地铁车辆车钩钩头磁粉聚集判定与分析

黄 延

（上海地铁维护保障有限公司，200233，上海∥工程师）

地铁车辆车钩钩头磁粉聚集判定与分析

黄 延

（上海地铁维护保障有限公司，200233，上海∥工程师）

介绍了地铁车辆车钩钩头处磁粉聚集情况，通过引入DIN-EN 1369标准来对地铁车辆车钩钩头磁粉聚集现象进行判定，并选择SM2或AM2C作为地铁车钩磁粉聚集的判定级别，进行理论计算和理化试验验证。根据该级别进行筛选，为下一步送检做好准备。

磁粉聚集；DIN-EN 1369标准；线形排列；成行排列；质量等级

Author'saddressShanghai Rail Transit Maintenance Support Co.，Ltd.，200233，Shanghai，China

车钩是地铁列车的重要部件之一，用来连接列车各车辆，实现车辆之间机械、电气和气路的连接，并且传递和缓和列车在运营中产生的纵向力。在地铁列车进行5年架修和10年大修时，车钩的受力部件必须进行磁粉探伤，包括钩舌板、钩舌杆、车钩连接环以及车钩钩头颈部（见图1及图2）。

通常情况下，钩舌板、钩舌杆、车钩连接环一旦有磁粉聚集，不再使用，直接报废。而对于通过浇注成型的车钩钩头，其磁粉聚集产生的原因主要为铸造缺陷或疲劳裂纹，但在判定方法上难以直观分别。国际上对于车钩钩头颈部的损伤也没有专门的判定方式，一般只有通过RT（射线探伤）来判定。

图1 磁粉探伤部位

图2 钩头壳体连接方式

上海轨道交通的处理方式为替换磁粉聚集钩头，将问题钩头送专业检测机构做RT，并根据RT结论决定是否继续使用。

到目前为止，95%的送检磁粉聚集钩头均可以继续使用。由于RT检测价格昂贵，且周期较长。因此，送检前的预先判断将对生产周期起到至关作用。

1 钩头壳体结构简介

车钩钩头在列车架大修时进行分解，钩头壳体是最小的维修单元。借鉴了大铁路对钩缓装置的检修经验，对车钩受力部件进行磁粉探伤。上海轨道交通为密接式车钩，钩头和缓冲器直接采用法兰连接。

目前发现的磁粉聚集有与受力方向垂直的直线、曲线，以及与受力方向同向的直线及曲线，全部

都为磁粉聚集现象。通过分析钩头壳体的构造，其磁粉聚集情况与板、棒、型材类部件较为接近。针对该种形式的材料，国际上目前较为接近的磁粉探伤标准为欧洲的DIN-EN 1369。

2 DIN-EN 1369介绍

DIN-EN 1369磁粉探伤标准，由欧洲标准化委员会（CEN）及其下属的190技术委员会（TC）于1997年2月共同发布。该标准补充了pro EN ISO 9934-1里描述的磁粉检测的框架基础，作为浇铸工业的附加要求。磁粉检测以及任何其它无损检测都是浇铸件质量认定的一部分。

2.1 DIN-EN1369适用范围及部分定义

（1）适用于强磁性铁铸件和钢铸件的磁粉检测。

（2）包含质量等级划分的验收标准，并按类型、范围和尺寸对存在的缺陷进行定义。

（3）适用于所有强磁性材料制成的浇铸件，不论其浇铸工序如何。

（4）对于强磁性的定义如下：如果将由铸铁或钢制成的浇铸件放在一个2.4 k A/m强度的磁场范围内其磁感应度超过1 T，则该浇铸件为强磁性的。

（5）只适用于确定要进行检测的浇铸件以及待检测浇铸件的部分。

2.2 磁粉聚集分类

根据DIN-EN 1369，车钩钩头颈部的磁粉聚集现象可以划分为以下3种类型：

（1）非线性痕迹（SM）——当磁粉聚集的长度（L）小于宽度（W）的3倍时，即L＜3W，这种磁粉聚集现象称为“非线性痕迹”。通常情况下，由气孔、夹渣和硝酸盐引起的缩小缺陷形成的都是非线性痕迹。

（2）线性痕迹（LM）——当磁粉聚集的长度（L）大于等于宽度（W）的3倍时，即L≥3W，这种磁粉磁粉聚集现象称为“线性痕迹”。疲劳裂纹、热缝、冷焊接等形成的磁粉聚集现象都是线性痕迹。

（3）成行排列的痕迹（AM）——车钩钩头磁粉聚集大部分均为成行排列的痕迹。在DIN-EN 1369中规定：①当磁粉聚集呈为多条非线性痕迹时，痕迹间距小于2 mm；②当磁粉聚集呈为多条线性痕迹时，痕迹间的间距小于最长那个痕迹的长度，且两个痕迹位于一条线上。

上述两种均为成行排列痕迹。成行排列的痕迹被单独看作一种痕迹，其长度为整列痕迹的总长。例如图3，L指第一个痕迹的头部到最后一个痕迹的尾部之间的距离，L=L1+L2+L3+L4+L5。

图3 排列痕迹长度示意图

2.3 磁粉聚集的质量等级划分

磁粉聚集的质量和以下数据有关。

（1）L1（单位mm）：需要计数的最小痕迹尺寸。这是每个等级的基础基数，不同等级需要计数的最小尺寸不同。

（2）L2（单位mm）：允许的最大尺寸。这是每个等级的明显标志，不同等级的最大允许尺寸不同。

（3）A（单位mm2）：磁粉聚集形成的面积。这是非线性痕迹中特有的，为每条磁粉聚集现象形成的面积之和。

（4）t（单位mm）：探伤部件的壁厚值。在线性和成行排列的痕迹中，壁厚的差异对同一等级中L1和L2取值存在影响。磁粉检测的质量等级详见表1和表2。在每个质量等级中，小于L1的可忽略不计，而最大的尺寸不得超过L2。非线性痕迹时，对于大于L1的磁粉区域要测量其长度，并计算出面积总和。线性和成行排列痕迹时，需要注意探伤部件的厚度，以及痕迹的排列形式（单个或累积）和最大尺寸L2的数量。

3 车钩磁粉聚集现象等级划分

车钩钩头采用的铸钢件Gs20Mn5N，其力学性能根据德国规范DIN 17182（详见表3）。由于其属于钢铸件，铸件厚度16 mm，满足DIN-EN 1369检测标准所规定的使用范围，因此可以依该标准来对车钩钩头磁粉聚集现象进行质量等级划分。

在所有的车钩钩头的磁粉聚集现象中，其形状和布局根据DIN-EN 1369均属于成行排列的痕迹。如图3车钩钩头磁粉现象为典型的成行排列痕迹。

在图4中，磁粉聚集现象呈成行列排列，3条磁粉聚集痕迹长度为L1、L2和L3（长度分别为1.2 mm、2.0 mm和5.0 mm），L1和L2为单条的非线

性痕迹，L3为2条痕迹的总长（约1.0 mm+3.5 mm）。

假设钩头磁粉聚集仅出现L1情况，则根据DIN-EN 1369，此为非线性等级，最小尺寸L1为1.5 mm，其痕迹面积约为1.2 mm2，属于SM1等级。

表1 非线性排列痕迹（SM）等级划分

表2 线性和成行排列痕迹（LM和AM）等级划分

表3 Gs20Mn5N的主要机械性能

图4 车钩磁粉聚集现象情况一

假设钩头磁粉聚集仅出现L2情况，则同理判定此为非线性等级，最小尺寸L1为2 mm，其痕迹面积约为2 mm2，属于SM2等级。

假设钩头磁粉聚集L1、L2情况同时存在，且因L1、和L2之间距大于2 mm，根据标准判定此为非线性等级，最小尺寸L1为2 mm（1.5 mm尺寸忽略不计），痕迹面积为2 mm2，属于SM2等级。

图4中，因L3磁粉聚集情况为两段非线性痕迹的累加，间距小于2 mm，故属于成行排列痕迹，钩头壁厚16 mm。最小尺寸L1=2 mm，允许最大尺寸L2=5 mm，满足等级AM2C。

假设图4中，L2和L3间距为1.5 mm，则根据AM2级别判断，L为8 mm，大于允许的L2，不属于AM2级别。根据SM3级别判断，L1=3 mm，仅需考虑L2和L3总长：5.0 mm+2.0 mm+1.5 mm =8.5 mm，小于允许的10 mm，故其质量等级为AM3C。

图5属于成行排列痕迹，选用AM3等级，L1= 3 mm（L3排除），L2=7.5 mm，根据AM3级别判断，质量等级为AM3C。

图5 车钩磁粉聚集现象情况二

4 上海轨道交通车钩磁粉聚集等级选定

为顺利进行地铁车钩维修的后续工作，在引用DIN-EN 1369对上海轨道交通车钩磁粉聚集现象进行等级划分后，需要判断车钩是否可以继续使用（即针对标准选择合适等级）。

DIN-EN 1369关于质量等级的选定定义如下：磁粉检测由购买商和制造商达成一致后进行。质量等级由购买商和制造商考虑相关浇铸件的用途进行协定。

目前上海轨道交通列车车钩磁粉聚集等级选定如下：所有磁粉聚集等级不得大于SM2或AM2C级别，符合标准的钩头可继续使用；所有超标钩头部件，做好跟踪记录，并送专业检测机构作进一步RT检测。

5 级别选定理由

5.1 理论计算

断裂力学认为：构件的断裂往往可分为3个阶段：①裂纹的生成——由于疲劳、腐蚀介质、高温或环境等影响，在构件应力集中处经过一段使用时间形成微小裂纹；②裂纹的亚临界扩展——在使用过程中，裂纹慢慢扩展成宏观裂纹；③裂纹失稳扩展——在应力作用下，裂纹逐渐扩展，构件失稳断裂。因此从裂纹的生成直至断裂失效之间，构件的寿命随交变载荷次数的增加而减少。

疲劳裂纹扩展的速率表示用da/dN，dN是交变应力的循环次数增量，da是相应的裂纹长度增量。当已知裂纹扩展速率、初始裂纹长度a0与临界裂纹长度ac，则裂纹扩展至断裂的循环次数为：

通过计算，Gs20Mn5N在AM2C等级情况下，构件断裂的应力循环次数约为2.5×106。由于应力循环次数按照最大载荷计算，根据目前的列车运营公里数，一天受最大载荷次数不会超过500次。假设每天列车承受最大载荷500次，则允许继续使用4 000 d（约10年），故选用AM2C、AM2i和SM2级别，可以保证车钩使用至下个维修周期。

5.2 委外理化试验

图5中的车钩被送往上海材料研究所做金相分析后，根据DIN-EN 1369判定级别为AM3C。经过金相试验得知：L2为机械划伤，L1和L3为铸造缺陷，均非疲劳裂纹。该种车钩级别可以继续使用。

磁粉聚集级别AM3的车钩经过试验可以继续使用，AM2级别的车钩更为安全。因此，将AM2作为上海轨道交通车辆车钩磁粉探伤判定的初步标准是合理的。

因车钩磁粉聚集现象问题曾多次与供货商谈判。供货商技术部门也提出：磁粉聚集级别小于AM2，可以确保安全使用至下个维修周期。

6 结语

借用DIN-EN 1369预判断车钩磁粉聚集现象后，仅能对车钩进行判定，将超标钩头送检做RT试验，标准以内钩头做好技术跟踪，至下次维修周期后重新落车检查。这一措施增加了可用钩头的备件储备率，缓解了生产矛盾。但彻底修复车钩还需后续不断的理论计算和试验。尤其针对不同工况施加不同载荷，根据计算和试验结果，对超标钩头实施修复，是真正解决钩头磁粉聚集的未来发展方向。

［1］ 刘玉晶.车钩、缓冲器常见故障的成因与处理［J］.铁道机车车辆，2007（1）：12.

［2］ DIN-EN 1369—1997 Magnetic particle inspection［S］.

［3］ 田贞全.车钩裂纹分析与对策建议［J］.成铁科技，2004（4）：16.

Judgment and Analysis of Gathered Magnetic Particle on Couple Heads of Metro Vehicle

Huang Yan

The case of magnetic particle gathered on couple heads of metro vehicle is introduced，and DIN-EN1369 standard is used to judgethe the magnetic particle gatheringon couple heads，in which SM2 or AM2C gradeare selected as the magnetic particle gathering level，to verify the theoretical calculation，physical and chemical tests.Finally，according to the level of screening，the next stepfor further test is prepared.

magnetic particle gathering；DIN-EN 1369 standard；linear arrangement；rows arrangement；quality level

U 270.34

2013-02-18）