本文摘要：摘要：介紹了兩起貨車軸頸斷裂事故的概況，對斷口特征和斷裂原因作了分析并提出防止對策、建議。 主題詞：貨車軸頸斷裂原因分析 繼1986年、1993年各發(fā)生一起客車軸頸卸荷槽部位

摘要：介紹了兩起貨車軸頸斷裂事故的概況，對斷口特征和斷裂原因作了分析并提出防止對策、建議。
主題詞：貨車軸頸斷裂原因分析

繼1986年、1993年各發(fā)生一起客車軸頸卸荷槽部位斷裂事故之后，1996年又發(fā)生兩起貨車該部位斷裂事故，造成嚴(yán)重后果和巨大損失。這再一次提醒我們，在防止車軸冷切方面，軸頸卸荷槽部位千萬不要忽視。

1事故概況

(1) 1996年9月3日，7419次貨物列車編組60輛、總重5001t，運行到京廣下行線石橋——臨穎間，因機后25位C62M型739221號車(裝煤60t)第3位軸頸卸荷槽部位斷裂后脫軌，使該車及機后26～43位貨車脫軌顛覆，構(gòu)成重大事故。該事故車于1996年1月15日做段修，裝用轉(zhuǎn)8A型轉(zhuǎn)向架、RD2型車軸，斷軸軸號15147;該軸1983年7月制造，同年8月第一次(也是最后一次)組裝，斷裂端軸承為1991年10月壓裝的大修軸承(至段修日已4a90d)，段修時未退卸軸承，應(yīng)對軸頸卸荷槽實施超聲波探傷。斷裂位置在距軸端約195mm處。

(2) 1996年11月3日，2379次貨物列車，列車編組42輛，總重3519t。運行到兗石線朱寶——紅埠寺間，因機后23位C64型4826680號車(裝煤60t)第3位軸頸卸荷槽處斷裂后脫軌。事故車裝用轉(zhuǎn)8A型轉(zhuǎn)向架，RD2型車軸，斷裂端軸承于1994年11月壓裝，段修時未退卸。該車于1996年10月24日段修，至事故發(fā)生之日運行僅10d。車軸是1986年9月日本制造，軸號69393，1987年4月9日國內(nèi)第一次組裝，1994年10月10日第二次組裝。斷裂位置距軸端約201mm。

2斷口特征及材質(zhì)檢驗

(1) 15147號軸斷口形貌及示意圖分別見圖1、圖2。斷口由疲勞源區(qū)、裂紋擴展區(qū)、脆性斷裂區(qū)三部分組成，其中裂紋擴展區(qū)又可分為慢速擴展區(qū)和快速擴展區(qū)，慢速擴展區(qū)疲勞紋細(xì)密，也稱疲勞核?？焖贁U展區(qū)疲勞紋比較粗，是典型的高周疲勞斷裂。疲勞源區(qū)范圍較大，呈半環(huán)型，銹蝕嚴(yán)重、色澤很深(圖1中因拍照光線不當(dāng)而失真)。在該區(qū)內(nèi)可見幾個小階臺，是不在同一個截面上的幾條裂紋萌生擴展相會后形成的，說明是多源的。仔細(xì)觀察共有四個裂紋源。按照裂紋擴展的路線確定源區(qū)1為主裂紋源，其余為次裂紋源。

圖115147號軸斷口形貌

主裂紋萌生后開始擴展，次裂紋在小范圍內(nèi)獨立擴展后與主裂紋交匯。此時次裂紋擴展受到抑制，而主裂紋繼續(xù)擴展，直至斷裂。裂紋擴展區(qū)有明顯的貝狀疲勞擴展線，由此可看出主裂紋的擴展方向。在擴展區(qū)內(nèi)與脆斷區(qū)交界處上方有一塊明顯銹痕，色澤較深，是軸頸斷裂之前形成的。這可能由左邊源區(qū)(圖1)進(jìn)水，因車軸轉(zhuǎn)動甩開形成這個形狀，經(jīng)過一段時間氧化而成的。圖1中脆斷區(qū)內(nèi)的條紋是撕裂棱，不是裂紋。脆斷區(qū)的面積約占斷面面積的34%。觀察斷口的側(cè)面，即軸頸卸荷槽表面，沿圓周方向有腐蝕麻點，大的呈坑狀，直徑和深度均小于1mm，統(tǒng)稱為腐蝕坑。腐蝕坑與裂紋源有對應(yīng)關(guān)系。主裂紋、次裂紋都是從腐蝕坑底部萌生的。經(jīng)高倍顯微鏡觀察，在斷裂面附近的腐蝕坑底部有小裂紋存在。

圖215147號軸斷口示意圖

(2) 69393號軸的斷口是單源疲勞斷裂，形貌比較特殊。由圖3可以看出，在舊痕擴展區(qū)下方的新痕區(qū)內(nèi)，仍可看到明顯的貝狀疲勞擴展線，因此也是擴展區(qū)，不包括在脆斷區(qū)之內(nèi)。實際的脆斷區(qū)如圖4所示，其面積只點整個斷面的11%，脆斷區(qū)有明顯的剪刀唇，這種斷口是罕見的。

圖369393號軸斷口形貌

圖469393號軸斷口示意圖

斷口源區(qū)附近側(cè)表面有明顯的橫向條狀腐蝕痕，深度約為0.1mm～0.2mm，還可見到車削刀痕。

(3) 15147號軸斷裂實物，由檢驗部門作了檢驗分析。其化學(xué)成分、機械性能、晶粒度等均符合規(guī)定。說明該軸的斷裂不是材質(zhì)不良引起的?；仡櫄v年車軸斷裂案例，因材質(zhì)不良引起的疲勞斷裂很少見。

3原因分析

(1) 由斷口分析可知，15147號軸裂紋是從蝕坑底部萌生的，源區(qū)又無其他缺陷，因此，可以認(rèn)為，軸頸表面蝕坑的存在是導(dǎo)致疲勞斷裂的引發(fā)因素。試驗研究表明，試樣表面腐蝕后形成的坑狀缺陷，其疲勞極限比光滑試樣明顯下降。下降的幅度同蝕坑的直徑、深度、底部的曲率及加載方式有關(guān)。試驗還表明，在同樣的表面腐蝕的情況下，以旋轉(zhuǎn)彎曲載荷的疲勞極限下降最多。

蝕坑不同于機械損傷造成的坑狀缺陷，主要是底部存在著微觀缺口。蝕坑半球殼形的幾何形狀和這種顯微缺口的疊加引起微區(qū)的應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋萌生并發(fā)展成宏觀裂紋，縮短了車軸的疲勞壽命。腐蝕底部的顯微缺口，加大了應(yīng)力集中系數(shù)，對裂紋的萌生起到推動作用。由于軸頸卸荷槽部位沿圓周較大范圍內(nèi)存在著蝕坑，它們同樣由底部萌生裂紋，不在同截面的微裂紋擴展成大裂紋，各自形成疲勞源，這些裂紋繼續(xù)擴展與主裂紋交匯，此后次裂紋擴展受阻，主裂紋在交變應(yīng)力作用下繼續(xù)擴展，直至斷裂。

水是普遍存在的化學(xué)介質(zhì)，水和大氣中SQ2、H2、S等介質(zhì)結(jié)合，生成酸性電解質(zhì)，并在被腐蝕部位形成化學(xué)腐蝕原電池。對車軸來說，該原電池以滲碳體為陰極，鐵素體為陽極。在這種原電池的作用下，車軸表面形成蝕坑。因軸承密封不良，水可由密封座、通氣栓以及后擋與防塵板座的配合處進(jìn)入內(nèi)部。因而發(fā)生上述腐蝕過程。

應(yīng)當(dāng)指出，軸表面形成蝕坑，促使疲勞裂紋萌生，縮短了車軸的疲勞裂紋萌生壽命，但從裂紋萌生到斷裂這一段剩余壽命與當(dāng)初的腐蝕無關(guān)，不影響裂紋的擴展速率，即剩余壽命在同樣條件下(如受力條件、裂紋深度相同)的車軸機械疲勞剩余壽命是一定的。

69393號軸的斷裂也因表面蝕坑引起的應(yīng)力集中促使裂紋萌生的。在源區(qū)表面條狀蝕坑內(nèi)，車削刀痕已被腐蝕掉，因此，刀痕對裂紋的萌生沒起作用。由于69393號軸的疲勞斷裂是單源的，說明該軸受力狀況稍好。因此，在同樣裂紋深度條件下，其剩余壽命要長于15147號軸。

(2) 任何金屬材料不裂是不會斷的。但車軸有裂紋存在不一定造成斷裂事故，因為車軸在運用過程中，要按照一定的周期做檢修，絕大部分裂紋軸會被發(fā)現(xiàn)，從而避免斷軸事故的發(fā)生。因此防止車軸斷裂事故，包含著提高車軸疲勞裂紋萌生壽命和及時發(fā)現(xiàn)裂紋兩個方面。

由15147號軸斷口疲勞源區(qū)及部分?jǐn)U展區(qū)的嚴(yán)重銹蝕程度及剩余壽命計算可知，段修探傷時該軸已存在1mm以上的宏觀裂紋，用現(xiàn)行的探傷手段和工藝是可以發(fā)現(xiàn)的。因此，不可排除段修時超聲波探傷漏探與造成事故有關(guān)。至于69393號軸，段修后僅10d就發(fā)生斷軸事故，漏探是不言而喻的。由我們事故后20d見到的斷口實物分析可以斷定，段修時開裂部分已超過斷面的一半以上。

軸頸卸荷槽部位在不退軸承的情況下，用小角度探頭探測，能準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)深度在1mm及以上的裂紋，這是無疑的。RD2型軸頸壓裝軸承后，自密封座與軸頸配合面后端至防塵板座，還有約44mm的空檔。探傷時這部分沒有界面反射波，因此，比客車軸的相應(yīng)部位還容易發(fā)現(xiàn)裂紋。最近的試驗表明，用直探頭能發(fā)現(xiàn)卸荷槽部位深2.5mm的裂紋。

漏探有兩種情況，一種是輪對經(jīng)過探傷有裂紋而未被發(fā)現(xiàn)，另一種是輪對在工藝流程中走了“短路”，即未經(jīng)過探傷。

4主要對策

(1) 兩起斷裂事故的起因均與卸荷槽部位的腐蝕有直接關(guān)系，因而對與此有關(guān)的問題應(yīng)引起重視?，F(xiàn)場檢修輪對中確有卸荷槽部位存在腐蝕坑的，說明軸承密封裝置的結(jié)構(gòu)、制造、檢修質(zhì)量還存在問題，需研究解決。后擋與防塵板座是過盈配合，但不等于密閉，其密封措施也應(yīng)考慮，對軸頸卸荷槽部位應(yīng)采取可靠的防腐措施(如涂防腐材料等)，同時要提高該部位的表面加工粗糙度等級，這對延緩腐蝕有重要作用。此外，對檢修輪對該部位存在腐蝕坑的限度、處理辦法應(yīng)作出嚴(yán)格規(guī)定，不能按一般機械損傷對待。

(2) 客、貨車滾動軸承卸荷槽部分的加工質(zhì)量問題亟待解決。當(dāng)前，全路只有少數(shù)幾個工廠有設(shè)備保證，軸頸卸荷槽部位加工質(zhì)量較好，其余的都不同程度存在能引起疲勞裂紋萌生的質(zhì)量問題。有的車輪廠加工后軸頸圓柱面與卸荷槽連接處形成一個高0.4mm90°的臺階;有的卸荷槽長度不符合圖紙，長或短達(dá)5mm以上。由于多數(shù)工廠圓弧部分是手工趕出來的，車后不能磨，成品幾何形狀走樣，圓弧不圓滑，粗糙度不合格的較普遍。有的廠雖進(jìn)行滾壓，但壓輥圓弧偏小、壓力不均，滾壓后形成梨溝。這些有各類質(zhì)量問題的車軸出廠運用，構(gòu)成嚴(yán)重的斷裂事故隱患。解決加工質(zhì)量問題，一是更新設(shè)備，如配備成形磨床等;二是改進(jìn)工藝，主要是控制軸頸圓柱面的磨削量與卸荷槽深度的關(guān)系，確保圓滑過渡;三是加強對該部位加工質(zhì)量的檢驗，防止有加工缺陷的軸投入運用;四是堅持滾壓，強化表面，提高疲勞強度。

(3) 落實探傷工藝，防止漏探。近幾年，車軸探傷工作在管理、設(shè)備、工藝及工作條件等方面有很大改善，是全路冷切事故穩(wěn)定在每年一二件水平的重要因素。但從現(xiàn)場情況看，還存在一些不容忽視的問題，存在著漏探隱患，要面對現(xiàn)實，采取措施。

防止漏探首先要防止工藝流程中的“短路”現(xiàn)象，這要從整頓修車秩序、理順工藝流程抓起。近年由于流序不合理、趕任務(wù)或設(shè)備故障把該探傷的輪對放出而造成的冷切事故的實例是有的。

對車軸的超聲波探傷采用的是比較法，因此開工前對設(shè)備的性能檢驗是十分重要的。其主要內(nèi)容是檢驗設(shè)備的性能，確定裂紋波的位置(測距)及判定到限裂紋(缺陷)靈敏度。離開這種標(biāo)定的探傷，必定會造成誤判或漏探。當(dāng)然，試塊、實物軸試塊不符合規(guī)定或標(biāo)定之后又改變原來的狀態(tài)，同未標(biāo)定的后果是相同的。

這里要指出的是穿透探傷的雙功能。其一是檢查車軸的透聲性能，以判斷其晶粒度是否合格;其二是發(fā)現(xiàn)大裂紋，這是更重要、也是容易被忽視的。用直探傷探測大裂紋，有的車輛段做了大量試驗，并做出實物試塊，對防止有大裂紋的車軸放出起到了很好的作用，成為第二道防線，很值得推廣。

用斜探頭在軸頸前端圓柱面上探測卸荷槽也取得較好效果。由于橫波特性及探頭與軸頸接觸面好等原因，用斜探頭探傷可能比用小角度探頭探傷效果還要好些。

檢修單位要重視對超探人員的培訓(xùn)，讓工作者真正領(lǐng)會工藝的內(nèi)涵，提高對“波”的識別能力。對發(fā)現(xiàn)的異常波而退卸軸承或入廠的輪對要跟蹤了解，必要時解剖檢查，以積累經(jīng)驗。

(4) 對車軸的深化研究。我國對車軸及其斷裂的研究取得了很大成績。但因沒有1∶1試驗臺，一些通過試樣、計算得出的結(jié)果無法驗證。在不同工況下車軸易發(fā)生斷裂的部位(如鑲?cè)氩糠?的應(yīng)力狀態(tài)，未做過系統(tǒng)的測定。對已有裂紋存在的車軸，其剩余壽命及與裂紋深度的關(guān)系;已斷裂的車軸在探傷時有多大的裂紋;材質(zhì)缺陷、表面缺陷對萌生壽命的具體影響，實物軸擴展速率的測定等問題，都需要試驗研究。當(dāng)務(wù)之急是裝備1∶1試驗臺。

對斷裂軸源區(qū)銹蝕程度與剩余壽命的關(guān)系也應(yīng)開展試驗研究，這對失效分析是很有意義的。

對RD2型軸卸荷槽部位的疲勞強度目前看法不一。從疲勞設(shè)計角度看，設(shè)一個過渡槽對疲勞壽命有利。UIC和ГОСТ標(biāo)準(zhǔn)都有卸荷槽，但形狀各異，日本的JISE、美國的AAR標(biāo)準(zhǔn)則沒有。如果不考慮加工設(shè)備，取消卸荷槽很容易，這需要統(tǒng)籌考慮。若保留卸荷槽，加大前端圓弧半徑可減少應(yīng)力集中系數(shù)，對提高疲勞壽命是有利的。

5結(jié)束語

綜上所述，防止或減少車軸斷裂要抓好設(shè)計、材質(zhì)、冷熱加工、軸承裝配、密封、防腐、探傷、表面保護(hù)和運用條件等多個環(huán)節(jié)，需相關(guān)部門協(xié)同努力。對制造加工部門來說，主要是防裂，即提高車軸的裂紋萌生壽命;檢修部門主要是防斷，在檢修中及時發(fā)現(xiàn)裂紋，防止有超限裂紋的車軸裝車運用，最主要的是防止漏探。