鐵路貨車輪軸無損檢測技術(shù)研究

趙金海

（國能鐵路裝備有限責(zé)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(dòng)力、承受貨車沖擊和振動(dòng)，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(guān)鍵部件[1]，其質(zhì)量問題直接影響鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩，F(xiàn)階段我國重載鐵路實(shí)現(xiàn)突破式高速發(fā)展，鐵路貨車軸重逐日加大，鐵路貨車運(yùn)行中輪軸的質(zhì)量保障越來越得到高度重視。于是，對(duì)鐵路貨車輪軸進(jìn)行定期檢測和日常運(yùn)行監(jiān)測十分有必要。鐵路貨車輪軸無損檢測技術(shù)充分利用物理學(xué)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(nèi)部損傷問題，因此，鐵路貨車輪軸的無損檢測技術(shù)具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值[2]。

1 鐵路貨車輪軸損傷問題分析

鐵路貨車輪軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(xiàn)磨傷和裂紋，發(fā)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(xiàn)磨損和裂紋，車輪踏面發(fā)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(xiàn)的形式有表面疲勞磨耗、磨粒磨耗、微動(dòng)磨耗以及黏著磨耗等。圓周磨耗所產(chǎn)生的原因來自貨車車輪與鋼軌之間的滾動(dòng)摩擦，如果貨車車輪兩端磨耗相當(dāng)，則屬于正常磨耗的形式，如果貨車車輪兩端存在偏磨耗現(xiàn)象時(shí)，多數(shù)情況下只有一端車輪輪緣超限與輪徑差存在超限，則構(gòu)成非正常磨耗。根據(jù)日常車輪輪軸傷損維修情況統(tǒng)計(jì)，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(diào)車作業(yè)，在單向運(yùn)行過多的情況下，線路曲線內(nèi)側(cè)的貨車車輪，極其容易發(fā)生嚴(yán)重偏損耗問題，因此貨車車輪輪軸發(fā)生偏磨耗的主要原因是貨車多次運(yùn)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(dòng)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(dāng)貨車處于重載狀態(tài)，貨車車輪由于連續(xù)高速運(yùn)行，貨車車輪所具有的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為車輪和輪軌的熱能，貨車車輪部分的熱能會(huì)增加輪軌間的動(dòng)載荷，巨大的動(dòng)載荷使輪軌接觸面產(chǎn)生較大的塑性形變，在貨車車輪表面超出彈性極限達(dá)到韌性極限的情況下，貨車車輪表面因?yàn)槌休d能力喪失導(dǎo)致貨車車輪表面開裂，進(jìn)一步造成層狀剝落的狀況，接觸疲勞剝離由此發(fā)生。

第二種局部接觸疲勞剝離表現(xiàn)為貨車車輪踏面因?yàn)榘郀顒冸x而產(chǎn)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(fā)生品質(zhì)惡化現(xiàn)象。當(dāng)貨車車輪踏面圓周上產(chǎn)生裂紋再進(jìn)一步使金屬塊脫落時(shí)，則會(huì)發(fā)生貨車車輪接觸性疲勞剝離的現(xiàn)象，還有一種是貨車車輪具有相對(duì)較大的硬度和強(qiáng)度，當(dāng)貨車重載并高速運(yùn)行時(shí)，貨車車輪踏面極易出現(xiàn)條紋形狀的裂紋，長工作時(shí)間后會(huì)導(dǎo)致貨車車輪踏面出現(xiàn)斑狀剝離的現(xiàn)象。

第三種局部擦傷剝離與第四種制動(dòng)剝離都是因?yàn)榛疖囓囕嗛l瓦制動(dòng)使得車輪踏面出現(xiàn)碎裂紋狀導(dǎo)致的，該現(xiàn)象屬于重度踏面剝離，嚴(yán)重影響貨車運(yùn)行安全，危害性極大。因此，貨車車輪損傷的重點(diǎn)研究方向之一是對(duì)貨車車輪局部擦傷剝離與制動(dòng)剝離。

1.3 裂紋

貨車車輪裂紋大致包括制動(dòng)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(dòng)熱裂紋主要是因?yàn)樨涇囓囕喼苿?dòng)發(fā)熱導(dǎo)致。貨車受到制動(dòng)，車輪輪軸溫度升高，在高溫下車輪容易出現(xiàn)塑性變形，制動(dòng)停止后，車輪又快速降溫，若是貨車頻繁制動(dòng)，則很容易導(dǎo)致車輪熱疲勞傷損，發(fā)生車輪制動(dòng)熱裂紋。制動(dòng)熱裂紋的形狀顯示刻度狀，當(dāng)出現(xiàn)主裂紋擴(kuò)展向內(nèi)時(shí)，制動(dòng)熱裂紋出現(xiàn)轉(zhuǎn)向現(xiàn)象，容易造成踏面淺層掉塊等車輪損傷，當(dāng)踏面熱影響比較深時(shí)，熱疲勞應(yīng)力會(huì)主導(dǎo)疲勞裂紋的擴(kuò)展，造成制動(dòng)剝離，該情況下若是沒有及時(shí)檢修，會(huì)很容易造成徑向崩裂，導(dǎo)致對(duì)貨車產(chǎn)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(kuò)展而形成。如果貨車車輪出現(xiàn)熱裂紋向徑向擴(kuò)展的問題，貨車車輪與軌道的接觸面附近區(qū)域內(nèi)，會(huì)容易出現(xiàn)非金屬夾雜物等冶金缺陷問題，導(dǎo)致貨車車輪與軌道接觸面處的裂紋源快速成核，同時(shí)加快裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生，貨車車輪的疲勞裂紋對(duì)貨車車輪的危害性極大，絕對(duì)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(chǎn)生的輻板孔處裂紋?，F(xiàn)如今的貨車帶輻板孔的車輪已經(jīng)下線停產(chǎn)，只是仍有部分帶輻板孔的車輪在運(yùn)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(yīng)的地方都有擦傷痕跡。對(duì)于已存在裂紋的車輪，貨車運(yùn)行中由于制動(dòng)令輻板孔處產(chǎn)生比較大的振動(dòng)力，容易引發(fā)裂紋進(jìn)一步加速擴(kuò)展，當(dāng)貨車重載提速時(shí)，輻板孔車輪的作用則會(huì)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(tài)高速運(yùn)行時(shí)，加速輪輞疲勞而產(chǎn)生輞裂紋，發(fā)展到外側(cè)面時(shí)，則容易產(chǎn)生掉塊。因?yàn)樨涇囓囕喪艿诫x心慣性力的不平衡，出現(xiàn)偏心距，動(dòng)反力以運(yùn)動(dòng)速度的平方值的形式高速增加，若貨車車輪在偏重狀態(tài)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(fā)展到車輪外側(cè)，則很容易發(fā)生車輪掉塊或者車輪局部掉塊，對(duì)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(yùn)行中制動(dòng)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(dòng)，造成車輪擦傷。

第二種情況是空車車輪擦傷，產(chǎn)生的原因是當(dāng)貨車處于空載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，在重車位采用緊急制動(dòng)措施，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)過大的制動(dòng)力。

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

1.5 輪緣局部缺損和掉塊

貨車車輪出現(xiàn)輪緣局部缺損和掉塊的問題，原因有兩點(diǎn)：一是貨車車輪表面存在夾雜物；二是已經(jīng)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(xiàn)輪輞輾邊及輪緣輾堆問題，有兩點(diǎn)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(huì)受到相對(duì)更大的力作用。

第二，貨車車輪強(qiáng)度和硬度比較低與輪軌強(qiáng)度和硬度不相匹配等因素造成的，個(gè)別是因?yàn)樨涇囖D(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等因素而造成。

2 鐵路貨車輪軸無損檢測技術(shù)分析

鐵路貨車輪軸檢測技術(shù)從原始的單純依靠人工檢測到現(xiàn)在的高科技無損檢測，實(shí)現(xiàn)由人工到智能和由粗獷到精致的發(fā)展過程。如今世界各國對(duì)鐵路貨車輪軸的檢測方法和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，但從檢測時(shí)間上有著相同點(diǎn)的是都需要進(jìn)行定期全面檢測、定期靜態(tài)檢測和日常動(dòng)態(tài)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(guān)技術(shù)完成對(duì)整個(gè)輪軸的探傷，同時(shí)出具鐵路貨車輪軸的檢測報(bào)告。

第二，定期靜態(tài)檢測是依據(jù)國家和鐵路部門的相關(guān)要求，在規(guī)定運(yùn)行的里程及時(shí)間后，對(duì)貨車輪軸進(jìn)行專門檢測，應(yīng)用專業(yè)的檢測設(shè)備在輪軸不拆卸的情況下對(duì)其完成靜態(tài)檢測。

第三，日常動(dòng)態(tài)檢測面向的多是到站暫歇機(jī)車車輛，比較常用的檢測方法是列檢人員通過鐵錘對(duì)貨車輪軸敲擊產(chǎn)生的敲擊聲，辨識(shí)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(fā)現(xiàn)貨車輪軸存在的安全隱患，當(dāng)然，日常動(dòng)態(tài)檢測根據(jù)需要也往往借助檢測設(shè)備對(duì)輪軸等部位完成檢測，以確保貨車輪軸的質(zhì)量安全保障。鐵路貨車輪軸無損檢測技術(shù)是充分應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)方式和手段，科學(xué)地檢測與評(píng)估鐵路貨車輪軸內(nèi)部的缺陷問題，判斷鐵路貨車輪軸是否繼續(xù)使用，以及確定能夠正常運(yùn)行繼續(xù)使用的時(shí)間。使用無損檢測技術(shù)的前提是不損壞輪軸，保持正常輪軸的運(yùn)行質(zhì)量。

現(xiàn)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(zhì)完成對(duì)輪軸探傷，將磁粉散布在輪軸表面，將輪軸置于強(qiáng)磁場中磁化，確保強(qiáng)磁場的磁力線垂直穿過輪軸，如果輪軸表面已經(jīng)產(chǎn)生裂紋，磁粉在磁力的作用下，在輪軸發(fā)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(jīng)歷幾個(gè)步驟：

第一，對(duì)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(zhì)或著色燃料的滲透液噴涂于輪軸表面，滲透液通過毛細(xì)作用慢慢滲透輪軸表面開口的缺痕里。

第三，停滯。定時(shí)清洗滲透液。滲透液在輪軸表面停滯一定時(shí)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(zhì)會(huì)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(xué)中的電磁感應(yīng)原理，把待檢測輪軸放入產(chǎn)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(zhuǎn)動(dòng)，輪軸中即產(chǎn)生渦狀電流，在渦流感應(yīng)磁場和原線圈磁場的疊加作用下，原線圈的阻抗產(chǎn)生變化，渦流感應(yīng)磁場受到輪軸是否有缺陷的影響，表現(xiàn)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(chǎn)生的缺陷信息。當(dāng)實(shí)際操作渦流檢測時(shí)，需先對(duì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的輪軸完成檢測，標(biāo)定檢測信息，再渦流檢測同一型號(hào)輪軸是否有缺陷，然后通過檢測設(shè)備的阻抗變化實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xué)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(huì)發(fā)生變化，超聲波在輪軸的缺陷處反射回來，檢測設(shè)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(shí)，超聲波探頭產(chǎn)生超聲波，經(jīng)過發(fā)射接收回波形成電信號(hào)，以上則是超聲波探傷的基本原理。對(duì)貨車車輪輪軸的超聲波探傷需要控制好超聲波的收發(fā)，保障好聲波和電信號(hào)的互相轉(zhuǎn)換，同時(shí)對(duì)電信號(hào)和聲波做好成像處理與數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)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(yōu)缺點(diǎn)：

第一，磁粉探傷優(yōu)點(diǎn)是檢測靈敏度非常高，工藝相對(duì)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(yán)重程度，但是隨著輪軸缺陷深度增加，漏磁場會(huì)隨之變?nèi)酰┐艡z測靈敏度會(huì)隨之快速下降。

第二，滲透探傷的優(yōu)點(diǎn)是能夠直觀顯示其裂紋，檢測靈敏度相對(duì)較高，操作起來相對(duì)簡單方便，但是僅能檢測出輪軸表面裂紋，無法探傷輪軸內(nèi)部較深裂痕。渦流探傷的優(yōu)點(diǎn)是不需要和輪軸直接接觸，能夠精心高速探傷，并且自動(dòng)化就可以完成，但是因?yàn)闇u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(guī)超聲波檢測的優(yōu)點(diǎn)是能夠檢測輪軸內(nèi)部埋藏較深的缺陷，但是探測軸頸和退刀槽等部位時(shí)探傷效果受到限制。

第四，相控陣超聲波檢測的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)聲波的聚焦偏轉(zhuǎn)，由此對(duì)輪軸實(shí)現(xiàn)全面檢測且檢測精度較高，但是檢測設(shè)備價(jià)格昂貴，同時(shí)對(duì)相控陣探頭的維護(hù)也較困難。

3 結(jié)語

貨車輪軸無損檢測技術(shù)曾經(jīng)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(xiàn)。新時(shí)代，我國鐵路事業(yè)實(shí)現(xiàn)高速發(fā)展，隨著鐵路貨車運(yùn)行速度與載重能力逐漸提高，對(duì)貨車運(yùn)行穩(wěn)定性程度要求隨之增強(qiáng)，鐵路貨車輪軸的無損檢測技術(shù)隨之得到更好的發(fā)展和提升。未來，應(yīng)進(jìn)一步提高無損檢測技術(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性，不斷研發(fā)和采用新技術(shù)、新工藝，逐步實(shí)現(xiàn)探傷設(shè)備的系統(tǒng)化、自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，提高無損檢測工作的先進(jìn)性和可靠性。