高速动车组空心车轴建模及超声波探伤处理分析

王玉辉 李志平 高艳艳

摘要：本文建立了高速动车组空心车轴的有限元模型，并且给出了动车组空心车轴超声波探伤作业时的处理分析。

关键词：高速动车组；空心车轴；超声波探伤

1、概述

现代高速列车的速度越来越快，轮轨所受到的动应力将明显增大。我国现代高速动车组都是采用空心车轴，主要目的就是当速度提高时会带来很大的震动和冲击力，为了减小这种伤害，就必须减轻车辆轮对的簧下质量。一旦动车组车轴受到损伤，就可能造成车毁人亡的严重后果。在实际中车轴的损伤大部分都是由疲劳引起的[1]。虽然车轴损伤大部分都是由疲劳引起的，属于疲劳构件，但在动车组运行过程当中经常存在意外的损伤，比如高速运行时会有较大的尖锐硬物撞击车轴，就可能对车轴造成较深的切口，切口不被发现或处理，车轴裂纹就可能进一步扩展，最终造成车轴断裂，酿成悲剧。因此对高速动车组空心车轴裂纹扩展的分析研究是很有必要的。

在国外，高速铁路已经有了几十年的运营历史。德国是最早制造和使用动车组的国家，制造技术一直处于领先地位。常见的动车组有日本新干线、德国 ICE、法国 TGV 等等。这些国家对空心车轴的研究比较早。上面的这些国家都建立了完善的空心车轴的检测系统，保证了车轴的运行安全。在我国，高速铁路技术越来越成熟，对于高速动车组空心车轴的研究也有一定进展，并取得了一定成绩。

2、建立高速动车组空心车轴有限元模型[2]

高速动车组的动力形式可分为动力集中和动力分散两种，动力分散又分为动力完全分散和相对分散。动力完全分散的动车组全是动车，动力相对分散的动车组既有动车又有拖车，因此轮对既有动力轮对，又有非动力轮对。根据动车组转向架的结构可知，动力车转向架有牵引电机，牵引电机驱动齿轮箱，车轴转动，车轴上还有两个制动盘；非动力转向架只安装两个或三个制动盘，因此非动力车轴比动力车轴暴露在外面恶劣环境的机会跟大，受到外界硬物的撞击的可能性也跟大，因此在这里分析非动力车轴，并对空心车轴建立模型。

根据计算及经验可知空心车轴表面的应力分布状态，对于空心车轴表面应力最大部分分布在轮对制动盘和轮对车轮靠左中间。为了更好的建立空心车轴的有限元模型，在车轴应力最大部位设置一个异物的损伤缺口，位于空心车轴的中段。根据现场数据得知空心车轴的实际尺寸，将实际尺寸用SOLLD95划分网格，采点30节点，然后开始加载空心车轴轮对的有限元模型。

为了分析车轴表面应力分布，采用EN13103标准规定的恒幅疲劳载荷考虑车轴最危险的载荷情况，根据EN13103标准对空心轴有限元模型进行加载，在左侧轮对施加全約束，然后进行车轴断面应力分析。

3、动车组空心车轴超声波探伤处理分析

动车组空心车轴探伤管理信息系统采用基于TCP/IP的Soap协议，通过开放Web Service，用于接收配属于各动车基地、所的动车组空心车轴超声波探伤设备的性能校验记录、探伤检测数据、缺陷记录、设备运行记录、设备维修记录、配件更换记录等信息，并加以整合统计。然后以一定的组织方式、按权限分配通过各计算机上的Web浏览器展示给予各铁路部门，以便于各部门统一、科学、有效地对动车组空心车轴超声波探伤设备的运用进行管理。

根据铁路部门作业管理要求、检修车间数据传输不稳定性、车轴探伤专业性较强等特点进行设计的，以下对重要功能模块进行描述：

1） 自动接收模块：接收从空心车轴探伤设备发送过来的数据，此模块需要考虑网络环境的不稳定性及数据量较大的问题，在网络不稳定时需要及时清除错误数据或者进行数据重转，数据正常接收的情况下要根据作业计划进行数据插入。

2） 数据交换互模块通过该模块，本系统可以与其他系统进行车组、车轴、作业计划、探伤记录、车轴缺陷记录等数据的信息交换。

3） 作业计划管理：目前动车所进行探伤作业的作业计划大部分是技术专职通过手动方式，需要结合较多的数据进行判断生成的，需要花费较多的精力，而且出错的可能性较大。为了帮助技术专职较快完成作业排班，本系统通过结合各项基础数据，提供探伤预警功能，按照技术专职的要求，可以较快地生成作业计划。

4） 电子会签功能：在此之前，各项作业记录、设备的性能校验记录、设备的维修记录、缺陷报告等，需要从主管副段长、所长至探伤工、辅助工等各方人员进行现场会签，组织难度大，花费时间长，而且是纸质版的。不但占用存放空间、浪费了大量时间，而且耗费了人力、精力，具有非常低的性价比。本系统具备的电子会签功能可以解决该困难，使相关人员从这些事务中挣脱出来。

5） 作业控制流程： 从作业计划生成、下发、作业执行、记录上报、记录确认、记录审核、缺陷二次分析、数据显示等各个环境节，本系统都为其设计了过程控制，保证数据使用的合法性。

6） 权限规划：为了防止数据被非法访问，本系统从横向和纵向对各方人员的角色类型进行了细致的规划，同时采用灵活多变的权限分配方式，各个段所可以按需求对各个岗位人员的权限进行分配。从纵向来看，按行政级别，各层级只能访问本层级及其下层级的数据，而下层级无权限访问上层级的数据。从横向来看每一个工种按其业务进行角色划分，各人员可以具有某个或者某几个角度，保证各业务人员只在其业务范围内进行数据查看和操作。

7） 数据及统计的展示功能：可以按人员、设备、被检测对象（按车组、按车轴）进行数据记录的展示，对各铁路分公司的基础数据进行归并、整合，然后按特定的要求进行展示。

8） 二次分析服务功能：探伤人员在检测车轴时如果发现带缺陷的车轴但任然对自己的判断存在疑问时，可以将有疑问的探伤数据发送给资深专家进行二次分析，资深专家可以在平台上提出意见和建议。

4、总结

高速动车组空心车轴裂纹缺陷的预测、及时的预防，对高速动车组安全、快速运行起着至关重要的作用。动车组空心车轴探伤是动车组运用检修体系的重要组成部分。建立动车组空心车轴探伤管理信息系统对于空心车轴超声波探伤设备高效安全运用，及时快速处理有缺陷车轴具有重要意义。（作者单位：湖南铁路科技职业技术学院）

基金项目《湖南省教育厅科学研究项目：《高速动车组空心车轴疲劳裂纹扩展分析与剩余寿命预测研究》（13C595）》

参考文献：

[1]李炳华，杜欣. 高速机车车辆车轴的疲劳设计[J]. 内燃机车2000，311，14-20.

[2]周素霞， 高速列车空心车轴损伤容限理论与方法研究[J]. 北京交通大学. 2009.

[3]中国铁路总公司运输局.《和谐系列动车组空心车轴超声波探伤规程》铁总运 2013号 文件.