动车组空心车轴运用检修检测方法的探讨和建议_厉浩

动车组空心车轴运用检修检测方法的探讨和建议
厉浩上海铁路局上海动车客车段
摘要介绍目前最常用的超声检测法和远场涡流检测法的工作原理及其特点，通过对比研究法，提出将两种检测方法相互结合的建议，为未来开发一种新的空心车轴检测设备提供理论依据和方向。

关键词动车组；空心车轴；疲劳裂纹；超声检测；远场涡流检测
无损检测技术（Non Destructive Testing缩写NDT）是以不损害被检测对象的使用性能为前提，应用多种物理原理和化学现象，对各种工程材料、零部件、结构件进行有效的检测和测试，借以评价他们的连续性、完整性、安全可靠性和某些物理性能，包括被检测材料和构件中是否有缺陷，并对缺陷的形状、大小、方位、取向、分布和内含物等情况进行判断。

1选题的背景和意义
高速列车是高效运输工具，以其灵活、方便、快捷、安全、可靠、舒适为特点，备受世界各国的青睐。

随着我国铁路装备现代化和中国铁路跨越式的发展，铁路动车组的发展正处于"引进先进技术，联合涉及生产，打造中国品牌"的阶段，空心车轴在动车组的应用也越来越广泛。

空心车轴是动车组转向架的关键承载部件，其疲劳破坏直接危及运输安全，切轴断裂是铁路车辆重大倾覆事故的最主要原因之一，有很强的隐蔽性和突然性，给国家财产和人民安全带来巨大的损失和灾难。

空心车轴的损伤会直接导致车辆的重大事故的发生，而在车轴的损失中，约有2/3是有疲劳引起的。

在车轴中常见的损伤或缺陷主要来之材料、加工和装配工艺。

在动车组运营中，又遭受疲劳载荷、各种腐蚀环境和离散源载荷造成的偶然损伤，这些损伤都可能导致空心车轴发生灾难性的破坏。

1.1车轴损伤及破坏的主要形式
空心车轴断裂主要有内部缺陷和外表面疲劳裂纹。

当空心车轴某些质量指标未达到规定的要求或外部的条件超过了额定的允许值而引发裂纹，导致断裂。

这种断裂的机理是空心车轴薄弱区域在交变载荷的作用下，疲劳累积损伤达到一定程度后，诱发疲劳裂纹，进而裂纹扩展，最后导致断裂。

这种裂纹是极端危险的，主要特点：①发生在常温下；②断裂部位没有明显的塑性变形；③往往承受的载荷不太大；④断裂时比较突然。

所以防止空心车轴断裂的重点应放在空心车轴本身质量的提高、空心车轴失效原因分析和失效的预防上。

空心车轴失效可能发生的部位主要在轮座嵌鑲部、卸荷槽和轴身中部。

导致裂纹的原因有：内部材质不良、表面加工不良、腐蚀、微动摩擦损伤和轴身表面外来损伤等。

常见空心车轴损伤和裂纹位置如图1所示。

车轴内部缺陷主要包括材料成分偏差、组织异常、夹杂级别超标、疏松、残余缩孔等等，它是有轴胚冶炼或空心车轴热处理不当造成的。

运用中，疲劳裂纹从空心车轴内部缺陷处萌生，然后逐步扩展，最终导致疲劳断裂。

图1空心车轴损伤和裂纹位置
1.2国内外车轴失效的历史
铁路开始投入运用大约是在十九世纪三十年代从英国开始，然后迅速蔓延向至欧洲、美洲和最后整个世界，这是人类进步的里程碑。

随着我国铁路朝着重载化合高速化发展，车轴的重要性也日渐被人所关注。

最近几十年中，英国每年的车轴失效为1-2根，北美每年的车轴失效为2-3起，但自从1995年以来，随着列车载重的增加，北美车轴故障数量不断增长。

从1998年到2002年五年间，车轴故障数52起，平均每年超过10起，并且是逐年增加的趋势。

德国1998年6月3日因为车轴断裂引起列车脱轨，死伤188人。

2008年10月，德国高铁在8根车轴上发现裂纹，一根车轴断裂，当时运行速度不是很高，所以没有造成人员伤亡。

在我国，自1974年至1993年，共发生车轴疲劳断裂事
上海铁道科技2011年第1期50
故七十余起，每起造成经济损失少则十几万，多则上百万。

动车组是目前世界上最先进的高速列车，空心车轴的质量要求也非常高，随着车轴加工制造工艺的提高，一般很少存在严重的材质或加工缺陷，因此空心车轴的运用检修检测就显的尤为重要，选择一种速度快、精度高、定位准的综合检测方法，就针对性的预防空心车轴的疲劳断裂。

1.3国内动车组空心车轴运用检修现状
在高速动车组的设计中，为最大限度地减少列车对路轨的磨损（这种磨损在列车高速运行是更为剧烈），对作为列车的重要零件之一的列车车轴采用了空心车轴的结构，目的在于减轻列车的簧下重量。

空心车轴由厚壁无缝钢管坯料镗孔加工而成，在其制造过程中可能产生内外表面纵、横向缺陷以及夹杂物和分层等，由于动车组的运行速度较快，在各种因素的影响下，很可能产生横向疲劳裂纹，随着疲劳裂纹的扩展，将会严重影响列车的安全运行，因此对此类缺陷的有效检测就显得尤为特别的重要。

按照铁道部要求CRH2型动车组每运行里程6万km进行空心轴探伤。

根据实际情况这就要求对动车组空心车轴检测的速度快。

目前上海局共配属CRH2型动车组数和开行对数见表1。

基本上每一个交路的时间为2天，而交路走行公里最大为4198km，按照铁道部空心车轴的探伤周期要求，平均28.6天左右就要进行一次空心车轴探伤。

在现有条件下，探伤次数频率较高，因此在对空心车轴探伤时，要求探伤设备对车轴发生疲劳失效概率高的部位进行细探，对车轴发生疲劳失效概率低的部位进行快速扫差。

这样针对性的探伤作业，有利于提高空心车轴探伤速度，在保证探伤检测有效性的前提下，提高探伤检测效率，提高动车组上线利用率。

表1上海铁路局配属CRH2型动车组数、开行对数及交路走行公里2超声检测
2.1超声检测的原理
一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往有造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。

超声波是频率高于20kHz的机械波。

在超声探伤中常用的频率为0.5-5MHz。

这种机械波在材料中能以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质界面（如缺陷或被测物件的底面等）就会产生反射。

这种反射现象可被用来进行超声波探伤，最常用的是脉冲回波探伤法探伤时，脉冲振荡器发出的电压加在探头上（用压电陶瓷或石英晶片制成的探测元件），探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质（如机油或水等）进入材料并在其中传播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大而显示在示波管的荧光屏上。

根据缺陷反射波在荧光屏上的位置和幅度（与参考试块中人工缺陷的反射波幅度作比较），即可测定缺陷的位置和大致尺寸。

超声检测用的超声波，其频率范围一般在0.25MHz～15MHz之间。

用于金属材料超声检测的超声波，其频率范围通常在0.5MHz～10MHz之间；而用于普通钢铁材料超声检测的超声波，其频率范围通常为1 MHz～5MHz。

2.2超声检测的应用范围
超声检测可应用于对接焊缝、角焊、板材、管材、棒材、锻件以及复合材料等；对面积型缺陷的检出率较高，对体积性缺陷的检出率较低；适宜检测厚度较大的工件。

可发现工件内部较小的裂纹、夹渣、缩孔、未焊透等缺陷。

被探测物要求形状较简单，并有一定的表面光洁度。

为了成批地快速检查管材、棒材、钢板等型材，可采用配备有机械传送、自动报警、标记和分选装置的超声探伤系统。

除探伤外，超声波还可用于测定材料的厚度,使用较广泛的是数字式超声测厚仪,其原理与脉冲回波探伤法相同，可用来测定化工管道、船体钢板等易腐蚀物件的厚度。

利用测定超声波在材料中的声速、衰减或共振频率可测定金属材料的晶粒度、弹性模量(见拉伸试验)、硬度、内应力、钢的淬硬层深度、球墨铸铁的球化程度等。

此外，穿透式超声法在检验纤维增强塑料和蜂窝结构材料方面的应用也已日益广泛。

超声全息成象技术也在某些方面得到应用。

2.3超声检测的特点
超声波穿透能力较大，例如在钢中的有效探测深度可达1m以上;对平面型缺陷如裂纹、夹层等，探伤灵敏度较高，并可测定缺陷的深度和相对大小。

超声波可定向发射，在介质中沿直线传播且具有良好的指向性。

设备轻便，操作安全，易于实现自动化检验。

不易检查形状复杂的工件，要求被检查
动车组空心车轴运用检修检测方法的探讨和建议51
表面有一定的光洁度，并需有耦合剂充填满探头和被检查表面之间的空隙，以保证充分的声耦合。

对于有些粗晶粒的铸件和焊缝，因易产生杂乱反射波而较难应用。

超声波具有众多与众不同的特性，如：声束指向性好（能量集中）；声压声强大（能量高），传播距离远；穿透能力强；在界面处会产生反射、透射（或折射）和波型转换，以及产生衍射等。

3远场涡流检测
3.1远场涡流检测的原理
远场效应是20世纪40年代发现的。

1951年Maclean W. R.获得了此项技术的美国专利。

50年代壳牌公司的Schmidt T.R.独立地再发现了远场涡流无损检测技术，在世界上首次研制成功检测井下套管的探头，并用来检测井下套管的腐蚀情况，1961年他将此项技术命名为"远场涡流检测"，以区别于普通涡流检测。

远场涡流检测的基本原理是将内置式探头置于被检测钢管内，探头上有一个激励线圈，还有一个（或两个）检测线圈。

激励线圈和检测线圈的距离为钢管内径的2-3倍。

激励线圈发出的磁力线（能量）穿过管壁向外扩散，在远场区又再次穿过有表面缺陷的管壁向内扩散，被检测线圈接收。

检测线圈接收到的信号的幅度和相位都和壁厚有关，利用专用的软件就可测得管壁的厚度（见图2）。

图2远场涡流无损检测的原理
3.2远场涡流检测的应用范围
远场涡流检测技术一般都应用于厚壁管道，可方便测出壁内、外表面的裂纹、凹坑、腐蚀、减薄及管壁材料的内部缺陷。

3.1远场涡流检测的特点
与普通涡流、漏磁和超声波无损检测相比，远场涡流无损检测具有以下优点：被检测的钢管的表面不必清洗；探头与钢管表面不接触，探头外径与钢管内径之间的间隙变化对检测结果的影响很小，允许的最大间隙为钢管内径的30%，最佳间隙小于钢管内径的15%；检测钢管内表面和外表面的腐蚀坑的灵敏度相同；对均匀减薄、渐变减薄和偏磨减薄的检测，都有极高的检测灵敏度；探头的检测速度是否均匀对检测结果无影响；钢管内的气体、液体介质对检测结果无影响；检测设备体积小，重量轻，便于现场灵活应用；检测数据还可存入探头内，实施长距离检测。

4结论
（1）空心车轴是高速动车组的关键部件，对其进行的探伤检测必不可少。

针对空心车轴失效原因的研究，发现空心车轴疲劳裂纹主要的发生部位以及原因，因此在选择探伤检测设备时，可以针对车轴发生疲劳失效概率高的部位进行细探，对车轴发生疲劳失效概率低的部位进行快速扫差。

（2)按照铁道部的动车组长远规划，就上海铁路局来说，动车组配属多，上线运行交路多，走行公里多，这样势必导致对空心车轴探伤检测的频率高。

在保证空心车轴安全的前提下，这就要求空心车轴检测装备检测速度快的特点。

（3）通过对比超声检测和远场涡流检测的优缺点，可以将远场涡流检测和超声检测相结合的方法，利用超声波主要检测空心车轴内部缺陷，远场涡流主要检测空心车轴内外表面裂纹，并且两种检测方法互相弥补，实现对动车组空心车轴探伤检测速度快、定位准、精度高的三个要求。

参考文献
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责任编辑：万宝安
来稿日期：2011-03-04
动车组空心车轴运用检修检测方法的探讨和建议
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5结束语
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责任编辑：宋飞
来稿时间：2011-2-9
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