1 引言

世界鐵路在“貨運重載、客運高速”的主題下得到了快速發展，重載運輸技術已被國際公認是鐵路貨運發展的方向。隨著鐵路運輸向高速、重載方向發展以及機車段維修公里的延長，對機車走行部質量提出更高的要求。車軸是機車機械走行部關鍵部件之一，在運行中起著向鋼軌傳遞靜載荷、牽引力和制動力的作用，另外還剛性承受來自鋼軌接頭、道岔、線路不平的垂直和水平作用力，是一個受力復雜、工作條件惡劣的部件。車軸結構無論采用哪種形式，隨著機車走行公里的不斷提高，車軸材質最終由于疲勞而產生疲勞源并擴展形成疲勞裂紋。因此要對機車車軸疲勞區域進行超聲波檢測，以便發現車軸是否產生疲勞裂紋及其發展情況，及時掌握車軸狀態并采取措施，確保鐵路運輸安全。

2 國內外車軸變化趨勢

車軸是機車車輛轉向架的關鍵承載部件，其疲勞破壞直接危及運輸安全。近年來，隨著鐵路的重載化和高速化，車軸不可避免地會受到日趨嚴重的沖擊作用。根據國內外車軸故障的數據顯示，車軸故障有逐漸攀升的趨勢。北京鐵路局在2002年至2013年的13個月的時間里，連續發生3起RD2型車軸軸頸卸荷槽處冷切事故，造成車輛脫軌，構成險性事故。我國的重載和高速列車在現有線路條件下運行，這就使得深入研究車軸疲勞強度問題變得更加重要和迫切。

提高軸重是世界各國重載運輸一致采用的一項重要舉措，是降低運行成本的最有效的辦法。重載運輸的三大標準之一是軸重應在25t以上，美國所有一級鐵路的標準軸重1990 年以后已是33t，加拿大一級鐵路標準軸重已于1995 年改為33t。澳大利亞BH載鐵路的軸重已經提高到35t，巴西卡拉齊斯重載鐵路的軸重已經達到30 t 南非重載鐵路的軸重已經達到26t(窄軌)，瑞典重載鐵路已將軸重由25 t提高到30 t俄羅斯鐵路正在將貨車軸重提高到27t，并且在加緊研究適用于35t軸重的軌道零部件，印度鐵路在2001年開始計劃將重載列車軸重提高到25t。過去北美鐵路很少發生車軸故障，據報道，每年也就發2到3起，然而自1995年以來，車軸故障數量已經不斷增長，增長的原因可能是由于軸重的增加、循環直達貨運專列的里程增加和車輛裝載量的逐漸增加。

隨著重載運輸的發展，軸重在不斷增加，過去所使用的軸承在維修和運用安全性及可靠性方面存在的問題日益暴露。由于軸頸在輪重作用下會產生彎曲，導致軸承旋轉運動時各部件表面間產生微量的相對移動，隨著時間的推移，這些相對運行產生磨損(腐蝕)磨耗，逐漸地減少了軸承與軸頸間的預壓力，由于相對移動和磨損磨耗率不斷增加，最后導致軸承與軸頸間的松弛，軸承難以保持正常的工作性能。鑒于此，美國、南非和澳大利亞的鐵路部門均在研究改善現有軸承的工作性能，提出了新的和改進的設計方案，用以減少和消除軸承的松脫現象等。新的和改進后的設計主要包括下列幾方面: 第一是采用合適的軸承后檔; 第二是采用穩定可靠的密封圈; 第三是采用最新的密封技術，如液力迷宮密封及在軸承與軸頸間使用液力迷宮密封襯套等; 第四是縮短軸頸并設計新的與短軸頸相配的軸承，軸頸的縮短等于有效地增加了軸承座的抗彎剛度，從而大大減少了軸承座的磨損量，保證了軸承工作的可靠性。美國研制的AP-2 型軸承就是基于此原理設計的并取得了較好的效果。

美國、同本、前蘇聯等國鐵路部門都曾積極地采用疲勞可靠性理論對車軸作過可靠性分析，并逐步將車軸疲勞可靠設計與分析方法加以完善，納入標準。Horger論文中的表列出了用各種熱處理方法處理的車軸疲勞強度。對未處理車軸、2次正火和回火處理車軸、傳統淬火回火處理車軸進行了試驗。我國鐵路采用可靠性技術解決車軸的疲勞問題丌展較晚，目前尚處于起步階段，盡管國外的許多經驗可供我們參考。

3影響車軸疲勞強度因素

影響車軸疲勞強度的因素有很多，比如材料特性、應力集中、尺寸效應、表面狀態、載荷特性、壓裝條件、腐蝕環境等。但是在實際運用中，這些因素并不是單一作用于車軸的，而是多種因素的綜合作用。

3.1車軸應力

在國際鐵路聯盟UIC515-3/1994《鐵道機車車輛轉向架車軸計算方法》和歐洲鐵路聯盟EN13041-1995《鐵道轉向架驅動車軸設計和計算方法》中，車軸結構應力集中系數分為兩類，輪軸壓裝部位、滾動軸承及定位部位。

根據Mohr應力分析原理，車軸危險截面的應力可以表示為：

3.2 壓裝部位的影響

車軸斷裂多源于車輛壓裝區的微動疲勞，分界區微觀粘著點根部在疲勞過程中會產生駐留滑移帶，從駐留滑移帶可以萌生出短裂紋，短裂紋的生長導致了車軸的最終斷裂。壓裝力不足同時會加劇輪座部位的磨損，從而加快疲勞裂紋的萌生。而過盈量和壓入力過大會使軸向靜態拉應力增大。在應力較高和過盈量較大的情況下，車軸上的裂紋擴展迅速，從而影響車軸的使用壽命。

壓裝部位疲勞強度受表面殘余應力的影響更大于受表面硬度的影響。硬化層深度、壓縮殘余應力不論哪個加大都能提高壓裝部位的疲勞強度，但裂紋擴展的疲勞極限比裂紋萌生的疲勞極限更為顯著。這是因為晶粒級的疲勞裂紋的萌生狀態受剪切應力的強烈支配，與斷裂有關的疲勞裂紋的擴展性質受拉伸應力支配。就是說壓縮殘余應力對前者無效，而輪轂端面和臺階端部的相對位置也對壓裝部位的疲勞強度有很大的影響。

3.3 載荷的影響

載荷對車軸疲勞強度的影響包括載荷類型，變化的應力幅，應力循環比率，載荷水平、數量和平均應力等。目前國內有關載荷對車軸疲勞強度的研究基本上是停留在小試件和理論研究階段。1848年，James和Galton發表了基于鐵道車軸交變載荷條件下的大量鐵棒實驗結果。這些是最早的車軸動載荷試驗和思想。1995年日本鐵道技術協會和鐵道總研對四根新干線實物車軸進行了動載荷試驗。試驗中采取盡可能保持與實際工作應力相關的原則選取應力等級和循環次數。運行中發生彎曲應力的主要外力是輪重和橫壓力。其中橫壓力發生在通過曲線的時候，其影響占動應力的大部分。

3.4 其他因素的影響

車軸產生疲勞的原因是很多方面的，既受車軸材質、結構、制造工藝、牽引電動機和輪對參數選配的影響，同時又受機車運行線路狀況、運行速度、牽引噸位以及司乘人員操作等客觀因素的影響，由于受力特點、受力狀態和工作環境不同，車軸在運行過程中受到彎曲應力、扭轉剪切應力及組裝應力同時作用，且均為復雜的交變應力，由此車軸疲勞是不會單純由一種因素造成而是在多種因素共同作用下產生的。

4 車軸疲勞檢測

隨著對車輛載重及使用可靠性要求的進一步提高，近年來國內外各鐵路運輸公司都在不斷地改進車軸、軸承結構，如：縮短了車軸軸頸載荷中心到根部的距離，降低了車軸軸頸根部應力和彎曲變形；對軸承內圈及密封裝置進行了優化設計，使結構設計緊湊，有效地改善了微動磨損對軸承性能的影響,極大地提高了車軸、軸承的使用可靠性[9,10]。但車軸結構無論采用哪種形式，隨著機車走行公里的不斷提高，車軸材質最終由于疲勞而產生疲勞源并擴展形成疲勞裂紋。因此要對機車車軸疲勞區域進行超聲波檢測，以便發現車軸是否產生疲勞裂紋及其發展情況。

疲勞可靠性問題涉及的不確定性因素主要有三大類：應力的隨機性、構件材料疲勞性能（如疲勞壽命、疲勞強度等）固有的分散性以及影響構件疲勞強度和壽命各因素的隨機性。疲勞可靠性分析的內容主要包括兩個方面：其一、分析和計算交變載荷作用下在一定時期內構件或結構發生疲勞失效的概率或不因疲勞而失效的概率（即疲勞可靠度）；其二、計算在交變載荷作用下構件或結構給定可靠度下使用期限（即可靠壽命）。根據疲勞載荷的類型，構件疲勞可靠性分析的研究還可分為：

• 等幅載荷下構件的疲勞可靠性

• 變幅載荷下構件的疲勞可靠性分析

• 隨機載荷時間歷程作用下構件的疲勞可靠性分析

根據疲勞載荷的類型，構件疲勞可靠性分析的研究還可分為：應用可靠性分析來評價車軸，主要有以下幾方面的任務：

• 對新設計的車軸作可靠性分析及壽命估算。

• 按要求的可靠性指標改進設計。

• 按要求的可靠性指標對車軸作可靠性分析，制定出合理的廠、段修周期。

• 進行車軸報廢及更新換代的經濟性評價。

現有的超聲波探傷法是將探頭接觸在車軸的端面或表面上，或是沒有拆卸的重要部件上，向車軸中射入超聲波，觀察是否有傷痕的反射波。要有垂直探傷、斜角探傷和局部探傷三種方法，如圖所示。

現有車軸檢測方法

（1）垂直探傷

垂直探傷是由車軸端面垂直的射入2.5MHz的超聲波。檢測車軸在全長方向是否有損傷。垂直探傷的探傷范圍最廣，可以掃查到整個車軸縱向，但由于超聲波不易接觸裂紋，小裂紋難以檢測出來，精度較低。

（2）局部探傷（小角度探傷）

針對可能發生裂紋的端部配合處，以10~15度的折射角從車軸兩端面傾斜的射入2MHz的縱波超聲波進行檢查，該方法也稱為縱波斜角探傷。局部探傷雖比垂直探傷精度高，但不能像垂直探傷那樣掃查車軸全體，只能檢測車軸的一部分。因此，僅以局部探傷檢查車軸時，要使用多個探頭。

（3）斜角探傷

斜角探傷一般使用37~45度的折射角從有曲率的車軸表面斜方向射入2MHz的橫波超聲波。斜角探傷可檢查到齒輪座、制動盤座等部位的傷痕。斜角探傷比局部探傷更能檢測出細小的傷痕，但是為便于探傷，必須把車軸表面打磨干，還要采用與車軸表面曲率相匹配的探頭。

上述三種方法掃察的范圍和精度各有所長，可采用多種探頭對車軸多部位進行探傷，以提高探傷的精度和準確度。

5結語

隨著我國鐵路運輸向高速和重載方向的發展，在現有條件下，需要進一步定量研究影響車軸疲勞強度的因素，為新型車軸設計提供依據。其中包括材料疲勞性能的研究，動態力學性能研究，各種生產工藝的研究，車軸設計研究等，并對超高周疲勞下車軸鋼裂紋萌生和短裂紋的生長規律進行試驗研究，分析沖擊載荷和變幅載荷耦合作用對超高周疲勞損傷的影響和規律，從中尋找抑制車軸斷裂的方法并建立超高周疲勞壽命預測模型。