高頻疲勞檢測(cè)技術(shù)在鐵路的應(yīng)用研究

周徐行 上海恒德科技有限公司

周榮祥 上海鐵路局安全監(jiān)察室

高頻疲勞檢測(cè)技術(shù)在鐵路的應(yīng)用研究

周徐行 上海恒德科技有限公司

周榮祥 上海鐵路局安全監(jiān)察室

以國際上最新的高頻疲勞檢測(cè)技術(shù)在鐵路應(yīng)用為基礎(chǔ)，研究其在高速重載鐵路上應(yīng)用。通過德國高鐵事故的啟示，分析我國高鐵和重載鐵路金屬疲勞可能產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)，列舉了疲勞檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用前景和具體實(shí)例。提出了用進(jìn)盡量少的安全投入、提供完整可靠的安全保障的觀點(diǎn)。

鐵路安全；檢測(cè)技術(shù)；設(shè)備、部件，壽命預(yù)測(cè)；事故防范

安全和運(yùn)輸效率始終是鐵路運(yùn)輸企業(yè)追求的最主要目標(biāo)，用進(jìn)盡量少的安全投入，提供完整可靠的安全保障，滿足鐵路運(yùn)輸安全的需要，以安全技術(shù)發(fā)展引領(lǐng)鐵路科技發(fā)展，提高運(yùn)輸效率，是現(xiàn)階段鐵路企業(yè)的一項(xiàng)主要工作。使用高頻疲勞檢測(cè)技術(shù)提前對(duì)設(shè)備及設(shè)備零部件使用周期、壽命、等安全可靠性指標(biāo)進(jìn)行預(yù)檢測(cè)，運(yùn)用設(shè)備管家的理念，對(duì)設(shè)備實(shí)施動(dòng)態(tài)維修，提供滿足運(yùn)輸生產(chǎn)安全的保障技術(shù)，應(yīng)該成為鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)防范主要內(nèi)容。

1 德國高鐵事故教訓(xùn)

1.1 德國高鐵事故概況

1998年6月3日，德國ICE884次高速列車發(fā)生了高速列車脫軌事故，事故造成101人死亡100人，88人重傷。德鐵安全部門發(fā)現(xiàn)，事故原因是由于車輛輪箍的金屬疲勞突變，導(dǎo)致輪箍的突然斷裂。由于當(dāng)時(shí)德鐵在對(duì)車輛輪對(duì)并沒有引入強(qiáng)制壽命檢測(cè)的規(guī)章，車輪以及其他走行部的安全檢測(cè)是完全依靠于常規(guī)的返場(chǎng)檢修、檢測(cè)。該事故被定性為輪餅疲勞而引起的責(zé)任事故，德鐵兩位安全主管官員以及負(fù)責(zé)檢測(cè)的工程師被以誤殺罪起訴。

1.2 德國高鐵事故給我們啟示

（1）高鐵所有零部件都必須有嚴(yán)格的檢測(cè)規(guī)定，涉及安全的關(guān)鍵部件必須進(jìn)行強(qiáng)制檢測(cè)。事故發(fā)生后德鐵施行了高于以往10倍的檢測(cè)頻率，來找尋安全隱患。現(xiàn)在，德聯(lián)邦鐵路局要求所有行程超過3萬km的車輪每周都要強(qiáng)檢。

（2）以現(xiàn)有的技術(shù)手段，涉及金屬結(jié)構(gòu)的零部件導(dǎo)致的事故都可實(shí)現(xiàn)事前預(yù)防，但由于現(xiàn)有規(guī)章不完善，沒有做。

（3）通過對(duì)設(shè)備零部件的事先檢測(cè)，能有效發(fā)防止事故發(fā)生，是規(guī)避高鐵和重載列車安全風(fēng)險(xiǎn)，防范的事故發(fā)生的有效手段。能以最經(jīng)濟(jì)的投入，獲取最大的安全效益。

2 威脅我國高速和重載鐵路運(yùn)營安全的主要問題

分析國內(nèi)高速和重載鐵路響運(yùn)行安全的隱患主要集中在以下10個(gè)方面:

①列車配件裂損脫落；②零部件失效；③信息數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；④列車控制系統(tǒng)（也包括是制動(dòng)系統(tǒng)的材料）故障；⑤防災(zāi)設(shè)備不穩(wěn)定；⑥建設(shè)、施工、養(yǎng)護(hù)問題；⑦外物侵限；⑧火災(zāi)；⑨弓網(wǎng)故障或停電（弓網(wǎng)材料的質(zhì)量與匹配）；⑩外部環(huán)境。而這十個(gè)方面問題中至少有3項(xiàng)（列車配件裂損脫落、零部件失效、材料質(zhì)量）與金屬材料檢測(cè)有密切相關(guān)。并且這3項(xiàng)是高鐵和重載運(yùn)行安全中最常見最容易發(fā)生并導(dǎo)致嚴(yán)重后果的問題。比如在濟(jì)南、福州發(fā)現(xiàn)的輪對(duì)裂紋、在京滬高鐵發(fā)現(xiàn)的skf軸承燒軸、以及高鐵扣件斷裂，路基鋼棒打出等安全隱患都和金屬材料和零部件的事先檢測(cè)有直接的關(guān)系。

3 鐵路器材零部件或材料失效因素分析

3.1 常見零部件或材料失效原因

（1）生產(chǎn)因素：材料、鑄造、鑄造、噴砂、焊接、滾壓、鍛造、燒結(jié)、切割、打磨、機(jī)加工、熱處理、鍍膜情況。

（2）結(jié)構(gòu)因素：凹痕、孔位、尺寸、硬度、載荷、負(fù)載應(yīng)用、緊固形式；

（3）操作因素：

①機(jī)械壓/拉歷史：拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、頻率、振幅、隨機(jī)性、靜載荷、旋轉(zhuǎn)彎曲、持續(xù)時(shí)間。

②熱條件:溫度、梯度、熱條件、不變與交變。

③環(huán)境條件：陽光、腐蝕與放射。

3.2 在失效原因中腐蝕產(chǎn)生疲勞源而導(dǎo)致斷軸情況最常見

2008年7月，德國ICE的斷軸事件就是這個(gè)原因（見圖1）。國內(nèi)1996年9月3日，7419次列車在京廣線機(jī)后25位，車號(hào)C62M739221(裝煤60t)第3位軸頸卸荷槽部位斷裂，致使機(jī)后25～43位貨車脫軌顛覆的重大事故。也是此原因?qū)е?，該軸1983年7月制造、8月上車使用，斷裂位置距軸端約195mm處。斷口由疲勞源、裂紋擴(kuò)展、脆性斷裂三部分組成，段修違規(guī)應(yīng)探傷而未探傷是導(dǎo)致事故的主要原因，但從斷口分析知，軸表面形成的蝕坑，促使疲勞裂紋萌生，縮短了車軸使用壽命。因此如何通過模擬車輛零部件實(shí)際工況，通過疲勞試驗(yàn)，科學(xué)確定車輛零部件的使用周期，是從源頭防止事故發(fā)生的最有效措施。

圖1 德國ICE的斷軸情況

4 歐洲對(duì)鐵路零部件檢測(cè)體系

4.1 完善的法律體系

對(duì)鐵路零部件檢測(cè)全部由國際鐵路聯(lián)盟統(tǒng)一制訂，并以法規(guī)的形式公布（見圖2）。

圖2 國際鐵路聯(lián)盟統(tǒng)一制訂的法規(guī)

根據(jù)這些法規(guī)德國及歐洲鐵路規(guī)定了以下內(nèi)容為鐵路部件、零配件、結(jié)構(gòu)件強(qiáng)制試驗(yàn)項(xiàng)目包括:

（2）裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)---在部件、零配件、結(jié)構(gòu)件已經(jīng)產(chǎn)生缺陷情況下，在指定的工況下失效壽命。

（3）強(qiáng)制破壞試驗(yàn)---確定部件、零配件、結(jié)構(gòu)件壽命極限在指定的工況條件下使用多少時(shí)間（或運(yùn)行多少公里）失效。

德國及歐洲鐵路通過這些強(qiáng)制試驗(yàn)對(duì)部件、零配件、結(jié)構(gòu)件安全控制防止事故發(fā)生。

4.2 典型部件的疲勞試驗(yàn)（以鐵科院已經(jīng)引進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備為例）

走行部具有代表性的零部件強(qiáng)制疲勞試驗(yàn)--不同車型的車軸疲勞試驗(yàn)。

（1）歐洲電力機(jī)車及德國高速城際鐵路車軸(ICE)車軸結(jié)構(gòu)示意圖見如圖3。

圖3 歐洲電力機(jī)車及德國高速城際鐵路車軸(ICE)結(jié)構(gòu)

結(jié)論：歐洲電力機(jī)車及德國高速城際鐵路車軸的結(jié)構(gòu)與國內(nèi)現(xiàn)在所使用的車軸結(jié)構(gòu)是一樣的。

（2）試驗(yàn)用的“車軸輪餅旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)”主要測(cè)試：車軸與輪餅接觸面以及輪輻的疲勞強(qiáng)度，可用于時(shí)速500km，單軸載重100t車軸測(cè)試。

美國成為獨(dú)立國家后，國會(huì)建議全國人民每年慶祝感恩節(jié)。喬治·華盛頓建議把11月26日的這天定為感恩節(jié)。1863年，在漫長而血腥的內(nèi)戰(zhàn)結(jié)束時(shí)，亞伯拉罕·林肯要求所有的美國人把11月的最后一個(gè)星期四作為感恩節(jié)。

（3）機(jī)車車輛運(yùn)行狀態(tài)車軸應(yīng)力梯度分析，表明試驗(yàn)機(jī)工作原理是仿真機(jī)車車輛在高速運(yùn)行狀態(tài)的受力狀況（見圖4）。

圖4 機(jī)車車輛在高速運(yùn)行狀態(tài)的受力狀況

4.3 金屬零部件疲勞（包括腐蝕老化）導(dǎo)致的構(gòu)件破損、裂紋、失效及使用預(yù)期壽命試驗(yàn)

（1）適用范圍：廣泛適用于各類金屬構(gòu)件及零部件的試驗(yàn)：如鋼軌及配件（包括扣件魚尾板螺栓等），防護(hù)網(wǎng)（包括主、被動(dòng)網(wǎng)）道岔（含結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)轍部分），鋼結(jié)構(gòu)橋梁、框架，機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架、車底架、傳動(dòng)部件和支撐懸掛部件等，接觸網(wǎng)接觸懸掛設(shè)備、支持設(shè)備、立柱，以及鐵路使用的各類金屬構(gòu)件的試驗(yàn)檢測(cè)

（2）工作原理：利用電機(jī)產(chǎn)生的高頻震動(dòng)，和預(yù)加載的力，通過力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器和加速度傳感器模擬測(cè)定自然條件下的高速、重載列車運(yùn)行時(shí)的實(shí)際工況，解決其他試驗(yàn)機(jī)不能模擬列車運(yùn)行狀況的問題，經(jīng)破壞性試驗(yàn)還能準(zhǔn)確判定設(shè)備或失效狀態(tài)，且可以通過在設(shè)備和零部件上設(shè)置裂紋沙眼等等缺陷，有效判斷設(shè)備在已產(chǎn)生缺陷或存在隱患情況下失效壽命和突變情況，防止突變導(dǎo)致更嚴(yán)重安全問題。

（3）試驗(yàn)設(shè)備，采用目前中鐵科學(xué)院已經(jīng)使用，并以此擬訂定標(biāo)準(zhǔn)的是德國Sincotec公司為德鐵和歐洲鐵路設(shè)計(jì)制造零部件試驗(yàn)用的電機(jī)式高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)。

4.4 試驗(yàn)實(shí)例

（1）車輪的3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。使用專用夾具對(duì)輪對(duì)所承受的壓力、沖擊力，表面接觸應(yīng)力進(jìn)行3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，觀測(cè)金屬結(jié)構(gòu)疲勞變化，準(zhǔn)確判定輪對(duì)在高速或重載情況下（通過高頻震動(dòng)和加壓設(shè)定所需的速度和載荷）連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間走行公里，及輪對(duì)使用壽命，及輪對(duì)發(fā)現(xiàn)裂紋、沙眼等缺陷后可繼續(xù)運(yùn)行的條件確保運(yùn)行安全（見圖5）。

圖5 車輪的3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

（2）故障失效試驗(yàn)，這是模擬設(shè)備、零部件、結(jié)構(gòu)件已經(jīng)發(fā)生（裂紋、沙眼等）故障情況下還能繼續(xù)運(yùn)行直至失效發(fā)導(dǎo)致事故的條件的試驗(yàn)，觀測(cè)其在已經(jīng)發(fā)生（裂紋、沙眼）等故障情況下設(shè)備還能在什么條件下繼續(xù)運(yùn)行并確保運(yùn)行安全。

（3）特殊需求試驗(yàn)主要是針對(duì)特殊環(huán)境的試驗(yàn)要求，通過環(huán)境模擬，能滿足設(shè)備、構(gòu)件、零配件在15000C高溫環(huán)境條件下和-500C低溫，工況條件下的疲勞試驗(yàn)，以及帶有酸、堿、腐蝕工況條件下的疲勞試驗(yàn)（如沿海鐵路金屬構(gòu)件容易腐蝕）和失效情況。

通過以上試驗(yàn)?zāi)芸茖W(xué)確定設(shè)備維修周期。

5 高頻共振疲勞試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)

車軸輪餅旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)和電機(jī)式高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)都屬高頻共振疲勞試驗(yàn)機(jī)其共同特點(diǎn)是：

（1）快速試驗(yàn)，可以達(dá)到上百赫茲的試驗(yàn)頻率，對(duì)于需要大量試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)來得到的零部件壽命預(yù)估計(jì)算可以以最快的速度得到零部件的壽命曲線。

（2）準(zhǔn)確的失效監(jiān)測(cè)，使用包括試樣在內(nèi)的整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的共振頻率作為試驗(yàn)設(shè)置頻率，其中試件是最弱環(huán)節(jié)。當(dāng)試樣開始出現(xiàn)早期裂紋時(shí)體系內(nèi)的共振頻率會(huì)相應(yīng)降低，達(dá)到設(shè)置偏差時(shí),說明試件出現(xiàn)裂紋，設(shè)備自動(dòng)偵測(cè)，從而在第一時(shí)間得到失效信息，了解最初的失效點(diǎn)，研究裂紋擴(kuò)展過程，確定零部件使用壽命；也便于準(zhǔn)確判定事故原點(diǎn)，采取控制措施防止同類事故重復(fù)發(fā)生。

（3）能正確模擬列車高速重載運(yùn)行的實(shí)際工況，高頻共振疲勞試驗(yàn)機(jī)與所有試驗(yàn)機(jī)不同的是,高頻共振疲勞試驗(yàn)機(jī)通過高頻共振，模擬和列車運(yùn)行相同的工況，特別是高速和重載條件這是其他所有試驗(yàn)機(jī)單機(jī)所不能實(shí)現(xiàn)的，特別適合鐵路設(shè)備的零部件試驗(yàn)使用。

（4）適應(yīng)范圍廣，通過轉(zhuǎn)換夾具就能實(shí)現(xiàn)各類零部件的試驗(yàn)，一臺(tái)設(shè)備能進(jìn)行各種零部件的試驗(yàn)，做到一機(jī)多用，即適用于科研單位的試驗(yàn)測(cè)試，新產(chǎn)品研制，也適用與生產(chǎn)單位對(duì)產(chǎn)品的自驗(yàn)，或使用單位對(duì)采購產(chǎn)品的復(fù)驗(yàn)

（5）極低的能耗，和所有試驗(yàn)設(shè)備相比高頻共振疲勞試驗(yàn)機(jī)能耗是最低的，使用共振測(cè)試，只需要非常小的能耗就能達(dá)到最大的試驗(yàn)載荷，相當(dāng)于同類試驗(yàn)機(jī)所需能耗的5%-20%，辦公樓的供電就能滿足試驗(yàn)的需求，這大大節(jié)約了建設(shè)和試驗(yàn)成本，為在辦公樓建試驗(yàn)室提供了可能。實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)辦公一體化。

6 強(qiáng)制工況載荷試驗(yàn)設(shè)備--驗(yàn)證壽命預(yù)估的準(zhǔn)確性

該項(xiàng)技術(shù)目前德方剛向我鐵科院轉(zhuǎn)讓，設(shè)備完整照片依據(jù)保密協(xié)議不便于公布，其基本結(jié)構(gòu)是：

外部尺寸：4200×1800×2100（mm）；重量：17t；輸入功率:250kW試驗(yàn)載荷: 2×1000kN；

參考力矩:200kN·m；速率:3.000U/ min(50Hz)軸承采用油循環(huán)潤滑劑冷卻系統(tǒng)；2橫1縱預(yù)加載傳動(dòng)力杠桿；；4個(gè)450kN的力傳感器2個(gè)位移傳感器；8個(gè)溫度傳感器；4個(gè)加速度感器；4個(gè)流量傳感器。

這是一個(gè)完全是仿真列車運(yùn)行狀態(tài)所研制的快速試驗(yàn)設(shè)備，針對(duì)不同類型的零部件以及軸承，試驗(yàn)機(jī)真實(shí)的模擬列車在行駛過程中試件所受的載荷以反映其真實(shí)的壽命。對(duì)車軸輪餅旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)、電機(jī)式高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)和電機(jī)式高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，確定的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

7 結(jié)論

通過仿真試驗(yàn)獲取最科學(xué)、最詳實(shí)的數(shù)據(jù)，合理制訂設(shè)備及零部件的使用、維修周期，并研究設(shè)備在失效情況下安全可靠度，是規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)，確保設(shè)備運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)科技包安全的一項(xiàng)重要內(nèi)容。高頻共振疲勞試驗(yàn)方法，為此提供了最經(jīng)濟(jì)的、最簡便、最適用、能普及的試驗(yàn)方法，能實(shí)現(xiàn)安全效益最大化。

責(zé)任編輯：萬寶安

來稿日期：2014-12-04