無損檢測技術(shù)在和諧型機(jī)車牽引電機(jī)C6修中的應(yīng)用研究

劉 瑋, 李儒彬, 曹 蒙, 李 融, 王興強(qiáng)

(中車株洲電機(jī)有限公司， 湖南株洲 412001)

隨著社會的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們需求的不斷變化，當(dāng)今中國的鐵路網(wǎng)、軌道交通網(wǎng)已經(jīng)行成一個非常龐大而且復(fù)雜的體系，行車安全是這一體系的重要的標(biāo)準(zhǔn)。

牽引電機(jī)在給列車在線運行提供核心動力的同時會在某些部位及部件裝配面形成應(yīng)力集中，隨著電機(jī)運行時間的不斷累積，這些敏感位置就可能形成疲勞缺陷，從而給列車的行車安全埋下極大的安全隱患。和諧型機(jī)車牽引電機(jī)在運行一定里程數(shù)后就需要進(jìn)行定級檢修，現(xiàn)階段和諧型機(jī)車檢修即將全面進(jìn)入C6修修程，這對牽引電機(jī)重要零配件的缺陷檢測能力提出了更高的要求。

目前，和諧型機(jī)車牽引電機(jī)C6修主要針對轉(zhuǎn)軸軸伸及內(nèi)錐孔、小齒輪、懸掛及抱軸、聯(lián)軸器等關(guān)鍵部件進(jìn)行無損檢測，以確定其使用質(zhì)量狀態(tài)。

1 轉(zhuǎn)軸軸伸及內(nèi)錐孔滲透探傷

1.1 結(jié)構(gòu)分析

和諧型牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸采用合金結(jié)構(gòu)鋼鍛造成型，粗加工后調(diào)質(zhì)處理，經(jīng)數(shù)控車床精加工、磨床磨削而成。以HXD1C型牽引電機(jī)為例，轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐孔材料為30CrNiMo8，內(nèi)徑為φ125 mm，內(nèi)錐孔孔深為230 mm，錐度比為1∶10，內(nèi)錐孔壁厚最薄處為17.5 mm，如圖1所示。

圖1 HXD1C電機(jī)轉(zhuǎn)軸

該轉(zhuǎn)軸是通過內(nèi)錐孔內(nèi)壓裝小齒輪，經(jīng)小齒輪和聯(lián)軸節(jié)嚙合傳遞輸出動力。列車運行時會在小齒輪注油孔位置與轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐孔結(jié)合位置形成應(yīng)力集中，若以上位置存在線性缺陷，應(yīng)力集中會導(dǎo)致缺陷擴(kuò)展，進(jìn)而致使小齒輪斷裂，給列車的行車安全造成極大的隱患。

1.2 檢測方法

通過電機(jī)檢修數(shù)據(jù)統(tǒng)計及現(xiàn)場實物確認(rèn)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐孔缺陷位置均為軸向61 mm處，故障原因為轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐孔與小齒輪裝配后，在小齒輪注油孔過渡油槽處形成應(yīng)力集中所形成的壓傷。

在保證C6修轉(zhuǎn)軸軸伸及內(nèi)錐孔的可靠性和有效性的前提下，為提高檢測效率及減少檢修成本，在電機(jī)拆解后先采用滲透檢測對轉(zhuǎn)軸軸伸及內(nèi)錐孔進(jìn)行效果驗證。如圖2所示。

圖2 滲透檢測

1.3 滲透探傷技術(shù)要求

(1)轉(zhuǎn)軸軸伸及內(nèi)錐孔滲透探傷應(yīng)在不低于10℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行，避免在火焰附近及高溫環(huán)境(主要指正在焊接的現(xiàn)場或其他加溫設(shè)備附近等)下進(jìn)行操作；作業(yè)場地應(yīng)通風(fēng)并有適當(dāng)?shù)恼彰?，痕跡觀察應(yīng)在500 Lx以上的可見光下進(jìn)行。

(2)轉(zhuǎn)軸軸伸及內(nèi)錐孔表面塵垢、油污等異物清洗干凈，并經(jīng)外觀檢查合格后進(jìn)行。

(3)作業(yè)步驟按下述的規(guī)定進(jìn)行:前處理、滲透、清洗、干燥、顯像、觀察、記錄、后處理。

2 小齒輪、轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐孔修磨熒光磁粉檢測

2.1 檢測方法

熒光磁粉檢測就是對被檢工件施加磁場使其磁化(整體磁化或局部磁化)，在工件的表面和近表面缺陷處將有磁力線逸出工件表面而形成漏磁場，有磁極的存在就能吸附施加在工件表面上的磁粉形成聚集磁痕；利用紫外線熒光探傷燈所發(fā)出的紫外線來激發(fā)熒光磁粉中的發(fā)光物質(zhì)，使發(fā)光物質(zhì)產(chǎn)生一種熒光，而借助這種熒光檢查出工件的缺陷。電機(jī)小齒輪及轉(zhuǎn)軸軸伸內(nèi)錐孔修磨處進(jìn)行熒光磁粉檢測見圖3，具有以下優(yōu)點：

(1)小齒輪及轉(zhuǎn)子放于熒光磁粉探傷機(jī)上360°旋轉(zhuǎn)，能更好的觀察并發(fā)現(xiàn)修磨處的缺陷。

(2)復(fù)檢檢出率高；檢測時磁化工件，缺陷處有漏磁場的形成，漏磁場吸附磁粉，產(chǎn)生磁痕，退磁后磁痕消失。因而可重復(fù)檢測工件。

(3)檢測靈敏度高，可檢測出最小寬度0.1 μm的缺陷;

(4)能直觀的顯示出缺陷的位置、大小、形狀，可大致確定缺陷的性質(zhì)。

圖3 熒光磁粉檢測

2.2 技術(shù)要求

(1)小齒輪及轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐孔可見部位表面潔凈無污物，并露出基本金屬面，以避免表面油污影響檢測結(jié)果的可靠性。

(2)檢測參數(shù)設(shè)定：為保證熒光磁粉檢測范圍能全面覆蓋到被檢測區(qū)域，根據(jù)機(jī)車電機(jī)小齒輪及內(nèi)錐孔的形狀、長度L、工件截面有效直徑D等參數(shù)計算出縱向磁化磁勢 NI的數(shù)值。

(3)在暗室情況下，用白光照度計及熒光照度計測定暗室白光照度及紫外線輻照度，要求：在暗室內(nèi)作業(yè)時，白光照度不高于20 Lx，紫外燈輻照度不得低于1 000 μW/cm2。

(4)進(jìn)行磁化時，要求磁場強(qiáng)度不小于2 400 A/m，熒光磁懸液體積濃度為0.1 mL/100 mL～0.6 mL/100 mL。

2.3 存在問題

電機(jī)拆解退小齒輪后，小齒輪表面及轉(zhuǎn)子內(nèi)錐孔內(nèi)都或多或少的帶有油漬、污垢等異物，在對其進(jìn)行熒光磁粉探傷時，小齒輪及轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐孔帶有的異物就會污染熒光磁懸液(如圖4所示)，被污染的磁懸液會給探傷工作帶來兩處不利：(1)熒光磁懸液污染后濃度達(dá)不到檢測要求，進(jìn)而導(dǎo)致缺陷磁痕顯示模糊，不易辨別，大大降低微小缺陷的檢出率；(2)被污染的熒光磁懸液連帶雜物進(jìn)入探傷機(jī)床后會導(dǎo)致探傷機(jī)運行發(fā)熱，降低探傷機(jī)的使用壽命，增加維修成本。為了避免以上帶來的不利，操作人員必須時刻關(guān)注熒光磁懸液的質(zhì)量，進(jìn)行磁懸液濃度測定試驗，試驗不合格則必須更換新的磁懸液，通過計算分析，每15天需更換5桶熒光磁懸液，這樣就大大的增加了操作人員的作業(yè)時間，降低工作效率。

圖4 無保護(hù)工裝

2.4 改進(jìn)方法及效果

根據(jù)CJW-5000熒光磁粉探傷機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動面積，升降高度，計算出活動空間，設(shè)計制作兩個工裝托盤，安裝在探傷轉(zhuǎn)盤兩側(cè)，小齒輪及轉(zhuǎn)子內(nèi)錐孔在進(jìn)行熒光磁粉探傷時，兩個托盤可有效的接收從小齒輪及轉(zhuǎn)子內(nèi)錐孔上流出的異物及被污染的磁懸液，從而將污染物與探傷機(jī)床進(jìn)行有效隔離，即可保證整體磁懸液的濃度及純凈度，減少更換熒光磁懸液的作業(yè)次數(shù)，降低作業(yè)浪費，提高作業(yè)效率，同時可降低熒光磁懸液的使用成本，也可防止異物進(jìn)入探傷機(jī)床，有利于延長設(shè)備使用時間，降低設(shè)備維護(hù)成本。

圖5 保護(hù)工裝

3 懸掛及抱軸、聯(lián)軸器磁粉檢測

3.1 結(jié)構(gòu)分析

牽引電機(jī)懸掛部位(材料：GS-20Mn5)是由鑄造件焊接而成，聯(lián)軸器(材料：30CrMoV9)則是通過激光電子束焊接而成，在這些焊縫中或多或少存在一些缺陷，如鋼材熱軋和結(jié)構(gòu)焊接過程中不均勻加熱和冷卻所產(chǎn)生的截面殘余應(yīng)力、構(gòu)件初彎曲等制造偏差，以及構(gòu)件連接初偏心等安裝偏差。這些缺陷將降低臨界應(yīng)力和穩(wěn)定系數(shù)，從而給列車的行車安全埋下安全隱患。所以通過對牽引電機(jī)聯(lián)軸器、懸掛及抱軸的安全監(jiān)測來避免缺陷產(chǎn)生的危害，顯得尤為重要。

3.2 檢測方法

由于電機(jī)懸掛及聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，選用便攜式磁軛進(jìn)行磁粉檢測。

3.3 技術(shù)要求

(1)使用便攜式磁軛對焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行濕法磁粉檢測, 便攜式磁軛探傷儀在極距為100 mm時，提升力≥44.1 N(4.5 kg平板試塊)。

(2)焊縫及熱影響區(qū)附近的母材表面必須去漆處理，表面潔凈無污物，并露出基本金屬面，以避免表面漆及油污影響檢測結(jié)果的可靠性。

(3)磁粉檢測場地應(yīng)整潔明亮，白光照度不得低于500 Lx。

圖6 非熒光磁粉檢測

4 無損檢測檢修數(shù)據(jù)庫

為確保和諧型機(jī)車電機(jī)C6修無損檢測項點完全符合國家無損檢測管理標(biāo)準(zhǔn)要求，保證機(jī)車電機(jī)檢修質(zhì)量的可靠性及可追溯性，通過數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)判斷→數(shù)據(jù)存儲→數(shù)據(jù)處理分析→輸出全面檢修數(shù)據(jù)報告的方式實行機(jī)車電機(jī)檢修無損檢測數(shù)據(jù)定制定模管理模式，有效規(guī)范了無損檢測檢修數(shù)據(jù)采集及處理行為，逐步屏蔽因檢修基地分布較廣、產(chǎn)品類型多樣、操作員工技能素質(zhì)水平不齊等因素導(dǎo)致的無損檢測數(shù)據(jù)收集滯后、信息缺失、數(shù)據(jù)填寫不規(guī)范等不足，建立健全無損檢測檢修數(shù)據(jù)庫，有效推動了檢修電機(jī)無損檢測全面數(shù)據(jù)管理提升，在為產(chǎn)品質(zhì)量問題分析提供追溯依據(jù)及數(shù)據(jù)支持的同時大大降低了海量數(shù)據(jù)處理的工作難度，提升了工作效率，見圖7。

圖7 無損檢測數(shù)據(jù)庫顯示示意圖

5 全壽命周期分析

通過對無損檢測檢修數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)車電機(jī)在運行一定時間或里程后，在小齒輪、轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐孔等受力部位均會形成疲勞缺陷，為有效保證列車的行車安全，機(jī)車電機(jī)檢修全壽命周期管理至關(guān)重要。下面就以電機(jī)懸掛部位為例進(jìn)行分析研究。

目前，針對和諧型機(jī)車電機(jī)懸掛及抱軸位置鑄造缺陷及探傷發(fā)現(xiàn)缺陷采取的修復(fù)方案為：對缺陷位置進(jìn)行返修焊補(bǔ)，具體作業(yè)方法參照返修方案執(zhí)行。而隨著列車運行里程數(shù)的不斷增加，機(jī)車電機(jī)定子懸掛缺陷返修焊補(bǔ)位置可能再次出現(xiàn)缺陷，而對同一位置進(jìn)行多次返修焊補(bǔ)，勢必會大大降低焊縫的力學(xué)性能，一旦返修缺陷性能惡化，就將給列車的行車安全造成極大的安全隱患，為有效規(guī)避上述安全風(fēng)險，采取了一系列措施。

(1) 調(diào)研分析國內(nèi)外不同行業(yè)領(lǐng)域關(guān)于焊縫缺陷補(bǔ)焊的性能影響及補(bǔ)焊次數(shù)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；

(2)分析研究GS-20Mn5材質(zhì)在焊接過程中的冶金反應(yīng)；

(3)詳細(xì)記錄電機(jī)定子懸掛缺陷位置，并跟蹤其補(bǔ)焊后的上線運行情況，做好相應(yīng)記錄；

(4)根據(jù)定子懸掛的材質(zhì)及焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計制作工作試塊，模擬懸掛位置缺陷補(bǔ)焊形式及特點，對一次焊接試塊、一次補(bǔ)焊試塊、二次補(bǔ)焊試塊、三次補(bǔ)焊試塊及多次焊補(bǔ)試塊進(jìn)行試驗類比分析，試驗的方法包含沖擊韌性試驗和微觀金相試驗等，確定機(jī)車牽引電機(jī)懸掛焊縫缺陷的最大允許補(bǔ)焊次數(shù)，規(guī)避因不確定的因素而帶來的質(zhì)量安全風(fēng)險；分析結(jié)果：①當(dāng)和諧型機(jī)車牽引電機(jī)定子懸掛位置缺陷超出所允許的最大補(bǔ)焊面積時，則不再使用該定子。②電機(jī)定子懸掛相同位置進(jìn)行二次補(bǔ)焊后，若再次發(fā)現(xiàn)缺陷，則不再使用該定子。以最大限度的規(guī)避電機(jī)的上線運行風(fēng)險。

6 結(jié)束語

常規(guī)的滲透檢測及磁粉檢測均具有其優(yōu)點及局限性，針對不同的零部件選擇合適的檢測方法對保證機(jī)車電機(jī)的檢修質(zhì)量至關(guān)重要。根據(jù)和諧型機(jī)車電機(jī)C6修

技術(shù)要求，結(jié)合電機(jī)各重要零部件自身結(jié)構(gòu)特點，通過理論分析和實際檢測驗證，對無損檢測技術(shù)在和諧型機(jī)車電機(jī)C6修中的應(yīng)用進(jìn)行了全方位的研究，不僅提出了牽引電機(jī)小齒輪、轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐孔、聯(lián)軸器、懸掛及抱軸等重要零部件的無損檢測方法，而且進(jìn)一步對無損檢測檢修數(shù)據(jù)庫的建立及電機(jī)懸掛部位全壽命周期管理進(jìn)行了論述，在有效保證了上述部件的檢修質(zhì)量的同時提供可追溯依據(jù)，從而為鐵路運營安全提供有力支持。

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