趙金海

（國(guó)能鐵路裝備有限責(zé)任公司肅寧車(chē)輛維修分公司，河北滄州 062350）

0 引言

鐵路貨車(chē)的輪軸作為連接車(chē)體和車(chē)輪的重要部件，具有傳遞貨車(chē)動(dòng)力、承受貨車(chē)沖擊和振動(dòng)，以及支撐車(chē)體重量的功能，因此鐵路貨車(chē)的輪軸成為貨車(chē)安全的關(guān)鍵部件[1]，其質(zhì)量問(wèn)題直接影響鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩，F(xiàn)階段我國(guó)重載鐵路實(shí)現(xiàn)突破式高速發(fā)展，鐵路貨車(chē)軸重逐日加大，鐵路貨車(chē)運(yùn)行中輪軸的質(zhì)量保障越來(lái)越得到高度重視。于是，對(duì)鐵路貨車(chē)輪軸進(jìn)行定期檢測(cè)和日常運(yùn)行監(jiān)測(cè)十分有必要。鐵路貨車(chē)輪軸無(wú)損檢測(cè)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(cè)和分析被檢測(cè)輪軸的不均勻性以及內(nèi)部損傷問(wèn)題，因此，鐵路貨車(chē)輪軸的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值[2]。

1 鐵路貨車(chē)輪軸損傷問(wèn)題分析

鐵路貨車(chē)輪軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為車(chē)軸與車(chē)輪兩部分。車(chē)軸的損傷問(wèn)題有很多，比如車(chē)軸出現(xiàn)磨傷和裂紋，發(fā)生折損、彎曲變形和軸頸輾長(zhǎng)等。車(chē)輪的損傷問(wèn)題也有很多，諸如車(chē)輪踏面與輪緣出現(xiàn)磨損和裂紋，車(chē)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(lái)自貨車(chē)車(chē)輪與鋼軌之間的滾動(dòng)摩擦，如果貨車(chē)車(chē)輪兩端磨耗相當(dāng)，則屬于正常磨耗的形式，如果貨車(chē)車(chē)輪兩端存在偏磨耗現(xiàn)象時(shí)，多數(shù)情況下只有一端車(chē)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(chē)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(zhuān)用路線(xiàn)上的貨車(chē)，很少有調(diào)車(chē)作業(yè)，在單向運(yùn)行過(guò)多的情況下，線(xiàn)路曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)的貨車(chē)車(chē)輪，極其容易發(fā)生嚴(yán)重偏損耗問(wèn)題，因此貨車(chē)車(chē)輪輪軸發(fā)生偏磨耗的主要原因是貨車(chē)多次運(yùn)行在單向和有曲線(xiàn)的同一線(xiàn)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(chē)輪因表層喪失承載能力而開(kāi)裂，形成層狀剝落。當(dāng)貨車(chē)處于重載狀態(tài)，貨車(chē)車(chē)輪由于連續(xù)高速運(yùn)行，貨車(chē)車(chē)輪所具有的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為車(chē)輪和輪軌的熱能，貨車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)輪表面超出彈性極限達(dá)到韌性極限的情況下，貨車(chē)車(chē)輪表面因?yàn)槌休d能力喪失導(dǎo)致貨車(chē)車(chē)輪表面開(kāi)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(chē)車(chē)輪踏面因?yàn)榘郀顒冸x而產(chǎn)生的貨車(chē)車(chē)輛局部凹陷問(wèn)題，該情況極其容易使貨車(chē)車(chē)輪發(fā)生品質(zhì)惡化現(xiàn)象。當(dāng)貨車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)輪接觸性疲勞剝離的現(xiàn)象，還有一種是貨車(chē)車(chē)輪具有相對(duì)較大的硬度和強(qiáng)度，當(dāng)貨車(chē)重載并高速運(yùn)行時(shí)，貨車(chē)車(chē)輪踏面極易出現(xiàn)條紋形狀的裂紋，長(zhǎng)工作時(shí)間后會(huì)導(dǎo)致貨車(chē)車(chē)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?chē)車(chē)輪閘瓦制動(dòng)使得車(chē)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(chē)運(yùn)行安全，危害性極大。因此，貨車(chē)車(chē)輪損傷的重點(diǎn)研究方向之一是對(duì)貨車(chē)車(chē)輪局部擦傷剝離與制動(dòng)剝離。

1.3 裂紋

貨車(chē)車(chē)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?chē)車(chē)輪制動(dòng)發(fā)熱導(dǎo)致。貨車(chē)受到制動(dòng)，車(chē)輪輪軸溫度升高，在高溫下車(chē)輪容易出現(xiàn)塑性變形，制動(dòng)停止后，車(chē)輪又快速降溫，若是貨車(chē)頻繁制動(dòng)，則很容易導(dǎo)致車(chē)輪熱疲勞傷損，發(fā)生車(chē)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(chē)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(méi)有及時(shí)檢修，會(huì)很容易造成徑向崩裂，導(dǎo)致對(duì)貨車(chē)產(chǎn)生更大的危害性。

第二種疲勞裂紋由貨車(chē)車(chē)輪表面裂紋加速擴(kuò)展而形成。如果貨車(chē)車(chē)輪出現(xiàn)熱裂紋向徑向擴(kuò)展的問(wèn)題，貨車(chē)車(chē)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(wèn)題，導(dǎo)致貨車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)輪的疲勞裂紋對(duì)貨車(chē)車(chē)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(chē)帶輻板孔的車(chē)輪由于擦傷而產(chǎn)生的輻板孔處裂紋。現(xiàn)如今的貨車(chē)帶輻板孔的車(chē)輪已經(jīng)下線(xiàn)停產(chǎn)，只是仍有部分帶輻板孔的車(chē)輪在運(yùn)行中，從貨車(chē)車(chē)輪輪軸維修的角度分析，帶輻板孔的車(chē)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(chē)輪，貨車(chē)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(chē)重載提速時(shí)，輻板孔車(chē)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(chē)車(chē)輪受到不平衡的離心慣性力的作用，貨車(chē)車(chē)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?chē)車(chē)輪受到離心慣性力的不平衡，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(chē)車(chē)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(chē)輪外側(cè)，則很容易發(fā)生車(chē)輪掉塊或者車(chē)輪局部掉塊，對(duì)貨車(chē)的危害性非常大。

1.4 擦傷

貨車(chē)車(chē)輪踏面擦傷主要原因來(lái)自貨車(chē)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(chē)提升速度以后，在長(zhǎng)大坡軌道上緊急制動(dòng)，造成車(chē)輪擦傷。

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

第三種情況是貨車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)輪與輪軌間的黏著力不夠，車(chē)輪發(fā)生滑行造成的。

1.5 輪緣局部缺損和掉塊

貨車(chē)車(chē)輪出現(xiàn)輪緣局部缺損和掉塊的問(wèn)題，原因有兩點(diǎn)：一是貨車(chē)車(chē)輪表面存在夾雜物；二是已經(jīng)維修過(guò)的貨車(chē)車(chē)輪沒(méi)有完全維修好，依然存在一定的缺陷問(wèn)題。

1.6 車(chē)輪輪輞輾邊及輪緣輾堆

貨車(chē)車(chē)輪出現(xiàn)輪輞輾邊及輪緣輾堆問(wèn)題，有兩點(diǎn)原因：

第一，貨車(chē)車(chē)輪輪輞不均勻輾邊，貨車(chē)車(chē)輪其他部位的厚度高于車(chē)輪輾邊處的厚度，貨車(chē)車(chē)輪踏面輾邊處會(huì)受到相對(duì)更大的力作用。

第二，貨車(chē)車(chē)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?chē)轉(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(chē)輪軸無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分析

鐵路貨車(chē)輪軸檢測(cè)技術(shù)從原始的單純依靠人工檢測(cè)到現(xiàn)在的高科技無(wú)損檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)由人工到智能和由粗獷到精致的發(fā)展過(guò)程。如今世界各國(guó)對(duì)鐵路貨車(chē)輪軸的檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，但從檢測(cè)時(shí)間上有著相同點(diǎn)的是都需要進(jìn)行定期全面檢測(cè)、定期靜態(tài)檢測(cè)和日常動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

第一，定期全面檢測(cè)即將在役鐵路貨車(chē)輪軸完成全面徹底的缺陷問(wèn)題排查，充分利用無(wú)損檢測(cè)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(chē)輪軸的檢測(cè)報(bào)告。

第二，定期靜態(tài)檢測(cè)是依據(jù)國(guó)家和鐵路部門(mén)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(chē)輪軸進(jìn)行專(zhuān)門(mén)檢測(cè)，應(yīng)用專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)設(shè)備在輪軸不拆卸的情況下對(duì)其完成靜態(tài)檢測(cè)。

第三，日常動(dòng)態(tài)檢測(cè)面向的多是到站暫歇機(jī)車(chē)車(chē)輛，比較常用的檢測(cè)方法是列檢人員通過(guò)鐵錘對(duì)貨車(chē)輪軸敲擊產(chǎn)生的敲擊聲，辨識(shí)并判斷貨車(chē)輪軸是否正常，該方法比較簡(jiǎn)單粗獷，能夠提前發(fā)現(xiàn)貨車(chē)輪軸存在的安全隱患，當(dāng)然，日常動(dòng)態(tài)檢測(cè)根據(jù)需要也往往借助檢測(cè)設(shè)備對(duì)輪軸等部位完成檢測(cè)，以確保貨車(chē)輪軸的質(zhì)量安全保障。鐵路貨車(chē)輪軸無(wú)損檢測(cè)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(cè)與評(píng)估鐵路貨車(chē)輪軸內(nèi)部的缺陷問(wèn)題，判斷鐵路貨車(chē)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(wú)損檢測(cè)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(chē)輪軸無(wú)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(cè)，四是超聲波檢測(cè)，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(chǎng)中磁化，確保強(qiáng)磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)垂直穿過(guò)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(lái)，留下明晰可見(jiàn)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(cè)一般經(jīng)歷幾個(gè)步驟：

第一，對(duì)輪軸表面處理。將待檢測(cè)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(guò)毛細(xì)作用慢慢滲透輪軸表面開(kāi)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(lái)，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(cè)輪軸放入產(chǎn)生交變電流的線(xiàn)圈中，在檢測(cè)線(xiàn)圈交變磁場(chǎng)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(chǎng)和原線(xiàn)圈磁場(chǎng)的疊加作用下，原線(xiàn)圈的阻抗產(chǎn)生變化，渦流感應(yīng)磁場(chǎng)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(guò)檢測(cè)線(xiàn)圈阻抗值的變化能夠檢測(cè)出輪軸所產(chǎn)生的缺陷信息。當(dāng)實(shí)際操作渦流檢測(cè)時(shí)，需先對(duì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的輪軸完成檢測(cè)，標(biāo)定檢測(cè)信息，再渦流檢測(cè)同一型號(hào)輪軸是否有缺陷，然后通過(guò)檢測(cè)設(shè)備的阻抗變化實(shí)現(xiàn)對(duì)待檢測(cè)輪軸的無(wú)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(cè)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(lái)，檢測(cè)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(cè)貨車(chē)車(chē)輪輪軸有無(wú)缺陷時(shí)，超聲波探頭產(chǎn)生超聲波，經(jīng)過(guò)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(chē)車(chē)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(cè)輪軸缺陷的目的[7]。

鐵路貨車(chē)輪軸無(wú)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(cè)靈敏度非常高，工藝相對(duì)簡(jiǎn)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(chǎng)會(huì)隨之變?nèi)?，漏磁檢測(cè)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(cè)靈敏度相對(duì)較高，操作起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單方便，但是僅能檢測(cè)出輪軸表面裂紋，無(wú)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(cè)的優(yōu)點(diǎn)是能夠檢測(cè)輪軸內(nèi)部埋藏較深的缺陷，但是探測(cè)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(cè)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(cè)且檢測(cè)精度較高，但是檢測(cè)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(yǔ)

貨車(chē)輪軸無(wú)損檢測(cè)技術(shù)曾經(jīng)在我國(guó)鐵路貨車(chē)檢修過(guò)程中為輪軸使用安全和延長(zhǎng)使用壽命做出重要的貢獻(xiàn)。新時(shí)代，我國(guó)鐵路事業(yè)實(shí)現(xiàn)高速發(fā)展，隨著鐵路貨車(chē)運(yùn)行速度與載重能力逐漸提高，對(duì)貨車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定性程度要求隨之增強(qiáng)，鐵路貨車(chē)輪軸的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)隨之得到更好的發(fā)展和提升。未來(lái)，應(yīng)進(jìn)一步提高無(wú)損檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)工作的先進(jìn)性和可靠性。