机车轮箍和整体轮的超声波探伤

　　车轮是机车走行部重要部件,在运行中不仅起着车轮导向作用,还承受着机车自重、钢轨的冲击、机车的牵引力和制动力,是一个受力较大且复杂、工作条件恶劣的部件,它的质量好坏直接关系着机车的运行安全。随着铁路运输需要,机车速度不断提高、牵引吨数逐渐增加以及段修公里的延长,对车轮质量性能提出更高的要求。我国铁路机车车轮结构有两种形式,一种是组合式车轮,由轮箍和轮心组成,即将轮箍旋削加工后留有一定的紧余量经过超声波探伤确认无缺陷超标后,均匀加热到200~320℃,套装在车轮轮辋上,因此轮箍是在热应力和组装应力下服役,材质容易产生疲劳,并在运行中不断发展,如果未及时发现采取措施,最终发生轮箍崩裂,轻者造成列车脱轨,重者造成列车颠覆的重大行车事故;另一种是近年来采用较多的整体车轮,虽然整体车轮消除了轮箍弛缓和崩箍故障,但踏面掉块同样威胁机车的运行安全,近几年铁路部门投入大量的人力和物力,对机车车轮和轮箍进行超声波检测,有效地控制了轮箍崩裂,但仍有机车轮箍崩裂和整体车轮踏面掉块发生,威胁着铁路运输安全。

　　1　车轮故障

　　1.1　轮箍崩裂

　　经过多次轮箍崩裂事故分析,其根本原因是轮箍中存在着冶金缺陷和疲劳缺陷,而冶金缺陷的存在往往是疲劳缺陷发展的根源。冶金缺陷是轮箍在冶炼过程中遗留下的气孔、夹渣物、白点和偏析等缺陷,在轮箍轧制过程中形成的沿轮箍圆周方向的点状或片状缺陷,其厚度较小,在圆周方向具有方向性,这些带有原始冶金缺陷的轮箍装车投入运行后,在轮箍和钢轨接触面受到较大的轮轴牵引力作用下,在缺陷四周产生微小裂纹,并形成疲劳源,随着运行时间的增长,这些微小裂纹逐渐扩展,进一步形成疲劳核,然后向轮箍圆周方向发展,当应力达到最大时裂纹就向前推进一级,当应力消失时裂纹停止发展,这就形成裂纹断面上的中止线;当裂纹发展到一定的面积后,在缺陷两侧沿大约20°~45°角度分别向内径面和踏面斜向发展,使轮箍有效承载面积逐渐减小,当缺陷发展到轮箍的剩余面积达到承载面积时,裂纹走向突然折向内径面和踏面,形成常见的轮箍崩裂过程。特别是轮箍踏面下30 mm范围内存在缺陷时,缺陷在运行中发展更快。也有的缺陷从两侧同时向踏面方向斜向发展,形成轮箍踏面掉块。

　　随着铁路运输向重载、高速方向发展,车轮受到的高频振动和冲击载荷明显加大,近年来又发生轮箍径向裂纹并崩裂事例,例如2002年大同西机务段连续发生两起轮箍崩裂事故,特点是轮箍断面平整且垂直踏面,具有突发性,裂纹源起于轮箍标记处,断裂面有明显的疲劳核,并以标记字处为圆心轴向向内发展,形成半圆形疲劳扩展,呈典型的贝壳状和海滩形式的裂纹中止线,当裂纹发展到25~40 mm时发生脆性崩裂。此类崩箍断面经常在轮箍标记字头处,原因是该处存在缺陷、压制标记时形成应力集中、轮箍加工时过盈量大、镶装时冷却速度过快、轮箍加热温度不均匀及司乘人员操作不规范等,但轮箍崩裂不会单纯由一种因素造成,而是在上述几种因素同时综合作用下造成的。上述两种轮箍崩裂,前者是由周向缺陷引起,后者是由径向缺陷引起,如能将这两种缺陷有效地检出,将疲劳裂纹消灭在萌芽状态,就可以确保机车的行车安全。