鐵路貨車輪軸無損檢測技術研究

趙金海

（國能鐵路裝備有限責任公司肅寧車輛維修分公司，河北滄州 062350）

0 引言

鐵路貨車的輪軸作為連接車體和車輪的重要部件，具有傳遞貨車動力、承受貨車沖擊和振動，以及支撐車體重量的功能，因此鐵路貨車的輪軸成為貨車安全的關鍵部件[1]，其質量問題直接影響鐵路運輸的安全。現階段我國重載鐵路實現突破式高速發展，鐵路貨車軸重逐日加大，鐵路貨車運行中輪軸的質量保障越來越得到高度重視。于是，對鐵路貨車輪軸進行定期檢測和日常運行監測十分有必要。鐵路貨車輪軸無損檢測技術充分利用物理學中的電磁聲光等原理，能夠全面檢測和分析被檢測輪軸的不均勻性以及內部損傷問題，因此，鐵路貨車輪軸的無損檢測技術具有十分重要的應用價值[2]。

1 鐵路貨車輪軸損傷問題分析

鐵路貨車輪軸的內部結構分為車軸與車輪兩部分。車軸的損傷問題有很多，比如車軸出現磨傷和裂紋，發生折損、彎曲變形和軸頸輾長等。車輪的損傷問題也有很多，諸如車輪踏面與輪緣出現磨損和裂紋，車輪踏面發生粘有熔化金屬、擦傷、缺損、剝離、碾寬和局部凹陷等[3]。

1.1 圓周磨耗超限

圓周磨耗所表現的形式有表面疲勞磨耗、磨粒磨耗、微動磨耗以及黏著磨耗等。圓周磨耗所產生的原因來自貨車車輪與鋼軌之間的滾動摩擦，如果貨車車輪兩端磨耗相當，則屬于正常磨耗的形式，如果貨車車輪兩端存在偏磨耗現象時，多數情況下只有一端車輪輪緣超限與輪徑差存在超限，則構成非正常磨耗。根據日常車輪輪軸傷損維修情況統計，多于80%的傷損由非正常磨耗造成，尤其在專用路線上的貨車，很少有調車作業，在單向運行過多的情況下，線路曲線內側的貨車車輪，極其容易發生嚴重偏損耗問題，因此貨車車輪輪軸發生偏磨耗的主要原因是貨車多次運行在單向和有曲線的同一線路上。

1.2 踏面剝離

踏面剝離大致有接觸疲勞剝離、局部接觸疲勞剝離、局部擦傷剝離以及制動剝離四種形式。

第一種接觸疲勞剝離指車輪因表層喪失承載能力而開裂，形成層狀剝落。當貨車處于重載狀態，貨車車輪由于連續高速運行，貨車車輪所具有的機械能轉化為車輪和輪軌的熱能，貨車車輪部分的熱能會增加輪軌間的動載荷，巨大的動載荷使輪軌接觸面產生較大的塑性形變，在貨車車輪表面超出彈性極限達到韌性極限的情況下，貨車車輪表面因為承載能力喪失導致貨車車輪表面開裂，進一步造成層狀剝落的狀況，接觸疲勞剝離由此發生。

第二種局部接觸疲勞剝離表現為貨車車輪踏面因為斑狀剝離而產生的貨車車輛局部凹陷問題，該情況極其容易使貨車車輪發生品質惡化現象。當貨車車輪踏面圓周上產生裂紋再進一步使金屬塊脫落時，則會發生貨車車輪接觸性疲勞剝離的現象，還有一種是貨車車輪具有相對較大的硬度和強度，當貨車重載并高速運行時，貨車車輪踏面極易出現條紋形狀的裂紋，長工作時間后會導致貨車車輪踏面出現斑狀剝離的現象。

第三種局部擦傷剝離與第四種制動剝離都是因為火車車輪閘瓦制動使得車輪踏面出現碎裂紋狀導致的，該現象屬于重度踏面剝離，嚴重影響貨車運行安全，危害性極大。因此，貨車車輪損傷的重點研究方向之一是對貨車車輪局部擦傷剝離與制動剝離。

1.3 裂紋

貨車車輪裂紋大致包括制動熱裂紋、疲勞裂紋、輻板孔裂紋、輪輞疲勞裂紋及掉塊四種情況。

第一種制動熱裂紋主要是因為貨車車輪制動發熱導致。貨車受到制動，車輪輪軸溫度升高，在高溫下車輪容易出現塑性變形，制動停止后，車輪又快速降溫，若是貨車頻繁制動，則很容易導致車輪熱疲勞傷損，發生車輪制動熱裂紋。制動熱裂紋的形狀顯示刻度狀，當出現主裂紋擴展向內時，制動熱裂紋出現轉向現象，容易造成踏面淺層掉塊等車輪損傷，當踏面熱影響比較深時，熱疲勞應力會主導疲勞裂紋的擴展，造成制動剝離，該情況下若是沒有及時檢修，會很容易造成徑向崩裂，導致對貨車產生更大的危害性。

第二種疲勞裂紋由貨車車輪表面裂紋加速擴展而形成。如果貨車車輪出現熱裂紋向徑向擴展的問題，貨車車輪與軌道的接觸面附近區域內，會容易出現非金屬夾雜物等冶金缺陷問題，導致貨車車輪與軌道接觸面處的裂紋源快速成核，同時加快裂紋的進一步擴展，進而導致疲勞裂紋的產生，貨車車輪的疲勞裂紋對貨車車輪的危害性極大，絕對不能忽視。

第三種輻板孔裂紋屬于貨車帶輻板孔的車輪由于擦傷而產生的輻板孔處裂紋。現如今的貨車帶輻板孔的車輪已經下線停產，只是仍有部分帶輻板孔的車輪在運行中，從貨車車輪輪軸維修的角度分析，帶輻板孔的車輪多存在裂紋，并且存在裂紋的輻板孔，裂紋相應的地方都有擦傷痕跡。對于已存在裂紋的車輪，貨車運行中由于制動令輻板孔處產生比較大的振動力，容易引發裂紋進一步加速擴展，當貨車重載提速時，輻板孔車輪的作用則會減弱甚至喪失。

第四種輪輞疲勞裂紋及掉塊是由于貨車車輪受到不平衡的離心慣性力的作用，貨車車輪在偏重狀態高速運行時，加速輪輞疲勞而產生輞裂紋，發展到外側面時，則容易產生掉塊。因為貨車車輪受到離心慣性力的不平衡，出現偏心距，動反力以運動速度的平方值的形式高速增加，若貨車車輪在偏重狀態下高速行駛，必然加速輪輞疲勞，形成輪輞裂紋，輪輞疲勞裂紋發展到車輪外側，則很容易發生車輪掉塊或者車輪局部掉塊，對貨車的危害性非常大。

1.4 擦傷

貨車車輪踏面擦傷主要原因來自貨車運行中制動操作不正確，大致有三種情況：

第一種情況是貨車提升速度以后，在長大坡軌道上緊急制動，造成車輪擦傷。

第二種情況是空車車輪擦傷，產生的原因是當貨車處于空載運行狀態時，在重車位采用緊急制動措施，會產生相對過大的制動力。

第三種情況是貨車車輪踏面局部急劇摩擦產生的擦傷，產生的主要原因是貨車車輪與輪軌間的黏著力不夠，車輪發生滑行造成的。

1.5 輪緣局部缺損和掉塊

貨車車輪出現輪緣局部缺損和掉塊的問題，原因有兩點：一是貨車車輪表面存在夾雜物；二是已經維修過的貨車車輪沒有完全維修好，依然存在一定的缺陷問題。

1.6 車輪輪輞輾邊及輪緣輾堆

貨車車輪出現輪輞輾邊及輪緣輾堆問題，有兩點原因：

第一，貨車車輪輪輞不均勻輾邊，貨車車輪其他部位的厚度高于車輪輾邊處的厚度，貨車車輪踏面輾邊處會受到相對更大的力作用。

第二，貨車車輪強度和硬度比較低與輪軌強度和硬度不相匹配等因素造成的，個別是因為貨車轉向架結構設計不合理等因素而造成。

2 鐵路貨車輪軸無損檢測技術分析

鐵路貨車輪軸檢測技術從原始的單純依靠人工檢測到現在的高科技無損檢測，實現由人工到智能和由粗獷到精致的發展過程。如今世界各國對鐵路貨車輪軸的檢測方法和標準不統一，但從檢測時間上有著相同點的是都需要進行定期全面檢測、定期靜態檢測和日常動態檢測。

第一，定期全面檢測即將在役鐵路貨車輪軸完成全面徹底的缺陷問題排查，充分利用無損檢測的相關技術完成對整個輪軸的探傷，同時出具鐵路貨車輪軸的檢測報告。

第二，定期靜態檢測是依據國家和鐵路部門的相關要求，在規定運行的里程及時間后，對貨車輪軸進行專門檢測，應用專業的檢測設備在輪軸不拆卸的情況下對其完成靜態檢測。

第三，日常動態檢測面向的多是到站暫歇機車車輛，比較常用的檢測方法是列檢人員通過鐵錘對貨車輪軸敲擊產生的敲擊聲，辨識并判斷貨車輪軸是否正常，該方法比較簡單粗獷，能夠提前發現貨車輪軸存在的安全隱患，當然，日常動態檢測根據需要也往往借助檢測設備對輪軸等部位完成檢測，以確保貨車輪軸的質量安全保障。鐵路貨車輪軸無損檢測技術是充分應用現代技術方式和手段，科學地檢測與評估鐵路貨車輪軸內部的缺陷問題，判斷鐵路貨車輪軸是否繼續使用，以及確定能夠正常運行繼續使用的時間。使用無損檢測技術的前提是不損壞輪軸，保持正常輪軸的運行質量。

現階段，鐵路貨車輪軸無損探傷方法主要有四種：一是磁粉探傷，二是滲透探傷，三是渦流檢測，四是超聲波檢測，具體分析如下。

2.1 磁粉探傷

磁粉探傷是利用磁鐵的性質完成對輪軸探傷，將磁粉散布在輪軸表面，將輪軸置于強磁場中磁化，確保強磁場的磁力線垂直穿過輪軸，如果輪軸表面已經產生裂紋，磁粉在磁力的作用下，在輪軸發生缺陷之處泄漏出來，留下明晰可見的磁粉痕跡，完成檢查輪軸表面缺陷的效果[4]。

2.2 滲透探傷

輪軸滲透探傷檢測一般經歷幾個步驟：

第一，對輪軸表面處理。將待檢測輪軸清潔干凈，去除表面塵土雜物。

第二，施加滲透液。將含有熒光物質或著色燃料的滲透液噴涂于輪軸表面，滲透液通過毛細作用慢慢滲透輪軸表面開口的缺痕里。

第三，停滯。定時清洗滲透液。滲透液在輪軸表面停滯一定時間，使用清洗劑清除輪軸表面多余的滲透液。

第四，析出殘留滲透液。待輪軸表面干燥，在輪軸表面噴涂顯像劑。

第五，判定缺陷。在固定的光照下，滲透液在熒光物質會將輪軸缺陷顯影出來，即可明晰判定缺陷的分布狀況[5]。

2.3 渦流探傷

渦流探傷利用的是物理學中的電磁感應原理，把待檢測輪軸放入產生交變電流的線圈中，在檢測線圈交變磁場的作用下做軸向轉動，輪軸中即產生渦狀電流，在渦流感應磁場和原線圈磁場的疊加作用下，原線圈的阻抗產生變化，渦流感應磁場受到輪軸是否有缺陷的影響，表現出不同的阻抗。

因此，通過檢測線圈阻抗值的變化能夠檢測出輪軸所產生的缺陷信息。當實際操作渦流檢測時，需先對質量標準的輪軸完成檢測，標定檢測信息，再渦流檢測同一型號輪軸是否有缺陷，然后通過檢測設備的阻抗變化實現對待檢測輪軸的無損探傷[6]。

2.4 超聲波探傷

超聲波探傷利用的是物理學中的超聲波回波反射原理，將待檢測的輪軸置于超聲波中，存在缺陷的輪軸在缺陷部位的阻抗會發生變化，超聲波在輪軸的缺陷處反射回來，檢測設備的探頭接收到反射聲波，分析反射聲波，可以得出輪軸存在的缺陷信息。超聲波探頭在檢測貨車車輪輪軸有無缺陷時，超聲波探頭產生超聲波，經過發射接收回波形成電信號，以上則是超聲波探傷的基本原理。對貨車車輪輪軸的超聲波探傷需要控制好超聲波的收發，保障好聲波和電信號的互相轉換，同時對電信號和聲波做好成像處理與數據分析，實現檢測輪軸缺陷的目的[7]。

鐵路貨車輪軸無損探傷四種方法相比較有著不同的優缺點：

第一，磁粉探傷優點是檢測靈敏度非常高，工藝相對簡單方便，能夠直觀清晰地顯示輪軸缺陷的具體位置、大小以及嚴重程度，但是隨著輪軸缺陷深度增加，漏磁場會隨之變弱，漏磁檢測靈敏度會隨之快速下降。

第二，滲透探傷的優點是能夠直觀顯示其裂紋，檢測靈敏度相對較高，操作起來相對簡單方便，但是僅能檢測出輪軸表面裂紋，無法探傷輪軸內部較深裂痕。渦流探傷的優點是不需要和輪軸直接接觸，能夠精心高速探傷，并且自動化就可以完成，但是因為渦流探傷深度受限制，難以判斷輪軸缺陷的形狀和大小。

第三，常規超聲波檢測的優點是能夠檢測輪軸內部埋藏較深的缺陷，但是探測軸頸和退刀槽等部位時探傷效果受到限制。

第四，相控陣超聲波檢測的優點是能夠實現聲波的聚焦偏轉，由此對輪軸實現全面檢測且檢測精度較高，但是檢測設備價格昂貴，同時對相控陣探頭的維護也較困難。

3 結語

貨車輪軸無損檢測技術曾經在我國鐵路貨車檢修過程中為輪軸使用安全和延長使用壽命做出重要的貢獻。新時代，我國鐵路事業實現高速發展，隨著鐵路貨車運行速度與載重能力逐漸提高，對貨車運行穩定性程度要求隨之增強，鐵路貨車輪軸的無損檢測技術隨之得到更好的發展和提升。未來，應進一步提高無損檢測技術的準確性和可靠性，不斷研發和采用新技術、新工藝，逐步實現探傷設備的系統化、自動化、智能化和網絡化，提高無損檢測工作的先進性和可靠性。