面磨損顆粒物能譜分析

圖5 車軸輪座裂紋處裂紋縫隙磨損顆粒物能譜分析

1.3 裂紋橫截面金相分析

采用光學金相顯微鏡對車軸裂紋區域橫截面進行金相觀察，裂紋處的金相剖面及組織特征如圖6所示。在擴展較深且呈現一定寬度的主裂紋臨近位置還可以看到一細小的次生裂紋，同時注意到產生裂紋的車軸表面區域存在微觀鋸齒狀凹凸不平，如圖6（c）所示，該次生裂紋即是從一處凹坑底部萌生并向車軸內部擴展；無論是主裂紋還是次裂紋擴展所經過的車軸內部金相組織未見異常，晶粒度滿足標準要求，裂紋均起裂于車軸表面，起裂處有磨損凹坑，裂紋呈一定傾斜角度沿徑向朝車軸內部擴展。

圖6 車軸裂紋區域橫截面金相觀察

2 裂紋產生機理分析

根據分析結果可確定裂紋性質為微動磨損造成疲勞裂紋，其產生機理為輪座和輪轂的接觸表面在微觀上凹凸不平，二者裝配到位時，接觸表面上的微觀凸起點首先產生接觸，其接觸應力很大。當接觸應力超過了車軸和車輪材料的屈服極限時，表面微凸體便產生塑性變形，輪座與輪轂表面發生黏著，當輪對運行時，接觸面邊緣產生微動，如圖7所示，黏著點發生撕裂，金屬顆粒從表面剝離。在旋轉彎曲應力的作用下，金屬顆粒在微動摩擦過程中被擠壓碎化，并發生遷移。同時，金屬顆粒遇到潮濕空氣時便被氧化，這種機械和化學的共同作用使氧化磨屑不斷增多，造成了輪軸接觸邊緣的磨損和腐蝕，蝕坑在很高的接觸應力及旋轉彎曲應力的作用下，萌生微裂紋。有的微裂紋擴展到一定深度后停止，與附近類似的微裂紋貫通，形成環形裂紋，有的微裂紋向材料深部擴展，最終可能導致車軸的斷裂［2-4］。減小微動損傷的主要措施包括：

圖7 輪軸配合處微動示意圖

（1）車軸表面強化處理，采取措施包括輪座表面高頻淬火、滾壓強化、鉬噴涂等，提升接觸部位疲勞強度。

（2）優化車軸結構設計，合理選擇輪座與軸身直徑比，過渡圓弧形狀可有效降低接觸區壓應力，減少微動傷［5］。

（3）采用輪轂突懸的設計，約束輪座表面的變形，減少輪座與輪轂相對滑移運動，延緩裂紋萌生的速率，如圖8所示。根據德國專家Nishioka和Komatsu不同幾何形狀的軸轂疲勞試驗結果，突懸結構設計可降低微動磨損的影響。將軸肩進行倒圓，并采取輪轂突懸的結構設計，疲勞壽命可提高50%［6］。

圖8 輪軸突懸裝配示意圖

我國早期設計的鐵路客貨車輛車軸采用的是非突懸結構設計，進入21世紀后，國內輪軸設計機構逐步意識到突懸結構的重要性，相關設計單位對設計圖紙進行了更新，將RD2車軸軸端到輪座內沿距離由原設計471 mm縮短到459 mm，增加了輪座壓裝突懸量［7-8］。文中實例介紹的裂紋車軸為非突懸結構，裂紋產生的原因與結構設計特點有一定關系。

3 結論

從裂紋宏觀表征特點分析，裂紋內側部位出現腐蝕現象。通過車軸裂紋區域表面微觀形貌特征分析顯示，表面裂紋走向曲折，縫隙存在大小不一的顆粒物，裂紋周圍表面亦呈現“凹凸、凹槽”狀，屬于磨損或摩擦的典型特征。通過對裂紋表面及縫隙磨損顆粒進行能譜分析，發現顆粒物主要為鐵的金屬氧化物，同時有微量Cl、K無機鹽存在，顆粒屬于氧化磨屑。裂紋產生原因為車軸配合部位在接觸壓力下產生了氧化磨屑和微動疲勞裂紋的萌生和擴展，氧化磨屑的脫落造成磨損加重和微裂紋擴展加速，最終形成宏觀裂紋。結合設計圖紙，認為輪軸無突懸結構設計使輪軸配合部位微動位移相對較大，微動損傷幾率變大，是誘發微動磨損產生裂紋的主因。

4 預防建議

考慮到我國目前仍然有大量按照無突懸結構

設計的車軸正在服役，隨著服役年限的增加，出現微動損傷的幾率會逐步增大，建議相關部門加強對該類車軸的運營監控，增加段修和廠修頻次，加強對該類車軸探傷，確保鐵路運營的安全。建議修訂《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規則》和《鐵路客車輪軸組裝檢修及管理規則》，增加對客車和貨車車軸檢修時，應排查出非突懸結構的車軸，并將其返修至符合突懸結構的要求，以降低微動磨損疲勞裂紋出現幾率。