原宇博

(貴陽(yáng)市城市軌道交通集團(tuán)有限公司 貴州 貴陽(yáng) 550000)

0 引言

2000年以來(lái)，歐洲鐵路運(yùn)營(yíng)商不管是客運(yùn)、貨運(yùn)和高速列車均報(bào)告了車軸斷裂事故。2009年夏天，一輛運(yùn)送危險(xiǎn)貨物的貨車在意大利發(fā)生事故，導(dǎo)致人員受傷。在所有事故的后續(xù)檢查過(guò)程中都會(huì)指出存在腐蝕、運(yùn)營(yíng)載荷定義、維護(hù)操作步驟等方面的問(wèn)題。

鐵路車軸通常連接的部件有車輪、軸箱、齒輪箱等，如圖1所示，車軸是影響列車運(yùn)行安全的最關(guān)鍵零部件之一，由于車軸失效易導(dǎo)致嚴(yán)重的傷亡，設(shè)計(jì)者和運(yùn)營(yíng)方一直在盡量減少車軸在使用中發(fā)生失效的可能性[1]。為了確保車軸的可靠性及確保其滿足適當(dāng)?shù)男阅?，?yīng)明確定義軸橋的疲勞極限。此外，還需要?jiǎng)?chuàng)新的方法和技術(shù)來(lái)快速有效地檢查車軸，而不需要讓列車停運(yùn)幾天，這在目前是一項(xiàng)重要的維護(hù)成本。

圖1 車軸的連接部件

歐洲輪軸聯(lián)合會(huì)(EURAXLES)旨在將鐵路輪軸故障風(fēng)險(xiǎn)降至最低水平，為了找到確定鐵路車軸疲勞極限的實(shí)用解決方案，以在不降低安全要求的情況下降低維護(hù)成本，主要開(kāi)展了以下幾個(gè)領(lǐng)域的研究[2]：

(1)確定現(xiàn)有和新鋼種疲勞極限的創(chuàng)新方法，包括安全考慮。這些開(kāi)發(fā)將有助于提升歐洲鐵路車軸和車軸標(biāo)準(zhǔn)。

(2)改善車軸粗糙度的設(shè)計(jì)，包括根據(jù)環(huán)境要求開(kāi)發(fā)油漆和涂層創(chuàng)新解決方案。油漆附著力的改善將提高鐵路車軸的抗疲勞性。

(3)簡(jiǎn)化的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)允許在列車底下進(jìn)行檢查，而無(wú)須任何拆卸和列車停運(yùn)。這些方法需要驗(yàn)證，并便于檢查，允許使用顯著提高的安全等級(jí)進(jìn)行測(cè)量。

研究活動(dòng)產(chǎn)生了更好的車軸設(shè)計(jì)驗(yàn)證和檢查技術(shù)，優(yōu)化了車軸產(chǎn)品成本及安全特性。

1 新的車軸疲勞設(shè)計(jì)方法

1.1 表征服役載荷下真實(shí)車軸嚴(yán)重程度的方法

考慮到負(fù)載幅值的可變性和車軸使用的可變性，法國(guó)國(guó)家鐵路公司(SNCF)開(kāi)發(fā)了一個(gè)在線軸重測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，以便更好地了解實(shí)際服役載荷的變化性。該項(xiàng)目獲得了Dynotrain(火車動(dòng)力學(xué)項(xiàng)目)和Hembot(現(xiàn)代火車高效動(dòng)車轉(zhuǎn)向架研究項(xiàng)目)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，SNCF同時(shí)組織了一個(gè)測(cè)試活動(dòng)，增加了在法國(guó)運(yùn)行的客車的數(shù)據(jù)。車軸通常的受力如圖2所示，包含輪軌間垂向載荷Q1、Q2，軸箱垂向載荷P1、P2，輪軌間橫向載荷Y1、Y2等。法國(guó)國(guó)家鐵路公司從這些載荷數(shù)據(jù)中，提取出了兩個(gè)簡(jiǎn)化的代表性載荷譜，并分發(fā)給合作伙伴進(jìn)行進(jìn)一步分析。同時(shí)，提出了一種軸疲勞載荷的分析方法，參數(shù)分析結(jié)果顯示了對(duì)所選損傷規(guī)律的顯著敏感性。通過(guò)對(duì)小比例樣品進(jìn)行可變振幅載荷實(shí)驗(yàn)，這種損傷規(guī)律得到了精確的模擬和表示。然后，在定義車軸壽命基本情況和虛擬用途的基礎(chǔ)上，SNCF提出了一種估算負(fù)荷嚴(yán)重程度真實(shí)分布的方法。最后，將該方法應(yīng)用于SNCF客車，并根據(jù)負(fù)荷嚴(yán)重度分布估計(jì)出了標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷(定義在EN 13103/13104中)的嚴(yán)重度為P1=3.6×10-5，并估計(jì)了在用故障概率(Pf=3×10-8)。

圖2 車軸受力示意圖

1.2 車軸數(shù)值驗(yàn)證過(guò)程方法

通過(guò)定義待測(cè)試和模擬車軸及臺(tái)架的詳細(xì)幾何形狀后，生成了拖車和動(dòng)車車軸的數(shù)值模型，并與試驗(yàn)進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖3所示。EN 13103/13104中定義的過(guò)渡部位相關(guān)的應(yīng)力集中因子低于通過(guò)有限元計(jì)算獲得的應(yīng)力集中因子(大約低18%～20%)，有限元法得到的凹槽應(yīng)力也不同于按照EN 13103規(guī)則得到的應(yīng)力。與此同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果也表明，疲勞極限在標(biāo)準(zhǔn)中被低估，因此當(dāng)前的設(shè)計(jì)過(guò)程仍然是安全的(這也可以從該領(lǐng)域反饋的經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明)。對(duì)過(guò)渡部位進(jìn)行的參數(shù)分析使團(tuán)隊(duì)能夠根據(jù)車軸幾何參數(shù)完善求出應(yīng)力集中因子的公式。團(tuán)隊(duì)還對(duì)整個(gè)輪對(duì)進(jìn)行了仿真，給出了如何在車軸驗(yàn)證過(guò)程中使用有限元法以及如何生成相關(guān)有限元模型的建議。

圖3 不同計(jì)算方法的應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)比

1.3 評(píng)估車軸實(shí)際服役可靠性(故障率)的方法

Polimi提出了基于歐洲規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的半概率方法(semi-probabilistic)作為驗(yàn)證車軸設(shè)計(jì)的方法。該方法使用測(cè)量得到的“代表性載荷譜”，并使人們能夠根據(jù)材料疲勞極限的分散性和載荷不確定性的簡(jiǎn)單假設(shè)，提出驗(yàn)證過(guò)程中要定義的最小安全系數(shù)。SNCF提出了基于應(yīng)力和強(qiáng)度干涉分析的第二種全概率方法，以估計(jì)車軸的故障率，同時(shí)考慮了疲勞極限分散性以及負(fù)載嚴(yán)重程度的真實(shí)分布。使用SNCF客車拖車車軸作為應(yīng)用對(duì)象，采用前期得到的材料特性和載荷測(cè)量方法來(lái)評(píng)估其故障率。結(jié)果表明：計(jì)算出的故障率相對(duì)較小，其數(shù)量級(jí)與真實(shí)使用情況相當(dāng)吻合。

2 鐵路車軸疲勞極限評(píng)估的新測(cè)試方法

研究前期通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量出車軸的疲勞極限，這些信息是設(shè)計(jì)中的主要輸入。該研究考慮了由標(biāo)準(zhǔn)材料(A1N和A4T)制成的車軸，并從統(tǒng)計(jì)角度定義了測(cè)試和分析獲得數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方法，以便將來(lái)能夠在新材料或新表面處理的鑒定中應(yīng)用相同的方法。

實(shí)際測(cè)試中考慮的車軸狀況是標(biāo)準(zhǔn)精加工表面的車軸，其軸身(自由表面)與進(jìn)行車輪、制動(dòng)盤或軸承壓配的軸座分開(kāi)評(píng)估；在壓配位置，當(dāng)大彎矩施加到車軸上時(shí)，部件的耦合會(huì)產(chǎn)生相對(duì)微小的滑動(dòng)并由此產(chǎn)生摩擦力，最終導(dǎo)致局部磨損和軸座側(cè)面可能產(chǎn)生的微小裂紋，這種現(xiàn)象被稱為摩擦磨蝕，其結(jié)果是疲勞極限會(huì)顯著低于軸身，試驗(yàn)的壓配軸座平均疲勞極限(F4，A4T軸，直徑比1.12)為124 MPa，如圖4所示，圖中右側(cè)為在磁粉探傷試驗(yàn)結(jié)束時(shí)發(fā)現(xiàn)的表面裂紋，疲勞極限結(jié)果低于歐洲標(biāo)準(zhǔn)中給出的值(132 MPa)。這種疲勞極限降低現(xiàn)象的嚴(yán)重程度更多地取決于車軸的幾何形狀(軸座-軸身直徑比)，而不是材料本身；為此，團(tuán)隊(duì)定義并測(cè)試了不同的車軸幾何形狀。研究了微動(dòng)疲勞的理論建模，為評(píng)價(jià)裂紋萌生的可能性和裂紋擴(kuò)展的評(píng)估提供標(biāo)準(zhǔn)，并提供優(yōu)化設(shè)計(jì)的工具。

圖4 直徑比為1.12的F4 A4T車軸的階梯疲勞試驗(yàn)結(jié)果

研究的一個(gè)重要主題是可以提高車軸表面防腐蝕能力的解決方案，為此，提出了一些表面處理技術(shù)(噴砂加工，增加粗糙度等等)，因?yàn)轭愃频慕鉀Q方案會(huì)對(duì)表面疲勞極限產(chǎn)生影響。

RAFIL工廠制備了兩批1/3比例的車軸，并由SNCF進(jìn)行測(cè)試，第一系列的最終粗糙度Ra為3～4 μm，第二系列的粗糙度為6～7 μm。較低粗糙度比較高粗糙度(分別為340 MPa和363 MPa)顯示出稍低的疲勞極限。產(chǎn)生差異的原因應(yīng)該是：為獲得更高的粗糙度，噴砂壓力增加使殘余壓應(yīng)力增加。因此噴砂工藝可能會(huì)增加標(biāo)準(zhǔn)軸橋表面的殘余壓應(yīng)力，從而提高疲勞極限。

此外，對(duì)未上漆的腐蝕表面F1(過(guò)渡和凹槽)A1N車軸的疲勞極限進(jìn)行了疲勞極限測(cè)試。從行駛了106km的客車上取下10根未上漆的使用約10年A1N車軸。疲勞試驗(yàn)的結(jié)果顯示平均疲勞極限相比新車軸降低了近13%，標(biāo)準(zhǔn)偏差增加了約18%。

3 最小化腐蝕影響的方法

研究了軸表面的常規(guī)和新制備條件，以提供涂層體系的良好黏附性，并找出表面性質(zhì)與涂料體系黏附性之間的相關(guān)性。Bonatrans、BVV、CAF、GHH、Lucchini和Valdunes等公司制備了183份樣品，并在試驗(yàn)中進(jìn)行了分析。ENSCL和UNIUD大學(xué)對(duì)選定的16個(gè)不同樣品進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，以評(píng)估涂層系統(tǒng)的保護(hù)性能，并試圖將其與表面條件聯(lián)系起來(lái)。表面處理和附著力測(cè)試之間的相關(guān)性無(wú)法明確解釋。獲得的結(jié)果主要取決于涂料體系。只有在電化學(xué)測(cè)試之后，才觀察到樣品之間的一些差異。噴砂處理對(duì)附著力的改善效果最好，SNCF的進(jìn)一步鹽霧試驗(yàn)也強(qiáng)調(diào)了這一結(jié)果。

研究了其他行業(yè)的替代性和創(chuàng)新性油漆和涂層解決方案，特別是海洋等對(duì)防腐要求高的行業(yè)。對(duì)發(fā)現(xiàn)的方法進(jìn)行了使用條件、環(huán)境影響、成本效益和使用限制方面的分析。評(píng)估結(jié)果表明，只有少數(shù)技術(shù)值得進(jìn)一步研究是否可用于輪對(duì)車軸。建議對(duì)以下涂層系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步研究：熱噴涂(電弧噴涂或火焰噴涂)鋅鋁涂層；冷等離子滲氮；鎳/碳化硅納米涂層。

所進(jìn)行的調(diào)查表明：所有這些涂層系統(tǒng)都有良好的防腐性能。然而，進(jìn)一步的研究應(yīng)包括涂層系統(tǒng)是否需要面漆以更好地抵抗碎石沖擊，這種面漆可能是傳統(tǒng)的涂層系統(tǒng)。

此外，還研究了可剝離涂層。可剝離涂層用于臨時(shí)防腐。這些涂層系統(tǒng)的特征是它們?nèi)菀妆豢焖偃コ?。因此，在涂層損壞的情況下，修復(fù)比較容易。檢查軸表面時(shí)，涂層也很容易去除。采用合適的維護(hù)理念，可剝離涂層可能是有意義的，還需要進(jìn)一步研究。

4 在役車軸的無(wú)損檢測(cè)和可靠性驗(yàn)證

適用于改進(jìn)當(dāng)前檢驗(yàn)的有以下技術(shù)和方法：超聲相控陣技術(shù)、合成孔徑聚焦技術(shù)(SAFT)、POD模擬、用于表面裂紋檢測(cè)的感應(yīng)熱成像、狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

相控陣技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大修中實(shí)心軸的自動(dòng)超聲波檢測(cè)，特別是軸的圓柱部分。相控陣探針被應(yīng)用于端面測(cè)試，并且與傳統(tǒng)探針端面測(cè)試相比可以展現(xiàn)出相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。一種新的相控陣方法，即所謂的采樣相控陣(SPA)和一種特殊的噪聲消除算法(eRDM)，與傳統(tǒng)的相控陣技術(shù)相比，允許顯著提高信噪比。在使用大角度掃描技術(shù)對(duì)裝配和涂裝車軸進(jìn)行檢測(cè)的情況下，SPA的好處尤其明顯。這對(duì)于輕度維護(hù)列車上的車軸檢測(cè)特別有意義，因?yàn)樵谳p度維護(hù)中，去除超聲波探頭接觸面上的涂層并不方便。有了這項(xiàng)新技術(shù)，火車上可以進(jìn)行大角度掃描，并且能夠節(jié)省時(shí)間和成本。使用這種運(yùn)輸便捷和靈活的設(shè)備對(duì)實(shí)心車軸進(jìn)行100%檢查，可以作為固定式檢查系統(tǒng)的一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)的替代方案。

對(duì)于空心軸檢測(cè)，目前的研究活動(dòng)由DB開(kāi)展，旨在將相控陣技術(shù)與SAFT方法相結(jié)合，用于分析例行檢查中發(fā)現(xiàn)的超聲缺陷。這兩種方法的結(jié)合允許通過(guò)計(jì)算顯示幾何缺陷的重建圖像以及在裂紋情況下的裂紋尖端信號(hào)，以區(qū)分錯(cuò)誤指示和裂紋。區(qū)分裂紋和錯(cuò)誤指示對(duì)于避免在指示原因不明的情況下拆卸車軸非常重要。這樣，空心軸檢測(cè)變得更加有效。除了超聲波指示的分類之外，通過(guò)評(píng)估大約2 mm深度裂紋的裂紋尖端信號(hào)，可以確定檢測(cè)到的裂紋的尺寸。

檢測(cè)方法的缺陷檢測(cè)能力可以通過(guò)其檢出概率(POD)來(lái)表征。然而，POD的試驗(yàn)測(cè)定非常耗時(shí)和昂貴。為了減少POD測(cè)定的工作量，模擬工具是一種合適的手段。如果所應(yīng)用的檢測(cè)技術(shù)的POD是已知的，檢測(cè)間隔可以被優(yōu)化并建立得不那么保守。一般來(lái)說(shuō)，模擬工具對(duì)于優(yōu)化檢驗(yàn)技術(shù)和支持驗(yàn)證過(guò)程非常方便。

除超聲波外，磁粉檢測(cè)(MT)還適用于車軸檢測(cè)，尤其是實(shí)心車軸檢測(cè)。然而，到目前為止，磁粉檢測(cè)必須目視評(píng)估，因?yàn)槟壳皼](méi)有全自動(dòng)系統(tǒng)存在。此外，磁粉檢測(cè)需要熒光粒子液體，必須在檢查后處理。這些缺點(diǎn)可以通過(guò)感應(yīng)熱成像來(lái)克服，感應(yīng)熱成像可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，這是進(jìn)一步處理熱成像數(shù)據(jù)以抑制干擾影響和利用熱成像圖像序列的時(shí)間變化所提供附加信息的先決條件。

對(duì)于未來(lái)的維護(hù)概念，應(yīng)該從常規(guī)維護(hù)轉(zhuǎn)向基于條件的維護(hù)。從安全角度來(lái)看，最重要的目標(biāo)是在嚴(yán)重缺陷導(dǎo)致車軸故障之前及時(shí)發(fā)出警告，這可以通過(guò)在線監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在線監(jiān)測(cè)也是記錄可能導(dǎo)致車軸壽命計(jì)算中未考慮到的意外異常事件的適當(dāng)手段。完成這項(xiàng)任務(wù)的可能方法是集成超聲波探頭或傳感器，記錄結(jié)構(gòu)聲和從加速度傳感器收集的信息。

5 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)車軸設(shè)計(jì)者一般依據(jù)EN 13103/13104標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行車軸設(shè)計(jì)，通過(guò)借鑒歐洲輪軸聯(lián)合會(huì)提出的新的車軸設(shè)計(jì)方法，可確保車輛車軸能夠承受車輛施加的載荷，從而減少車軸狀態(tài)的惡化，降低車軸故障和車輛事故的風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)內(nèi)鐵路車軸包括高鐵車軸普遍存在有機(jī)涂層容易受到環(huán)境和碎石撞擊破壞的情況。上文介紹的更加堅(jiān)固的涂層系統(tǒng)(通過(guò)對(duì)各種創(chuàng)新涂層的研究)，確保車軸上涂層的黏附性，從而提高車軸長(zhǎng)時(shí)間使用后保持疲勞性能，能夠顯著降低車軸故障和車軸故障引發(fā)事故的可能性，從而減少造成的傷亡人數(shù)。國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)人員可借鑒經(jīng)驗(yàn)并開(kāi)展這些方面的研究，以降低車軸在壽命中后期的故障概率。

我國(guó)鐵路客運(yùn)量大，超載嚴(yán)重，第一時(shí)間檢測(cè)出車軸服役過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷非常重要。上文介紹的無(wú)損檢測(cè)方法，使更精確地測(cè)量車軸狀況和檢測(cè)缺陷成為可能。該技術(shù)在故障發(fā)生前檢測(cè)出可能的故障，從而減少車軸故障和事故?？赏ㄟ^(guò)借鑒國(guó)外車軸檢測(cè)方法，研究舊鋼的疲勞性能和裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展機(jī)理，為眾多在役車軸檢查提供一個(gè)優(yōu)化的方案。