铁路货车轮轴无损检测技术研究

赵金海

（国能铁路装备有限责任公司肃宁车辆维修分公司，河北沧州 062350）

0 引言

铁路货车的轮轴作为连接车体和车轮的重要部件，具有传递货车动力、承受货车冲击和振动，以及支撑车体重量的功能，因此铁路货车的轮轴成为货车安全的关键部件[1]，其质量问题直接影响铁路运输的安全。现阶段我国重载铁路实现突破式高速发展，铁路货车轴重逐日加大，铁路货车运行中轮轴的质量保障越来越得到高度重视。于是，对铁路货车轮轴进行定期检测和日常运行监测十分有必要。铁路货车轮轴无损检测技术充分利用物理学中的电磁声光等原理，能够全面检测和分析被检测轮轴的不均匀性以及内部损伤问题，因此，铁路货车轮轴的无损检测技术具有十分重要的应用价值[2]。

1 铁路货车轮轴损伤问题分析

铁路货车轮轴的内部结构分为车轴与车轮两部分。车轴的损伤问题有很多，比如车轴出现磨伤和裂纹，发生折损、弯曲变形和轴颈辗长等。车轮的损伤问题也有很多，诸如车轮踏面与轮缘出现磨损和裂纹，车轮踏面发生粘有熔化金属、擦伤、缺损、剥离、碾宽和局部凹陷等[3]。

1.1 圆周磨耗超限

圆周磨耗所表现的形式有表面疲劳磨耗、磨粒磨耗、微动磨耗以及黏着磨耗等。圆周磨耗所产生的原因来自货车车轮与钢轨之间的滚动摩擦，如果货车车轮两端磨耗相当，则属于正常磨耗的形式，如果货车车轮两端存在偏磨耗现象时，多数情况下只有一端车轮轮缘超限与轮径差存在超限，则构成非正常磨耗。根据日常车轮轮轴伤损维修情况统计，多于80%的伤损由非正常磨耗造成，尤其在专用路线上的货车，很少有调车作业，在单向运行过多的情况下，线路曲线内侧的货车车轮，极其容易发生严重偏损耗问题，因此货车车轮轮轴发生偏磨耗的主要原因是货车多次运行在单向和有曲线的同一线路上。

1.2 踏面剥离

踏面剥离大致有接触疲劳剥离、局部接触疲劳剥离、局部擦伤剥离以及制动剥离四种形式。

第一种接触疲劳剥离指车轮因表层丧失承载能力而开裂，形成层状剥落。当货车处于重载状态，货车车轮由于连续高速运行，货车车轮所具有的机械能转化为车轮和轮轨的热能，货车车轮部分的热能会增加轮轨间的动载荷，巨大的动载荷使轮轨接触面产生较大的塑性形变，在货车车轮表面超出弹性极限达到韧性极限的情况下，货车车轮表面因为承载能力丧失导致货车车轮表面开裂，进一步造成层状剥落的状况，接触疲劳剥离由此发生。

第二种局部接触疲劳剥离表现为货车车轮踏面因为斑状剥离而产生的货车车辆局部凹陷问题，该情况极其容易使货车车轮发生品质恶化现象。当货车车轮踏面圆周上产生裂纹再进一步使金属块脱落时，则会发生货车车轮接触性疲劳剥离的现象，还有一种是货车车轮具有相对较大的硬度和强度，当货车重载并高速运行时，货车车轮踏面极易出现条纹形状的裂纹，长工作时间后会导致货车车轮踏面出现斑状剥离的现象。

第三种局部擦伤剥离与第四种制动剥离都是因为火车车轮闸瓦制动使得车轮踏面出现碎裂纹状导致的，该现象属于重度踏面剥离，严重影响货车运行安全，危害性极大。因此，货车车轮损伤的重点研究方向之一是对货车车轮局部擦伤剥离与制动剥离。

1.3 裂纹

货车车轮裂纹大致包括制动热裂纹、疲劳裂纹、辐板孔裂纹、轮辋疲劳裂纹及掉块四种情况。

第一种制动热裂纹主要是因为货车车轮制动发热导致。货车受到制动，车轮轮轴温度升高，在高温下车轮容易出现塑性变形，制动停止后，车轮又快速降温，若是货车频繁制动，则很容易导致车轮热疲劳伤损，发生车轮制动热裂纹。制动热裂纹的形状显示刻度状，当出现主裂纹扩展向内时，制动热裂纹出现转向现象，容易造成踏面浅层掉块等车轮损伤，当踏面热影响比较深时，热疲劳应力会主导疲劳裂纹的扩展，造成制动剥离，该情况下若是没有及时检修，会很容易造成径向崩裂，导致对货车产生更大的危害性。

第二种疲劳裂纹由货车车轮表面裂纹加速扩展而形成。如果货车车轮出现热裂纹向径向扩展的问题，货车车轮与轨道的接触面附近区域内，会容易出现非金属夹杂物等冶金缺陷问题，导致货车车轮与轨道接触面处的裂纹源快速成核，同时加快裂纹的进一步扩展，进而导致疲劳裂纹的产生，货车车轮的疲劳裂纹对货车车轮的危害性极大，绝对不能忽视。

第三种辐板孔裂纹属于货车带辐板孔的车轮由于擦伤而产生的辐板孔处裂纹。现如今的货车带辐板孔的车轮已经下线停产，只是仍有部分带辐板孔的车轮在运行中，从货车车轮轮轴维修的角度分析，带辐板孔的车轮多存在裂纹，并且存在裂纹的辐板孔，裂纹相应的地方都有擦伤痕迹。对于已存在裂纹的车轮，货车运行中由于制动令辐板孔处产生比较大的振动力，容易引发裂纹进一步加速扩展，当货车重载提速时，辐板孔车轮的作用则会减弱甚至丧失。

第四种轮辋疲劳裂纹及掉块是由于货车车轮受到不平衡的离心惯性力的作用，货车车轮在偏重状态高速运行时，加速轮辋疲劳而产生辋裂纹，发展到外侧面时，则容易产生掉块。因为货车车轮受到离心惯性力的不平衡，出现偏心距，动反力以运动速度的平方值的形式高速增加，若货车车轮在偏重状态下高速行驶，必然加速轮辋疲劳，形成轮辋裂纹，轮辋疲劳裂纹发展到车轮外侧，则很容易发生车轮掉块或者车轮局部掉块，对货车的危害性非常大。

1.4 擦伤

货车车轮踏面擦伤主要原因来自货车运行中制动操作不正确，大致有三种情况：

第一种情况是货车提升速度以后，在长大坡轨道上紧急制动，造成车轮擦伤。

第二种情况是空车车轮擦伤，产生的原因是当货车处于空载运行状态时，在重车位采用紧急制动措施，会产生相对过大的制动力。

第三种情况是货车车轮踏面局部急剧摩擦产生的擦伤，产生的主要原因是货车车轮与轮轨间的黏着力不够，车轮发生滑行造成的。

1.5 轮缘局部缺损和掉块

货车车轮出现轮缘局部缺损和掉块的问题，原因有两点：一是货车车轮表面存在夹杂物；二是已经维修过的货车车轮没有完全维修好，依然存在一定的缺陷问题。

1.6 车轮轮辋辗边及轮缘辗堆

货车车轮出现轮辋辗边及轮缘辗堆问题，有两点原因：

第一，货车车轮轮辋不均匀辗边，货车车轮其他部位的厚度高于车轮辗边处的厚度，货车车轮踏面辗边处会受到相对更大的力作用。

第二，货车车轮强度和硬度比较低与轮轨强度和硬度不相匹配等因素造成的，个别是因为货车转向架结构设计不合理等因素而造成。

2 铁路货车轮轴无损检测技术分析

铁路货车轮轴检测技术从原始的单纯依靠人工检测到现在的高科技无损检测，实现由人工到智能和由粗犷到精致的发展过程。如今世界各国对铁路货车轮轴的检测方法和标准不统一，但从检测时间上有着相同点的是都需要进行定期全面检测、定期静态检测和日常动态检测。

第一，定期全面检测即将在役铁路货车轮轴完成全面彻底的缺陷问题排查，充分利用无损检测的相关技术完成对整个轮轴的探伤，同时出具铁路货车轮轴的检测报告。

第二，定期静态检测是依据国家和铁路部门的相关要求，在规定运行的里程及时间后，对货车轮轴进行专门检测，应用专业的检测设备在轮轴不拆卸的情况下对其完成静态检测。

第三，日常动态检测面向的多是到站暂歇机车车辆，比较常用的检测方法是列检人员通过铁锤对货车轮轴敲击产生的敲击声，辨识并判断货车轮轴是否正常，该方法比较简单粗犷，能够提前发现货车轮轴存在的安全隐患，当然，日常动态检测根据需要也往往借助检测设备对轮轴等部位完成检测，以确保货车轮轴的质量安全保障。铁路货车轮轴无损检测技术是充分应用现代技术方式和手段，科学地检测与评估铁路货车轮轴内部的缺陷问题，判断铁路货车轮轴是否继续使用，以及确定能够正常运行继续使用的时间。使用无损检测技术的前提是不损坏轮轴，保持正常轮轴的运行质量。

现阶段，铁路货车轮轴无损探伤方法主要有四种：一是磁粉探伤，二是渗透探伤，三是涡流检测，四是超声波检测，具体分析如下。

2.1 磁粉探伤

磁粉探伤是利用磁铁的性质完成对轮轴探伤，将磁粉散布在轮轴表面，将轮轴置于强磁场中磁化，确保强磁场的磁力线垂直穿过轮轴，如果轮轴表面已经产生裂纹，磁粉在磁力的作用下，在轮轴发生缺陷之处泄漏出来，留下明晰可见的磁粉痕迹，完成检查轮轴表面缺陷的效果[4]。

2.2 渗透探伤

轮轴渗透探伤检测一般经历几个步骤：

第一，对轮轴表面处理。将待检测轮轴清洁干净，去除表面尘土杂物。

第二，施加渗透液。将含有荧光物质或着色燃料的渗透液喷涂于轮轴表面，渗透液通过毛细作用慢慢渗透轮轴表面开口的缺痕里。

第三，停滞。定时清洗渗透液。渗透液在轮轴表面停滞一定时间，使用清洗剂清除轮轴表面多余的渗透液。

第四，析出残留渗透液。待轮轴表面干燥，在轮轴表面喷涂显像剂。

第五，判定缺陷。在固定的光照下，渗透液在荧光物质会将轮轴缺陷显影出来，即可明晰判定缺陷的分布状况[5]。

2.3 涡流探伤

涡流探伤利用的是物理学中的电磁感应原理，把待检测轮轴放入产生交变电流的线圈中，在检测线圈交变磁场的作用下做轴向转动，轮轴中即产生涡状电流，在涡流感应磁场和原线圈磁场的叠加作用下，原线圈的阻抗产生变化，涡流感应磁场受到轮轴是否有缺陷的影响，表现出不同的阻抗。

因此，通过检测线圈阻抗值的变化能够检测出轮轴所产生的缺陷信息。当实际操作涡流检测时，需先对质量标准的轮轴完成检测，标定检测信息，再涡流检测同一型号轮轴是否有缺陷，然后通过检测设备的阻抗变化实现对待检测轮轴的无损探伤[6]。

2.4 超声波探伤

超声波探伤利用的是物理学中的超声波回波反射原理，将待检测的轮轴置于超声波中，存在缺陷的轮轴在缺陷部位的阻抗会发生变化，超声波在轮轴的缺陷处反射回来，检测设备的探头接收到反射声波，分析反射声波，可以得出轮轴存在的缺陷信息。超声波探头在检测货车车轮轮轴有无缺陷时，超声波探头产生超声波，经过发射接收回波形成电信号，以上则是超声波探伤的基本原理。对货车车轮轮轴的超声波探伤需要控制好超声波的收发，保障好声波和电信号的互相转换，同时对电信号和声波做好成像处理与数据分析，实现检测轮轴缺陷的目的[7]。

铁路货车轮轴无损探伤四种方法相比较有着不同的优缺点：

第一，磁粉探伤优点是检测灵敏度非常高，工艺相对简单方便，能够直观清晰地显示轮轴缺陷的具体位置、大小以及严重程度，但是随着轮轴缺陷深度增加，漏磁场会随之变弱，漏磁检测灵敏度会随之快速下降。

第二，渗透探伤的优点是能够直观显示其裂纹，检测灵敏度相对较高，操作起来相对简单方便，但是仅能检测出轮轴表面裂纹，无法探伤轮轴内部较深裂痕。涡流探伤的优点是不需要和轮轴直接接触，能够精心高速探伤，并且自动化就可以完成，但是因为涡流探伤深度受限制，难以判断轮轴缺陷的形状和大小。

第三，常规超声波检测的优点是能够检测轮轴内部埋藏较深的缺陷，但是探测轴颈和退刀槽等部位时探伤效果受到限制。

第四，相控阵超声波检测的优点是能够实现声波的聚焦偏转，由此对轮轴实现全面检测且检测精度较高，但是检测设备价格昂贵，同时对相控阵探头的维护也较困难。

3 结语

货车轮轴无损检测技术曾经在我国铁路货车检修过程中为轮轴使用安全和延长使用寿命做出重要的贡献。新时代，我国铁路事业实现高速发展，随着铁路货车运行速度与载重能力逐渐提高，对货车运行稳定性程度要求随之增强，铁路货车轮轴的无损检测技术随之得到更好的发展和提升。未来，应进一步提高无损检测技术的准确性和可靠性，不断研发和采用新技术、新工艺，逐步实现探伤设备的系统化、自动化、智能化和网络化，提高无损检测工作的先进性和可靠性。