降低车轴故障率的创新方法

原宇博

(贵阳市城市轨道交通集团有限公司 贵州 贵阳 550000)

0 引言

2000年以来，欧洲铁路运营商不管是客运、货运和高速列车均报告了车轴断裂事故。2009年夏天，一辆运送危险货物的货车在意大利发生事故，导致人员受伤。在所有事故的后续检查过程中都会指出存在腐蚀、运营载荷定义、维护操作步骤等方面的问题。

铁路车轴通常连接的部件有车轮、轴箱、齿轮箱等，如图1所示，车轴是影响列车运行安全的最关键零部件之一，由于车轴失效易导致严重的伤亡，设计者和运营方一直在尽量减少车轴在使用中发生失效的可能性[1]。为了确保车轴的可靠性及确保其满足适当的性能，应明确定义轴桥的疲劳极限。此外，还需要创新的方法和技术来快速有效地检查车轴，而不需要让列车停运几天，这在目前是一项重要的维护成本。

图1 车轴的连接部件

欧洲轮轴联合会(EURAXLES)旨在将铁路轮轴故障风险降至最低水平，为了找到确定铁路车轴疲劳极限的实用解决方案，以在不降低安全要求的情况下降低维护成本，主要开展了以下几个领域的研究[2]：

(1)确定现有和新钢种疲劳极限的创新方法，包括安全考虑。这些开发将有助于提升欧洲铁路车轴和车轴标准。

(2)改善车轴粗糙度的设计，包括根据环境要求开发油漆和涂层创新解决方案。油漆附着力的改善将提高铁路车轴的抗疲劳性。

(3)简化的无损检测技术允许在列车底下进行检查，而无须任何拆卸和列车停运。这些方法需要验证，并便于检查，允许使用显著提高的安全等级进行测量。

研究活动产生了更好的车轴设计验证和检查技术，优化了车轴产品成本及安全特性。

1 新的车轴疲劳设计方法

1.1 表征服役载荷下真实车轴严重程度的方法

考虑到负载幅值的可变性和车轴使用的可变性，法国国家铁路公司(SNCF)开发了一个在线轴重测量数据库，以便更好地了解实际服役载荷的变化性。该项目获得了Dynotrain(火车动力学项目)和Hembot(现代火车高效动车转向架研究项目)项目的数据，SNCF同时组织了一个测试活动，增加了在法国运行的客车的数据。车轴通常的受力如图2所示，包含轮轨间垂向载荷Q1、Q2，轴箱垂向载荷P1、P2，轮轨间横向载荷Y1、Y2等。法国国家铁路公司从这些载荷数据中，提取出了两个简化的代表性载荷谱，并分发给合作伙伴进行进一步分析。同时，提出了一种轴疲劳载荷的分析方法，参数分析结果显示了对所选损伤规律的显著敏感性。通过对小比例样品进行可变振幅载荷实验，这种损伤规律得到了精确的模拟和表示。然后，在定义车轴寿命基本情况和虚拟用途的基础上，SNCF提出了一种估算负荷严重程度真实分布的方法。最后，将该方法应用于SNCF客车，并根据负荷严重度分布估计出了标准负荷(定义在EN 13103/13104中)的严重度为P1=3.6×10-5，并估计了在用故障概率(Pf=3×10-8)。

图2 车轴受力示意图

1.2 车轴数值验证过程方法

通过定义待测试和模拟车轴及台架的详细几何形状后，生成了拖车和动车车轴的数值模型，并与试验进行了比较，结果如图3所示。EN 13103/13104中定义的过渡部位相关的应力集中因子低于通过有限元计算获得的应力集中因子(大约低18%～20%)，有限元法得到的凹槽应力也不同于按照EN 13103规则得到的应力。与此同时，试验结果也表明，疲劳极限在标准中被低估，因此当前的设计过程仍然是安全的(这也可以从该领域反馈的经验来说明)。对过渡部位进行的参数分析使团队能够根据车轴几何参数完善求出应力集中因子的公式。团队还对整个轮对进行了仿真，给出了如何在车轴验证过程中使用有限元法以及如何生成相关有限元模型的建议。

图3 不同计算方法的应力集中系数对比

1.3 评估车轴实际服役可靠性(故障率)的方法

Polimi提出了基于欧洲规范标准的半概率方法(semi-probabilistic)作为验证车轴设计的方法。该方法使用测量得到的“代表性载荷谱”，并使人们能够根据材料疲劳极限的分散性和载荷不确定性的简单假设，提出验证过程中要定义的最小安全系数。SNCF提出了基于应力和强度干涉分析的第二种全概率方法，以估计车轴的故障率，同时考虑了疲劳极限分散性以及负载严重程度的真实分布。使用SNCF客车拖车车轴作为应用对象，采用前期得到的材料特性和载荷测量方法来评估其故障率。结果表明：计算出的故障率相对较小，其数量级与真实使用情况相当吻合。

2 铁路车轴疲劳极限评估的新测试方法

研究前期通过试验测量出车轴的疲劳极限，这些信息是设计中的主要输入。该研究考虑了由标准材料(A1N和A4T)制成的车轴，并从统计角度定义了测试和分析获得数据的标准方法，以便将来能够在新材料或新表面处理的鉴定中应用相同的方法。

实际测试中考虑的车轴状况是标准精加工表面的车轴，其轴身(自由表面)与进行车轮、制动盘或轴承压配的轴座分开评估；在压配位置，当大弯矩施加到车轴上时，部件的耦合会产生相对微小的滑动并由此产生摩擦力，最终导致局部磨损和轴座侧面可能产生的微小裂纹，这种现象被称为摩擦磨蚀，其结果是疲劳极限会显著低于轴身，试验的压配轴座平均疲劳极限(F4，A4T轴，直径比1.12)为124 MPa，如图4所示，图中右侧为在磁粉探伤试验结束时发现的表面裂纹，疲劳极限结果低于欧洲标准中给出的值(132 MPa)。这种疲劳极限降低现象的严重程度更多地取决于车轴的几何形状(轴座-轴身直径比)，而不是材料本身；为此，团队定义并测试了不同的车轴几何形状。研究了微动疲劳的理论建模，为评价裂纹萌生的可能性和裂纹扩展的评估提供标准，并提供优化设计的工具。

图4 直径比为1.12的F4 A4T车轴的阶梯疲劳试验结果

研究的一个重要主题是可以提高车轴表面防腐蚀能力的解决方案，为此，提出了一些表面处理技术(喷砂加工，增加粗糙度等等)，因为类似的解决方案会对表面疲劳极限产生影响。

RAFIL工厂制备了两批1/3比例的车轴，并由SNCF进行测试，第一系列的最终粗糙度Ra为3～4 μm，第二系列的粗糙度为6～7 μm。较低粗糙度比较高粗糙度(分别为340 MPa和363 MPa)显示出稍低的疲劳极限。产生差异的原因应该是：为获得更高的粗糙度，喷砂压力增加使残余压应力增加。因此喷砂工艺可能会增加标准轴桥表面的残余压应力，从而提高疲劳极限。

此外，对未上漆的腐蚀表面F1(过渡和凹槽)A1N车轴的疲劳极限进行了疲劳极限测试。从行驶了106km的客车上取下10根未上漆的使用约10年A1N车轴。疲劳试验的结果显示平均疲劳极限相比新车轴降低了近13%，标准偏差增加了约18%。

3 最小化腐蚀影响的方法

研究了轴表面的常规和新制备条件，以提供涂层体系的良好黏附性，并找出表面性质与涂料体系黏附性之间的相关性。Bonatrans、BVV、CAF、GHH、Lucchini和Valdunes等公司制备了183份样品，并在试验中进行了分析。ENSCL和UNIUD大学对选定的16个不同样品进行了进一步的实验室测试，以评估涂层系统的保护性能，并试图将其与表面条件联系起来。表面处理和附着力测试之间的相关性无法明确解释。获得的结果主要取决于涂料体系。只有在电化学测试之后，才观察到样品之间的一些差异。喷砂处理对附着力的改善效果最好，SNCF的进一步盐雾试验也强调了这一结果。

研究了其他行业的替代性和创新性油漆和涂层解决方案，特别是海洋等对防腐要求高的行业。对发现的方法进行了使用条件、环境影响、成本效益和使用限制方面的分析。评估结果表明，只有少数技术值得进一步研究是否可用于轮对车轴。建议对以下涂层系统进行进一步研究：热喷涂(电弧喷涂或火焰喷涂)锌铝涂层；冷等离子渗氮；镍/碳化硅纳米涂层。

所进行的调查表明：所有这些涂层系统都有良好的防腐性能。然而，进一步的研究应包括涂层系统是否需要面漆以更好地抵抗碎石冲击，这种面漆可能是传统的涂层系统。

此外，还研究了可剥离涂层。可剥离涂层用于临时防腐。这些涂层系统的特征是它们容易被快速去除。因此，在涂层损坏的情况下，修复比较容易。检查轴表面时，涂层也很容易去除。采用合适的维护理念，可剥离涂层可能是有意义的，还需要进一步研究。

4 在役车轴的无损检测和可靠性验证

适用于改进当前检验的有以下技术和方法：超声相控阵技术、合成孔径聚焦技术(SAFT)、POD模拟、用于表面裂纹检测的感应热成像、状态监测。

相控阵技术已经广泛应用于大修中实心轴的自动超声波检测，特别是轴的圆柱部分。相控阵探针被应用于端面测试，并且与传统探针端面测试相比可以展现出相当大的优势。一种新的相控阵方法，即所谓的采样相控阵(SPA)和一种特殊的噪声消除算法(eRDM)，与传统的相控阵技术相比，允许显著提高信噪比。在使用大角度扫描技术对装配和涂装车轴进行检测的情况下，SPA的好处尤其明显。这对于轻度维护列车上的车轴检测特别有意义，因为在轻度维护中，去除超声波探头接触面上的涂层并不方便。有了这项新技术，火车上可以进行大角度扫描，并且能够节省时间和成本。使用这种运输便捷和灵活的设备对实心车轴进行100%检查，可以作为固定式检查系统的一种相对经济的替代方案。

对于空心轴检测，目前的研究活动由DB开展，旨在将相控阵技术与SAFT方法相结合，用于分析例行检查中发现的超声缺陷。这两种方法的结合允许通过计算显示几何缺陷的重建图像以及在裂纹情况下的裂纹尖端信号，以区分错误指示和裂纹。区分裂纹和错误指示对于避免在指示原因不明的情况下拆卸车轴非常重要。这样，空心轴检测变得更加有效。除了超声波指示的分类之外，通过评估大约2 mm深度裂纹的裂纹尖端信号，可以确定检测到的裂纹的尺寸。

检测方法的缺陷检测能力可以通过其检出概率(POD)来表征。然而，POD的试验测定非常耗时和昂贵。为了减少POD测定的工作量，模拟工具是一种合适的手段。如果所应用的检测技术的POD是已知的，检测间隔可以被优化并建立得不那么保守。一般来说，模拟工具对于优化检验技术和支持验证过程非常方便。

除超声波外，磁粉检测(MT)还适用于车轴检测，尤其是实心车轴检测。然而，到目前为止，磁粉检测必须目视评估，因为目前没有全自动系统存在。此外，磁粉检测需要荧光粒子液体，必须在检查后处理。这些缺点可以通过感应热成像来克服，感应热成像可以实现自动化，这是进一步处理热成像数据以抑制干扰影响和利用热成像图像序列的时间变化所提供附加信息的先决条件。

对于未来的维护概念，应该从常规维护转向基于条件的维护。从安全角度来看，最重要的目标是在严重缺陷导致车轴故障之前及时发出警告，这可以通过在线监测来实现，在线监测也是记录可能导致车轴寿命计算中未考虑到的意外异常事件的适当手段。完成这项任务的可能方法是集成超声波探头或传感器，记录结构声和从加速度传感器收集的信息。

5 结束语

国内车轴设计者一般依据EN 13103/13104标准进行车轴设计，通过借鉴欧洲轮轴联合会提出的新的车轴设计方法，可确保车辆车轴能够承受车辆施加的载荷，从而减少车轴状态的恶化，降低车轴故障和车辆事故的风险。

国内铁路车轴包括高铁车轴普遍存在有机涂层容易受到环境和碎石撞击破坏的情况。上文介绍的更加坚固的涂层系统(通过对各种创新涂层的研究)，确保车轴上涂层的黏附性，从而提高车轴长时间使用后保持疲劳性能，能够显著降低车轴故障和车轴故障引发事故的可能性，从而减少造成的伤亡人数。国内设计人员可借鉴经验并开展这些方面的研究，以降低车轴在寿命中后期的故障概率。

我国铁路客运量大，超载严重，第一时间检测出车轴服役过程中出现的缺陷非常重要。上文介绍的无损检测方法，使更精确地测量车轴状况和检测缺陷成为可能。该技术在故障发生前检测出可能的故障，从而减少车轴故障和事故。可通过借鉴国外车轴检测方法，研究旧钢的疲劳性能和裂纹产生和扩展机理，为众多在役车轴检查提供一个优化的方案。