高频疲劳检测技术在铁路的应用研究

2014-04-11周徐行上海恒德科技有限公司

上海铁道增刊 2014年4期

关键词：车轴试验机裂纹

周徐行上海恒德科技有限公司

周荣祥上海铁路局安全监察室

高频疲劳检测技术在铁路的应用研究

周徐行上海恒德科技有限公司

周荣祥上海铁路局安全监察室

以国际上最新的高频疲劳检测技术在铁路应用为基础，研究其在高速重载铁路上应用。通过德国高铁事故的启示，分析我国高铁和重载铁路金属疲劳可能产生的安全风险，列举了疲劳检测技术的应用前景和具体实例。提出了用进尽量少的安全投入、提供完整可靠的安全保障的观点。

铁路安全；检测技术；设备、部件，寿命预测；事故防范

安全和运输效率始终是铁路运输企业追求的最主要目标，用进尽量少的安全投入，提供完整可靠的安全保障，满足铁路运输安全的需要，以安全技术发展引领铁路科技发展，提高运输效率，是现阶段铁路企业的一项主要工作。使用高频疲劳检测技术提前对设备及设备零部件使用周期、寿命、等安全可靠性指标进行预检测，运用设备管家的理念，对设备实施动态维修，提供满足运输生产安全的保障技术，应该成为铁路安全风险防范主要内容。

1 德国高铁事故教训

1.1 德国高铁事故概况

1998年6月3日，德国ICE884次高速列车发生了高速列车脱轨事故，事故造成101人死亡100人，88人重伤。德铁安全部门发现，事故原因是由于车辆轮箍的金属疲劳突变，导致轮箍的突然断裂。由于当时德铁在对车辆轮对并没有引入强制寿命检测的规章，车轮以及其他走行部的安全检测是完全依靠于常规的返场检修、检测。该事故被定性为轮饼疲劳而引起的责任事故，德铁两位安全主管官员以及负责检测的工程师被以误杀罪起诉。

1.2 德国高铁事故给我们启示

（1）高铁所有零部件都必须有严格的检测规定，涉及安全的关键部件必须进行强制检测。事故发生后德铁施行了高于以往10倍的检测频率，来找寻安全隐患。现在，德联邦铁路局要求所有行程超过3万km的车轮每周都要强检。

（2）以现有的技术手段，涉及金属结构的零部件导致的事故都可实现事前预防，但由于现有规章不完善，没有做。

（3）通过对设备零部件的事先检测，能有效发防止事故发生，是规避高铁和重载列车安全风险，防范的事故发生的有效手段。能以最经济的投入，获取最大的安全效益。

2 威胁我国高速和重载铁路运营安全的主要问题

分析国内高速和重载铁路响运行安全的隐患主要集中在以下10个方面:

①列车配件裂损脱落；②零部件失效；③信息数据错误；④列车控制系统（也包括是制动系统的材料）故障；⑤防灾设备不稳定；⑥建设、施工、养护问题；⑦外物侵限；⑧火灾；⑨弓网故障或停电（弓网材料的质量与匹配）；⑩外部环境。而这十个方面问题中至少有3项（列车配件裂损脱落、零部件失效、材料质量）与金属材料检测有密切相关。并且这3项是高铁和重载运行安全中最常见最容易发生并导致严重后果的问题。比如在济南、福州发现的轮对裂纹、在京沪高铁发现的skf轴承烧轴、以及高铁扣件断裂，路基钢棒打出等安全隐患都和金属材料和零部件的事先检测有直接的关系。

3 铁路器材零部件或材料失效因素分析

3.1 常见零部件或材料失效原因

（1）生产因素：材料、铸造、铸造、喷砂、焊接、滚压、锻造、烧结、切割、打磨、机加工、热处理、镀膜情况。

（2）结构因素：凹痕、孔位、尺寸、硬度、载荷、负载应用、紧固形式；

（3）操作因素：

①机械压/拉历史：拉伸、弯曲、扭转、频率、振幅、随机性、静载荷、旋转弯曲、持续时间。

②热条件:温度、梯度、热条件、不变与交变。

③环境条件：阳光、腐蚀与放射。

3.2 在失效原因中腐蚀产生疲劳源而导致断轴情况最常见

2008年7月，德国ICE的断轴事件就是这个原因（见图1）。国内1996年9月3日，7419次列车在京广线机后25位，车号C62M739221(装煤60t)第3位轴颈卸荷槽部位断裂，致使机后25～43位货车脱轨颠覆的重大事故。也是此原因导致，该轴1983年7月制造、8月上车使用，断裂位置距轴端约195mm处。断口由疲劳源、裂纹扩展、脆性断裂三部分组成，段修违规应探伤而未探伤是导致事故的主要原因，但从断口分析知，轴表面形成的蚀坑，促使疲劳裂纹萌生，缩短了车轴使用寿命。因此如何通过模拟车辆零部件实际工况，通过疲劳试验，科学确定车辆零部件的使用周期，是从源头防止事故发生的最有效措施。

图1 德国ICE的断轴情况

4 欧洲对铁路零部件检测体系

4.1 完善的法律体系

对铁路零部件检测全部由国际铁路联盟统一制订，并以法规的形式公布（见图2）。

图2 国际铁路联盟统一制订的法规

根据这些法规德国及欧洲铁路规定了以下内容为铁路部件、零配件、结构件强制试验项目包括:

（2）裂纹扩展试验---在部件、零配件、结构件已经产生缺陷情况下，在指定的工况下失效寿命。

（3）强制破坏试验---确定部件、零配件、结构件寿命极限在指定的工况条件下使用多少时间（或运行多少公里）失效。

德国及欧洲铁路通过这些强制试验对部件、零配件、结构件安全控制防止事故发生。

4.2 典型部件的疲劳试验（以铁科院已经引进的检测设备为例）

走行部具有代表性的零部件强制疲劳试验--不同车型的车轴疲劳试验。

（1）欧洲电力机车及德国高速城际铁路车轴(ICE)车轴结构示意图见如图3。

图3 欧洲电力机车及德国高速城际铁路车轴(ICE)结构

结论：欧洲电力机车及德国高速城际铁路车轴的结构与国内现在所使用的车轴结构是一样的。

（2）试验用的“车轴轮饼旋转弯曲试验机”主要测试：车轴与轮饼接触面以及轮辐的疲劳强度，可用于时速500km，单轴载重100t车轴测试。

美国成为独立国家后，国会建议全国人民每年庆祝感恩节。乔治·华盛顿建议把11月26日的这天定为感恩节。1863年，在漫长而血腥的内战结束时，亚伯拉罕·林肯要求所有的美国人把11月的最后一个星期四作为感恩节。

（3）机车车辆运行状态车轴应力梯度分析，表明试验机工作原理是仿真机车车辆在高速运行状态的受力状况（见图4）。

图4 机车车辆在高速运行状态的受力状况

4.3 金属零部件疲劳（包括腐蚀老化）导致的构件破损、裂纹、失效及使用预期寿命试验

（1）适用范围：广泛适用于各类金属构件及零部件的试验：如钢轨及配件（包括扣件鱼尾板螺栓等），防护网（包括主、被动网）道岔（含结构和转辙部分），钢结构桥梁、框架，机车车辆转向架、车底架、传动部件和支撑悬挂部件等，接触网接触悬挂设备、支持设备、立柱，以及铁路使用的各类金属构件的试验检测

（2）工作原理：利用电机产生的高频震动，和预加载的力，通过力传感器、位移传感器、温度传感器和加速度传感器模拟测定自然条件下的高速、重载列车运行时的实际工况，解决其他试验机不能模拟列车运行状况的问题，经破坏性试验还能准确判定设备或失效状态，且可以通过在设备和零部件上设置裂纹沙眼等等缺陷，有效判断设备在已产生缺陷或存在隐患情况下失效寿命和突变情况，防止突变导致更严重安全问题。

（3）试验设备，采用目前中铁科学院已经使用，并以此拟订定标准的是德国Sincotec公司为德铁和欧洲铁路设计制造零部件试验用的电机式高频疲劳试验机。

4.4 试验实例

（1）车轮的3点弯曲试验。使用专用夹具对轮对所承受的压力、冲击力，表面接触应力进行3点弯曲试验，观测金属结构疲劳变化，准确判定轮对在高速或重载情况下（通过高频震动和加压设定所需的速度和载荷）连续运转时间走行公里，及轮对使用寿命，及轮对发现裂纹、沙眼等缺陷后可继续运行的条件确保运行安全（见图5）。

图5 车轮的3点弯曲试验

（2）故障失效试验，这是模拟设备、零部件、结构件已经发生（裂纹、沙眼等）故障情况下还能继续运行直至失效发导致事故的条件的试验，观测其在已经发生（裂纹、沙眼）等故障情况下设备还能在什么条件下继续运行并确保运行安全。

（3）特殊需求试验主要是针对特殊环境的试验要求，通过环境模拟，能满足设备、构件、零配件在15000C高温环境条件下和-500C低温，工况条件下的疲劳试验，以及带有酸、碱、腐蚀工况条件下的疲劳试验（如沿海铁路金属构件容易腐蚀）和失效情况。

通过以上试验能科学确定设备维修周期。

5 高频共振疲劳试验机的特点

车轴轮饼旋转弯曲试验机和电机式高频疲劳试验机都属高频共振疲劳试验机其共同特点是：

（1）快速试验，可以达到上百赫兹的试验频率，对于需要大量试验样本数据来得到的零部件寿命预估计算可以以最快的速度得到零部件的寿命曲线。

（2）准确的失效监测，使用包括试样在内的整个结构体系的共振频率作为试验设置频率，其中试件是最弱环节。当试样开始出现早期裂纹时体系内的共振频率会相应降低，达到设置偏差时,说明试件出现裂纹，设备自动侦测，从而在第一时间得到失效信息，了解最初的失效点，研究裂纹扩展过程，确定零部件使用寿命；也便于准确判定事故原点，采取控制措施防止同类事故重复发生。

（3）能正确模拟列车高速重载运行的实际工况，高频共振疲劳试验机与所有试验机不同的是,高频共振疲劳试验机通过高频共振，模拟和列车运行相同的工况，特别是高速和重载条件这是其他所有试验机单机所不能实现的，特别适合铁路设备的零部件试验使用。

（4）适应范围广，通过转换夹具就能实现各类零部件的试验，一台设备能进行各种零部件的试验，做到一机多用，即适用于科研单位的试验测试，新产品研制，也适用与生产单位对产品的自验，或使用单位对采购产品的复验

（5）极低的能耗，和所有试验设备相比高频共振疲劳试验机能耗是最低的，使用共振测试，只需要非常小的能耗就能达到最大的试验载荷，相当于同类试验机所需能耗的5%-20%，办公楼的供电就能满足试验的需求，这大大节约了建设和试验成本，为在办公楼建试验室提供了可能。实现试验办公一体化。