内燃机车辅助传动部件磁粉探伤漏检的对策

纪晓明，李学文

（沈阳铁路局通辽机务段，1.技术员，2.助理工程师，内蒙古 通辽 028000）

内燃机车传动轴和万向轴装配均属于万向联轴器的复合结构，由于其工作条件恶劣，如柴油机经常地启动、停机、转速升降等工况转换频繁，使其承受较大的交变载荷和机械冲击载荷。同时，由于组装工艺控制不当、装配时尺寸选配不合适，造成十字头销游隙过大、润滑不良卡滞、静液压变速箱主轴线与柴油机组的轴线偏差值过大，以及由于焊接工艺不当造成轴身残留焊接应力过大的本身材质问题等等，使所受到的交变载荷和机械冲击相应增大，从而加剧部件的疲劳破坏直至断裂。这些段修组装质量不高和装配检测手段不足等问题，也制约着辅助传动部件的使用寿命。特别是重载提速以来，机车持续高负荷地运行，加剧了内燃机车辅助传动系统的传动轴、万向轴部件的疲劳老化，其中叉接头、十字头销等部件裂损比例逐渐增多，导致机车部件折裂的事故多发。因此，分析该部件磁粉探伤方法存在的问题，在总结经验的基础上，探讨如何提高探伤检测质量，以防止传动部件折裂事故的发生显得十分重要。

1 辅助传动部件裂损的特征

根据一些部件裂纹的磁痕以及机破事故裂轴的断口分析，裂纹的发生主要集中在十字头销、传动轴叉接头、花键轴及花键套4个部件。

1.1 十字头销 十字头销是整个传动系统受力最大的组件之一。制造后期的磨削加工，如果磨削应力变化过大，破坏了工件表面的拉应力，在强大的外力作用下使之产生疲劳微裂纹。裂纹主要集中在圆根部剪切力方向的某一点开始发展，初期都是呈极细浅的发纹状，磁粉聚集不多，显示模糊，沿轴的根部圆周向均匀稀疏分布，最终沿旋转方向扩展至圆根全部被切断。从磁痕的显示特点看，它比较平直、窄细长，宽度均匀，两头不尖锐，磁痕聚集不多且显示模糊，分布均匀稀疏，一般沿轴柱根部的圆周方向分布。在折裂的断口上观察有明显的贝纹区，一般脆断区占截面积的25%左右，个别的脆断区甚至高达40%。如2010年9月1日，DF4D型0309机车X1次修，探伤发现传动轴十字头销圆根部有隐性毛细裂纹20余条，最长达27 mm（如图1所示）。

图1 十字头销圆根部隐性稀疏的毛细裂纹

1.2 传动轴叉接头 叉头裂纹是从内向外裂损发展的，裂纹的产生有2种形式，一是叉头根部内腕侧薄弱区存在原始缺陷，沿旋转方向成45°角逐渐发展，在高速旋转的极大扭矩作用下将叉头撕裂；二是塞焊区存在的未焊透或微小裂纹沿旋转方向扩展至外侧焊口发展，同时裂纹的另一端按剪切力45°角的方向至叉头根部斜向发展，最后在巨大的扭矩作用下超过疲劳极限形成撕裂，造成传动轴折裂。如2010年10月27日，在DF4BK型备品传动轴探伤时，发现一叉接头外侧环焊区表面有3 mm长裂纹，使用平锉打磨后裂纹显示6 mm长，然而在内侧塞焊区显示有半周的环形裂纹，并且斜向接头叉部延伸45 mm，这是典型的内侧焊口疲劳裂纹。

1.3 花键轴 花键轴的裂纹方向一般在花键齿根部与剪切力方向呈45°角单方向斜向发展，偶尔也有锯齿形交叉发展的（见图2）。这是长时期受到交变载荷作用的结果，热处理工艺质量对其使用的寿命影响重大。

图2 传动轴花键部锯齿形裂纹一周

1.4 花键套 花键套平衡槽内的裂纹与剪切力方向呈45°角斜向发展，裂纹有1条至数条不等，也有在槽根部沿圆周方向的机械加工残余应力产生的微裂纹逐渐扩展，是典型的疲劳裂纹。以万向轴的裂纹居多，由于受力较大，具有快速发展的趋向。

2 影响辅助传动部件磁粉探伤的因素

辅助传动部件容易产生应力集中部位一般都发生疲劳裂纹，其扩展速度快、危害性更严重。对于不同的部件，只有认真分析裂纹发展规律，正确地选择探伤磁化规范和磁化角度，才能保证探伤质量。否则极易因探伤方法不正确，使部件探伤不彻底或微小裂纹漏检就装车使用，将会造成辅助传动部件的折裂事故。造成辅助传动部件磁粉探伤漏检的原因主要有5个方面。

2.1 磁化规范选择与探伤灵敏度试验有误区 根据理论和实际探伤经验可知，探伤时的灵敏度除取决于磁场强度、磁化方式、工件的导磁率和工件表面的粗糙度外，还与磁粉本身的性能有关。各探伤器磁化方法不同，其灵敏度和缺陷检出能力也不同，以致对同一部件的裂纹有不同的探伤结果。磁轭探伤器的提升力仅能表示总磁场强度的大小，不能说明磁场强度最弱方向上的磁场强度大小。假如磁轭的提升力已足够，但此时在最小磁场强度方向上磁场强度，可能达不到检出缺陷的要求，造成某个方向上缺陷的漏检。由于A1-15/50标准试片与被检材质不同，评判材质不一的异型工件磁粉探伤灵敏度有一定的局限性，诸如对长径比、退磁因子、磁路上多条导致磁场分布不均匀性的特殊结构工件就有影响。因此，每一种磁化规范都有一定的局限性，对于辅助传动部件这类异形的装配件，由于解体后材质、形状各异，很难以同一磁化规范解决所有部件探伤的问题。

2.2 探伤机的使用及磁化电流选择不当 传动轴属于长度比较大的长杆类空心工件，采用多功能旋转磁场轴向磁化时，为了消除磁极与传动轴接触不良而产生的打火现象，在两端磁极加入了紫铜板或铜网，但铜金属不属于铁磁材料，在磁化工作时导电不导磁。当纵向磁化的电流穿过工件的磁场及磁感应线通过探头到传动轴的端部时，由于紫铜板的阻隔和空气隙的磁阻，工件的磁感应强度减弱，并直接影响对叉接头塞焊区内环面焊口部位裂纹的有效探测。同时，由于磁痕观察的角度存在视觉盲区的问题，不利于叉接头塞焊区内环面焊口部位裂纹的有效检出，容易出现漏探现象。采用旋转磁场探伤花键套、十字头销、法兰盘等结构复杂的盘饼类异型工件，磁化时需要发现任意方向的缺陷，但是各方向上探伤灵敏度不一致，造成根部磁化不足。为了保证在磁场强度最弱的方向上具有足够的灵敏度而提高磁化电流，必然会导致棱角台阶的磁粉堆积而影响磁痕的观察；而磁化电流过小时，易使工件在某个方向上磁化不足，并且漏磁场不足所形成稀疏的磁痕，在工件表面亮白色反光的影响下，不易观察确认，对隐性毛细裂纹的有效检出也难以胜任，而剩磁法磁化方向单一探伤效果也不理想。

2.3 磁化方法和磁场方向选择不合理 磁化方法对裂纹的检出能力有着至关重要的影响，对于异型结构的工件如果不能保证全面充分磁化，势必影响缺陷的检出。漏磁场对磁粉的吸引是磁粉探伤最基本的原理要点，铁磁性材料在外磁场作用下而被磁化，磁力线在工件中传播方向与缺陷垂直于90°时形成的漏磁场最高，假如缺陷处漏磁场达不到一定的强度，就不能完全吸附磁粉而造成漏检。经过现场跟踪观察，发现在十字头销的探伤中，多数探伤人员在使用探伤器操作时，选择对角线方向磁化2次即完成探伤检查任务。由于磁路的走向使磁场不能完全覆盖十字头销圆根部裂纹区域形成有效的漏磁场；而叉接头探伤时仅磁化外侧环焊区，没有兼顾到内侧塞焊区。这种盲目的磁化方法和磁场方向选择很容易造成裂纹漏检。

2.4 干法与湿法探伤选择不正确 磁粉的质量对材质、形状复杂的异型件裂纹的显示能力，有着至关重要的影响。湿法时磁悬液浓度过小时，不能清晰显示磁痕，而浓度过大，则会影响磁悬液的流动性和掩盖磁痕显示。干法时磁粉的磁性不良，会影响吸附能力，粒度过大会影响流动性。根据通辽机务段多人次采用多种探伤方法检测验证结果表明，十字头销圆根部的隐性毛细裂纹，在灵敏度相同的探伤条件下，干法探伤时裂纹的磁痕显示明显优于湿法且易于分辨。干法探伤时由于颗粒较粗的磁粉，在漏磁场的作用下对磁痕的显示有一定的放大作用，磁痕显示清晰直观，易于观察确认；而湿法探伤使用不同的探伤器和磁粉，对磁痕的显示结果差异很大。由于所使用320目以上的磁粉颗粒细小，平均直径为0.045 mm，而裂纹宽度为小于0.01 mm的发纹状，较粘滞性磁粉被吸附后磁痕显示窄细、模糊不清晰，并且稀疏的磁痕，在工件根部圆角处不易确认。

2.5 工件表面不清洁 由于工件不清洁或清洁处理不彻底，在油污残存于圆根被检区域表面以及工件表面油漆覆盖层的影响下，迟滞磁粉的流动性，造成磁粉或磁悬液滞留表面，形成伪缺陷等因素，影响缺陷的有效检出。

3 改进探伤方法

探伤方法的正确与否直接决定了探伤检测的质量，只有针对现场实际情况和辅助传动部件疲劳裂纹发生的规律，采取有效的探伤措施和方法，才能提高检测的准确性和传动部件的使用寿命，杜绝折裂事故的发生。

3.1 正确选择探伤仪 探伤规范选择既要保证有足够的外加磁场强度，又要减少伪磁痕的显现，基于以上各种因素考虑，对于小修机车辅助传动这类结构复杂的装配件，选用电磁轭提升力大于或等于34.32 N的马蹄铁磁粉探伤仪，采用交流连续法探伤即可保证探伤检测质量。该仪器操作简单，不受工件的几何形状限制，可以根据探伤部位随时调整磁化方向和改变磁场强度进行分段检查，有效地防止裂纹的漏检。探伤前须用A1-15／50标准试片试验探伤灵敏度，尽量采用已知最小裂纹的部件试验磁痕显示能力，以确保部件的磁化程度综合显示能力。

3.2 合理确定磁化电流 选用马蹄铁磁粉探伤仪并采用交流连续法磁化探伤时，确定电流值的选取以探伤部位A1-15／50标准试片显示清晰为准，工作有效电流值比饱和磁场有效电流值略小即可。交流电、连续法磁化即可满足材质、形状各异的复杂工件探伤检测，对表面开口缺陷有较高的检测灵敏度，且退磁方便。

3.3 改进磁化方法和磁场方向 根据裂纹易发生的位置和特点选择主探伤面，将十字头销按旋转方向放置并倾斜15°角，适当调节探伤器磁极开度间距，选择相邻的2个销柱磁化并使两磁极与工件充分接触，确保磁力线沿圆根裂纹部位传播且使磁场方向垂直90°于裂纹区域（如图3所示），以提高漏磁场的强度，依次磁化4次，再轴向磁化2次，方可完成探伤检查任务。将传动轴立式放置使叉接头及环焊区朝上（如图4所示），磁化时，对于叉接头部位要尽量使磁力线垂直于塞焊区环面焊口部位和内腕部裂纹趋向延伸方向，才能完全显示裂纹，保证探伤质量。其它工件磁化时，尽量使磁场方向与裂纹的趋于走向垂直，形成最大化的漏磁场；并进行多方向交叉磁化，使磁粉易于流动。

图3 改变磁化方向后的磁路走向

图4 叉接头立式放置的探伤部位

3.4 选择干法探伤提高磁痕显示效果 虽然湿法探伤相对于干法探伤时灵敏度高，但对于窄细的线状裂纹显示不清，容易造成漏探的后果。因此，要根据工件形状和裂纹特点的综合因素考虑优选干法探伤。干法探伤对各种形式裂纹能有效显示，且磁痕显示直观清晰，能够克服基底的模糊不清现象，易于观察。所用磁粉须具有较高的磁导率和良好的流动性，粒度要求为100～250目、磁性称重为6～8 g，要尽量选择较高比例的针状或棒状的优质磁粉，因其在漏磁场的作用下，磁粉的线状链排列弥补了圆颗粒磁粉的不足，使磁痕显示出一定的宽度。

有探伤条件的尽可能考虑优选荧光磁粉。相对于黑磁粉来说，荧光磁粉检验灵敏度高，可见度与对比度好，无论工件背景何种颜色，均呈现鲜亮的黄绿色荧光，易于辨认和提高磁粉探伤质量。

3.5 加强工件表面的清洁 对部件表面使用汽油彻底清洗残存的油污，保证被检面在磁粉探伤过程中清洁干燥。对于焊口表面油漆覆盖层、锈蚀要用脱漆剂处理干净，保证露出基本金属体，以提高缺陷的有效检出能力。

3.6 规范探伤操作过程 干粉探伤时，部件表面应干燥并均匀涂抹滑石粉，将探伤器磁极适当地调节开度后放置于部件上进行磁化，使用撒粉器均匀地施加适量干燥的磁粉于部件有效磁化范围内。施加磁粉时要注意匀细适量，防止过多的磁粉使衬度变坏、掩盖磁痕显示。磁轭的磁极间距应控制在75～150 mm之间，磁化率每次保证有25 mm的重叠率。以小于30 mm/s的速度缓慢移动探伤器，并同时注意观察磁粉流动和聚集的情况。如有异常变化时应改变磁轭开度、调节磁场强度，移动探伤器反复进行多方位交叉探伤检测，正确判断各种磁痕特征。

4 结束语

只有正确地选择磁化方法和优质的磁粉才能提高裂纹的检出能力。通辽机务段赤峰整备车间采取上述探伤方法效果显著。2011年来连续4个月检测出小辅修机车辅助传动部件裂纹14例，其中工厂中修后走行8万km以内发生部件裂纹的就有8例，有效地遏制了辅助传动部件折裂事故的多发。