管百飛 上海鐵路局上海鐵路機(jī)務(wù)綜合開(kāi)發(fā)有限公司

制動(dòng)夾鉗杠桿螺栓超聲波探傷可行性研究

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機(jī)車(chē)制動(dòng)器杠桿螺栓是實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)制動(dòng)的關(guān)鍵配件，其質(zhì)量直接關(guān)系到機(jī)車(chē)行車(chē)安全。通過(guò)超聲波探傷檢查和檢修處理，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)、根除機(jī)車(chē)走行部的安全隱患，保障鐵路運(yùn)輸安全。

杠桿螺栓；疲勞裂紋；超聲波探傷

1 引言

2016年7月12日，杭州機(jī)務(wù)段HXD1B-0610機(jī)車(chē)，右4位制動(dòng)單元夾鉗外側(cè)杠桿螺栓尾部底面與拉桿上部平面間隙處發(fā)生異常，判斷杠桿螺栓不良。當(dāng)天相關(guān)技術(shù)人員對(duì)故障部位進(jìn)行分解檢查，確認(rèn)杠桿螺栓斷裂。防止了一起可能由于走行部部件斷裂脫落引發(fā)的事故。

2 制動(dòng)夾鉗杠桿螺栓受力及裂損分析

2.1 杠桿螺栓受力分析

HXD1系列機(jī)車(chē)整個(gè)制動(dòng)器夾鉗單元，通過(guò)夾鉗機(jī)構(gòu)上的前后三個(gè)吊點(diǎn)安裝在轉(zhuǎn)向架上，夾鉗機(jī)構(gòu)通過(guò)四個(gè)螺栓與制動(dòng)缸體連接，夾鉗組成相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械杠桿，當(dāng)制動(dòng)缸充風(fēng)時(shí)，制動(dòng)缸內(nèi)部的鞲鞴受壓縮空氣推動(dòng)向前移動(dòng)，其鞲鞴桿推動(dòng)夾鉗臂繞杠桿螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)，以杠桿螺栓為支點(diǎn)使夾鉗臂的制動(dòng)端閘瓦壓于動(dòng)輪制動(dòng)盤(pán)面上，產(chǎn)生制動(dòng)作用。制動(dòng)過(guò)程中，杠桿螺栓承受杠桿支點(diǎn)的剪切力的作用（見(jiàn)圖1）。

圖1 杠桿螺栓承受杠桿支點(diǎn)的剪切力的作用情況

機(jī)車(chē)制動(dòng)時(shí)夾鉗杠桿螺栓為整個(gè)杠桿組成的支點(diǎn)，即轉(zhuǎn)軸，承受夾鉗臂傳遞的制動(dòng)壓力，受力位置為上下連接架與夾鉗臂相交處，即杠桿螺栓至上端面80 mm左右處至215 mm左右處，而此區(qū)間為縮頸設(shè)計(jì)，雖有樹(shù)脂保護(hù)套，依然為應(yīng)力集中區(qū)，容易發(fā)生斷裂，威脅機(jī)車(chē)走行部安全。

2.2 杠桿螺栓裂損分析

2.2.1 杠桿螺栓的材料及幾何尺寸

HXD1型機(jī)車(chē)單元制動(dòng)器夾鉗杠桿螺栓材料為17Cr16Ni2，杠桿螺栓身長(zhǎng)度為284 mm，直徑φ32.8 mm，螺栓中間有一段縮頸（見(jiàn)圖2），直徑φ32 mm，杠桿螺栓總長(zhǎng)度為320 mm。

圖2 杠桿螺栓縮頸區(qū)域

2.2.2 杠桿螺栓裂損機(jī)理

杠桿螺栓疲勞裂損主要發(fā)生在單元制動(dòng)器夾鉗杠桿螺栓頭部（68～90）mm、尾部（103～125）mm區(qū)域，處在杠桿螺栓與縮頸的兩端過(guò)渡區(qū)域，結(jié)構(gòu)應(yīng)力比較集中。機(jī)車(chē)制動(dòng)時(shí)上述兩區(qū)域的某截面承受夾鉗上下連接架與夾鉗臂相交剪切力的作用，該截面處的應(yīng)力瞬間大幅度劇增，而制動(dòng)緩解時(shí)應(yīng)力又劇降，由于應(yīng)力經(jīng)常劇增、劇降交替變化，使杠桿螺栓極易產(chǎn)生疲勞裂紋和斷裂。

2.2.3 杠桿螺栓的斷面狀態(tài)

杠桿螺栓的斷裂表面粗糙不平、晶粒粗大，與該處的熱處理性能有一定的關(guān)系。

3 探傷方法

HXD1型機(jī)車(chē)單元制動(dòng)器夾鉗杠桿螺栓外部有一個(gè)保護(hù)套，機(jī)車(chē)日常庫(kù)內(nèi)檢查中看不到杠桿螺栓桿身的異常狀態(tài)，根據(jù)夾鉗杠桿螺栓的安裝結(jié)構(gòu)，在不分解杠桿螺栓情況下，可以在杠桿螺桿的頭部用超聲波進(jìn)行探傷檢查。該型機(jī)車(chē)絕大部分單元制動(dòng)器夾鉗杠桿螺栓，可以直接在機(jī)車(chē)外側(cè)面實(shí)施超聲波探傷檢查。機(jī)車(chē)第一、六位輪對(duì)的制動(dòng)器夾鉗內(nèi)側(cè)杠桿螺栓，同樣不需要分解夾鉗杠桿螺栓，只要將機(jī)車(chē)移動(dòng)到地溝處，探傷人員進(jìn)入地溝內(nèi)可以進(jìn)行超聲波探傷檢查。

4 工藝方案

通過(guò)制動(dòng)器夾鉗杠桿螺栓裂損情況分析可知，夾鉗杠桿螺栓應(yīng)力集中區(qū)域的疲勞裂紋，可以采用超聲波探傷的手段進(jìn)行檢查、發(fā)現(xiàn)。

4.1 試塊

采用杠桿螺栓實(shí)物對(duì)比確定超聲波探傷的靈敏度，以杠桿螺栓的頭部作為探傷基準(zhǔn)面，分別在杠桿螺栓頭部80 mm和尾部215 mm處徑向做人工鋸口，鋸口深度為1.0 mm（見(jiàn)圖3）。

圖3 人工鋸口

4.2 超聲波探頭及耦合劑

（1）疲勞裂紋探傷：用2.5P5°小角度探傷檢查杠桿螺栓80 mm處的裂紋；用2.5P2°小角度探傷檢查杠桿螺栓125 mm處的裂紋；

（2）超聲波探傷用耦合劑為10#機(jī)油。

4.3 探傷靈敏度及測(cè)距調(diào)節(jié)

4.3.1 探傷靈敏度

選擇探測(cè)面為杠桿螺栓裂紋的端頭平面，在探測(cè)區(qū)域涂抹耦合劑，用2.5P5°、2.5P2°小角度探頭，分別調(diào)節(jié)實(shí)物對(duì)比試塊上頭部80 mm和尾部215 mm處人工鋸口，波高為80%，即為近端、遠(yuǎn)端探傷基準(zhǔn)靈敏度。調(diào)整探傷靈敏度，保存好儀器參數(shù)（見(jiàn)圖4）。

圖4 探傷靈敏度調(diào)整

4.3.2 掃查靈敏度

按基準(zhǔn)靈敏度增益6 dB為掃查靈敏度。

4.4 操作要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

（1）探傷作業(yè)前必須正確校驗(yàn)探傷靈敏度，探傷作業(yè)完畢后或連續(xù)探傷作業(yè)每隔4 h，必須復(fù)驗(yàn)靈敏度，確保探傷靈敏度正確。

（2）做好杠桿螺栓探傷面的清潔工作，徹底清除杠桿螺栓端頭平面塵垢，露出金屬本色。

（3）探傷操作在杠桿螺栓頂部端面，用小角度探頭進(jìn)行裂紋檢查，探頭移動(dòng)時(shí)需要保障覆蓋范圍。

（4）常見(jiàn)疲勞裂紋主要在杠桿螺栓頭部（68～90）mm區(qū)域和尾部（103～125）mm區(qū)域應(yīng)力集中區(qū)。檢測(cè)裂紋時(shí)，用小角度探頭在杠桿螺栓頂部端面中心掃查，耦合必須良好，操作時(shí)探頭旋轉(zhuǎn)360°探傷。5°小角度探頭用以螺栓頭部（68～90）mm區(qū)域處疲勞裂紋探傷，2°小角度探頭用以螺栓尾部（68～ 90）mm區(qū)域處探傷檢查，操作必須規(guī)范、認(rèn)真，不可簡(jiǎn)化作業(yè)。

（5）機(jī)車(chē)移動(dòng)到地溝處停車(chē)，探傷作業(yè)前必須對(duì)機(jī)車(chē)采取止輪措施并掛好禁動(dòng)牌，防止機(jī)車(chē)溜逸等發(fā)生意外人身安全事故。確認(rèn)安全后才可下地溝，探傷作業(yè)時(shí)采用分步操作，減少更換探頭和調(diào)整儀器的頻次縮短時(shí)間。先進(jìn)行5°和2°小角度探頭探傷檢查，做好記錄，再進(jìn)行探傷情況分析。

（6）典型裂紋及波形見(jiàn)圖5。

圖5 HXD1B-0588機(jī)車(chē)第六位右外側(cè)杠桿螺栓近端裂紋及缺陷波形

（7）由于杠桿螺栓的探傷處存在縮頸，試驗(yàn)表明會(huì)發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，使缺陷回波位置發(fā)生較大的變化，嚴(yán)重影響探傷過(guò)程中缺陷的正確定位和定量。所以，在杠桿螺栓的超聲波探傷操作中，不推薦使用直探頭進(jìn)行疲勞裂紋探傷，避免發(fā)生因探傷誤判導(dǎo)致行車(chē)安全事故發(fā)生。

4.5 質(zhì)量判定

超聲波探傷中一旦發(fā)現(xiàn)有缺陷反射則必須分解，用磁粉探傷進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)有疲勞缺陷的杠桿螺栓一律判廢，為確保機(jī)車(chē)走行部安全，杠桿螺栓桿身部分不允許存在疲勞缺陷。

5 研究運(yùn)用

（1）匯總、梳理、分析一年多來(lái)全局各機(jī)務(wù)段對(duì)HXD1型機(jī)車(chē)制動(dòng)器夾鉗杠桿螺栓探傷普查及各次修程中的檢修工作，進(jìn)一步完善夾鉗杠桿螺栓在線(xiàn)探傷檢查和修程檢修的工藝，確定各級(jí)修程杠桿螺栓的檢修范圍，并納入相應(yīng)的探傷范圍。

（2）與杠桿螺栓生產(chǎn)廠家合作，開(kāi)展杠桿螺栓的機(jī)械強(qiáng)度分析試驗(yàn)，改進(jìn)杠桿螺栓的生產(chǎn)制造工藝，提高螺栓的強(qiáng)度，確保運(yùn)用質(zhì)量。

（3）廣泛收集、積累機(jī)車(chē)制動(dòng)器夾鉗杠桿螺栓日常運(yùn)用質(zhì)量情況和檢修探傷數(shù)據(jù)，進(jìn)行匯總、梳理和分析，制定科學(xué)的杠桿螺栓報(bào)廢評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，為制動(dòng)器夾鉗杠桿螺栓檢修更換提供依據(jù)。同時(shí)，建議制動(dòng)器夾鉗杠桿螺栓實(shí)行使用壽命管理。

6 結(jié)論

把機(jī)車(chē)制動(dòng)器杠桿螺栓納入段修（C4修程）探傷范圍，修程中嚴(yán)格按上述探傷方法和工藝要求，可以不分解制動(dòng)器夾鉗杠桿螺栓實(shí)施超聲波探傷檢查，確認(rèn)杠桿螺栓的質(zhì)量狀態(tài)，實(shí)行及時(shí)處置質(zhì)量不良的杠桿螺栓，消除機(jī)車(chē)走行部安全隱患，確保運(yùn)輸安全。

責(zé)任編輯：王 華

來(lái)稿日期：2017-03-07