CRH2动车组空心车轴探伤及车轴材料热处理工艺
李志平+王玉辉
摘要：本文以CRH2型动车组为例，介绍了CRH2动车组空心车轴在现场的探伤流程，给出了CRH2型动车组车轴表面材料的热处理工艺。
关键词：CRH2动车组；空心车轴；探伤；热处理
1、研究背景与意义
目前，高速动车组是我国运输行业的主要形式之一，以其快速、安全、舒适为特点，备受世界各国的青睐。目前世界各地高速列车大多采用动车组形式[1-2]。为了减缓轮对车轨作用力，减少车辆本身的重量以及降低车辆轮对的弹簧质量，目前的我国高速动车组车轴常采用空心车轴。随着我国列车的大提速，高速动车组怎么样才能安全、快速、舒适的服役成为首要任务。车轴是车辆转向架的关键承载部件，车轴损伤具有很强隐蔽性和突发性，这将直接危及运输安全，给国家财产和人身安全造成巨大的威胁[3-5]。
车轴是关系高速动车组安全性的一个重要部件，任何非安全设计都是不允许的。车轴疲劳使用寿命与车轴的材料、热处理工艺都有直接关系。在动车组运行到一定时间或者距离时，就要对空心车轴进行探伤。
2、 CRH2动车组空心车轴探伤工艺
CRH2动车组空心车轴探伤采用的是HAT-M02型空心轴超声波探伤机。
2.1开工前的准备
作业流程包括两个方面，一是针对系统动态校验前检查，主要检查探伤设备是否有异常情况；另外一个方面是针对探伤设备进行日常性能校验，日常性能校验通过标准如下：（1）基准缺陷反射波幅必须为满刻度的50～80%；（2）闸门阈值必须为满刻度的40～70%；（3）闸门阈值必须比基准缺陷的反射波幅低10～25%；（4）空心车轴过渡圆弧的反射显示必须均匀。
2.2动车组准备
主要是实车探伤前准备工作，如下：（1）探伤工和探伤辅助人员到动车所调度室领取作业计划单，确认探伤作业车辆及轮对位数。（2）若拆卸带有LKJ2000速度传感器的轴端时，由调度员通知电务段安排人员配合。（3）将探伤设备及轴端零部件拆卸作业车移到被探伤轮对旁，检查升降机构安全位置，锁定作业车车轮。作业车移动时，探伤仪须使用防滑腰带捆扎牢固。（4）探伤辅助人员向调度申请接触网断电。
2.3空心车轴端零部件拆卸
①拆卸AG37型轮对及AG43型轮对轴端零部件
②拆卸LKJ2000型轮对轴端零部件
2.4空心轴孔除油
图1 除油、除锈专用工具 图2 适配器
①除油工装如图所示。
②连接空心轴除油装置，空心轴除油装置两连接杆连接须牢固，两中心轴线须同心，连接松动时，可适当采用生料带进行缠绕，确保安装牢固。
③将空心轴除油装置插入空心轴内，空心轴除油装置除油头插入空心轴之前，须检查除油头上的橡胶圈，确保橡胶圈无破损和磨耗过限。
④手握除油装置手推杆，使除油装置除油头从轴端一侧移到另一侧：除油装置移动时，速度须适中，且均匀。一次除油未完全时，可变换除油头插入角度，进行多次除油，直到手触无明显油迹。
2.5空心车轴除锈
空心车轴除锈的主要步骤如下：1、向空心轴内喷挥发性防锈油；2、安装除锈装置连接杆；3、将空心轴除锈装置插入空心轴内；4、手握除锈装置手推杆，使除锈装置除油头从轴端一侧移到另一侧；5、清理；6、检查。
2.6安装适配器
①将探头保护套放置于空心轴内孔，应确保保护套将轴孔内部螺纹全部遮盖住。
②将适配器主体与设备的推进机构连接紧固，并将他们一起装入轴箱。
③旋开快拆螺母取下快拆螺栓，将适配器轴向卡环绕销轴打开。
④将适配器轴向卡环放置于动车轴箱上的卡槽内（原用于安装轴端防尘橡胶盖的卡槽），穿入快拆螺栓，旋紧快拆螺母。
⑤将挤紧螺栓旋紧，抵住轴箱端面，从而将整个适配器紧固于轴箱之上。
⑥将废油盘放置在轴箱两端排油堵下方和适配器排油槽下方，回收探伤废油，以免污染环境。
2.7探伤作业
①探伤工将进给机构挂悬于适配器之上，确保进给机构连接盘与适配器连接密贴、弹簧平衡器必须位于平衡梁的正下方，禁止斜拉钢丝绳，并保证在探伤作业过程中钢丝绳均匀受力。
②打开设备主电源开关，确认主控制箱内UPS及工控机运行良好。启动计算机并开启检测软件，探伤工将探伤车轴轴号、轴型等信息记录在检修记录本上。
③操作检测软件应用程序，进行对比试样轴探伤作业。单击系统主操作界面中的 “开始”按钮，系统提示输入车号、轴号、轴型等信息，根据所探测的轴型、类别及探测端面，调用日常性能校验储存的参数并确认。在输入数据后，对探头停止位置进行检查，如果探头没有处于停止位置，则将探头移动到该位置。
④根据被检空心车轴与对比试样轴在内孔直径、探测面状况、材质等方面的差异进行灵敏度补偿。
⑤探伤扫查时，应注意观察B型显示、C型显示和TD显示等图像显示并进行分析。当出现各台阶和界面显示断续或不均匀时，应停止作业并查明原因。
⑥如遇个别空心车轴内表面有加工或处理造成的异常时，应该适当降低探头转速和进给螺距，并适当提高扫查灵敏度以获得良好的A型、B型和C型显示图像。
⑦如果发现疑似缺陷，操作检测结果对话框中的“手动操作”切换到手动控制方式，将探头移动到疑似缺陷位置查看该位置的A型显示图像；并通过调整螺距、探头转速等参数进一步确认。必要时使用动车组空心车轴便携式超声波探伤仪进行手工核查。
最后保存探伤记录，并回收探伤设备，将适配器拆除。
2.8轴端零部件安装
①安装AG37型轮对及AG43型轮对轴端零部件
②安装LKJ2000型轮对轴端零部件
2.9作业完毕
①填写《CRH2型动车组空心车轴超声波探伤设备交接记录表》
②收拾工具，清理作业场地。
③到调度室填写作业竣工单。
3、CRH2动车组空心车轴热处理工艺[6]
CRH2动车组空心车轴采用普通碳素钢（S38C）加表面中频淬火热处理工艺，欧洲采用的热处理工艺是合金钢加调质，相对于这种处理工艺而言，CRH2动车组车轴的原材料成本相对较低，但是热处理工艺比较复杂，而且要求参数控制精度高。而欧洲高速车轴原材料成本高，热处理工艺相对简单，相对容易实现国产化。CRH2动车组车轴的危险部位为轮座，这是由于轮座与轴身过渡圆弧部位采用大半径和小直径比，使得应力影响小。为了增加轮座部位的疲劳强度，采用了中频硬化措施，以进一步提高残余应力和硬度分布引起的疲劳强度。车轴两端轴颈中心到轮座前半部分及两轮座后半部分贯通部位的硬度都比较高但数值不一样，这说明在这2个部位均采用了中频淬火热处理（但方法不一样）。并且距离车轴表面硬化层深度越大，硬度越低。车轴表面残余压应力在超过一定的加热温度时反而下降。由车轴表面残余应力和硬度分布与高频电流频率之间的关系可知，降低高频硬化的频率和加热温度可以大大改善车轴的疲劳强度。为了加深车轴残余应力的分布，使其更具有抗压性，高速车轴硬化频率为3 kHz；同时加热温度为473 K，采用这种方法能够有效的增加车轴表面附近的残余压应力。
4、总结
高速动车组的车轴是保证列车能够安全、快速运行的关键部件，因此对动车组的定期检修、探伤是非常有必要的。车轴的抗疲劳能力也直接跟车轴的材料及热处理工艺有很大关系。本文就针对CRH2动车组的空心车轴给出了车轴探伤流程以及热处理工艺。
参考文献
[1]钱立新. 世界高速铁路技术[M].北京： 中国铁道出版社， 2003.
[2]佐藤芳彦.欧洲高速列车技术的最新技术发展方向[J].国外机车车辆工艺，2010，3（1）：1-4.
[3] R A Smith and S Hillmansen. A brief historical overview of the fatigue of railway axles[C]//Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part F： Journal of Rail and Rapid Transit ， 2004，218（4）：267-277.
[4]程里，余家捷.铁路货车切轴断裂分析[J].理化检验（物理分册）.2006，42（3）：149-151.
[5] C.Lonsdale， D.Stone. North American axle failure experience[C]//Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part F： Journal of Rail and Rapid Transit， 2004， 218（4）， 293-298.
[6] 周平宇.高速动车组车轴材料及疲劳设计方法[J]. 铁道车辆， 2009， 47（2）：29-31.
作者简介：李志平（1987.2-），男，汉族，籍贯：江西省抚州市，职务/现职称：专业教师/助教。研究方向：高速铁道技术。
基金项目：本文是湖南省教育厅科学研究项目：《高速动车组空心车轴疲劳裂纹扩展分析与剩余寿命预测研究》（13C595）
2.9作业完毕
①填写《CRH2型动车组空心车轴超声波探伤设备交接记录表》
②收拾工具，清理作业场地。
③到调度室填写作业竣工单。
3、CRH2动车组空心车轴热处理工艺[6]
CRH2动车组空心车轴采用普通碳素钢（S38C）加表面中频淬火热处理工艺，欧洲采用的热处理工艺是合金钢加调质，相对于这种处理工艺而言，CRH2动车组车轴的原材料成本相对较低，但是热处理工艺比较复杂，而且要求参数控制精度高。而欧洲高速车轴原材料成本高，热处理工艺相对简单，相对容易实现国产化。CRH2动车组车轴的危险部位为轮座，这是由于轮座与轴身过渡圆弧部位采用大半径和小直径比，使得应力影响小。为了增加轮座部位的疲劳强度，采用了中频硬化措施，以进一步提高残余应力和硬度分布引起的疲劳强度。车轴两端轴颈中心到轮座前半部分及两轮座后半部分贯通部位的硬度都比较高但数值不一样，这说明在这2个部位均采用了中频淬火热处理（但方法不一样）。并且距离车轴表面硬化层深度越大，硬度越低。车轴表面残余压应力在超过一定的加热温度时反而下降。由车轴表面残余应力和硬度分布与高频电流频率之间的关系可知，降低高频硬化的频率和加热温度可以大大改善车轴的疲劳强度。为了加深车轴残余应力的分布，使其更具有抗压性，高速车轴硬化频率为3 kHz；同时加热温度为473 K，采用这种方法能够有效的增加车轴表面附近的残余压应力。
4、总结
高速动车组的车轴是保证列车能够安全、快速运行的关键部件，因此对动车组的定期检修、探伤是非常有必要的。车轴的抗疲劳能力也直接跟车轴的材料及热处理工艺有很大关系。本文就针对CRH2动车组的空心车轴给出了车轴探伤流程以及热处理工艺。
参考文献
[1]钱立新. 世界高速铁路技术[M].北京： 中国铁道出版社， 2003.
[2]佐藤芳彦.欧洲高速列车技术的最新技术发展方向[J].国外机车车辆工艺，2010，3（1）：1-4.
[3] R A Smith and S Hillmansen. A brief historical overview of the fatigue of railway axles[C]//Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part F： Journal of Rail and Rapid Transit ， 2004，218（4）：267-277.
[4]程里，余家捷.铁路货车切轴断裂分析[J].理化检验（物理分册）.2006，42（3）：149-151.
[5] C.Lonsdale， D.Stone. North American axle failure experience[C]//Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part F： Journal of Rail and Rapid Transit， 2004， 218（4）， 293-298.
[6] 周平宇.高速动车组车轴材料及疲劳设计方法[J]. 铁道车辆， 2009， 47（2）：29-31.
作者简介：李志平（1987.2-），男，汉族，籍贯：江西省抚州市，职务/现职称：专业教师/助教。研究方向：高速铁道技术。
基金项目：本文是湖南省教育厅科学研究项目：《高速动车组空心车轴疲劳裂纹扩展分析与剩余寿命预测研究》（13C595）
2.9作业完毕
①填写《CRH2型动车组空心车轴超声波探伤设备交接记录表》
②收拾工具，清理作业场地。
③到调度室填写作业竣工单。
3、CRH2动车组空心车轴热处理工艺[6]
CRH2动车组空心车轴采用普通碳素钢（S38C）加表面中频淬火热处理工艺，欧洲采用的热处理工艺是合金钢加调质，相对于这种处理工艺而言，CRH2动车组车轴的原材料成本相对较低，但是热处理工艺比较复杂，而且要求参数控制精度高。而欧洲高速车轴原材料成本高，热处理工艺相对简单，相对容易实现国产化。CRH2动车组车轴的危险部位为轮座，这是由于轮座与轴身过渡圆弧部位采用大半径和小直径比，使得应力影响小。为了增加轮座部位的疲劳强度，采用了中频硬化措施，以进一步提高残余应力和硬度分布引起的疲劳强度。车轴两端轴颈中心到轮座前半部分及两轮座后半部分贯通部位的硬度都比较高但数值不一样，这说明在这2个部位均采用了中频淬火热处理（但方法不一样）。并且距离车轴表面硬化层深度越大，硬度越低。车轴表面残余压应力在超过一定的加热温度时反而下降。由车轴表面残余应力和硬度分布与高频电流频率之间的关系可知，降低高频硬化的频率和加热温度可以大大改善车轴的疲劳强度。为了加深车轴残余应力的分布，使其更具有抗压性，高速车轴硬化频率为3 kHz；同时加热温度为473 K，采用这种方法能够有效的增加车轴表面附近的残余压应力。
4、总结
高速动车组的车轴是保证列车能够安全、快速运行的关键部件，因此对动车组的定期检修、探伤是非常有必要的。车轴的抗疲劳能力也直接跟车轴的材料及热处理工艺有很大关系。本文就针对CRH2动车组的空心车轴给出了车轴探伤流程以及热处理工艺。
参考文献
[1]钱立新. 世界高速铁路技术[M].北京： 中国铁道出版社， 2003.
[2]佐藤芳彦.欧洲高速列车技术的最新技术发展方向[J].国外机车车辆工艺，2010，3（1）：1-4.
[3] R A Smith and S Hillmansen. A brief historical overview of the fatigue of railway axles[C]//Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part F： Journal of Rail and Rapid Transit ， 2004，218（4）：267-277.
[4]程里，余家捷.铁路货车切轴断裂分析[J].理化检验（物理分册）.2006，42（3）：149-151.
[5] C.Lonsdale， D.Stone. North American axle failure experience[C]//Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part F： Journal of Rail and Rapid Transit， 2004， 218（4）， 293-298.
[6] 周平宇.高速动车组车轴材料及疲劳设计方法[J]. 铁道车辆， 2009， 47（2）：29-31.
作者简介：李志平（1987.2-），男，汉族，籍贯：江西省抚州市，职务/现职称：专业教师/助教。研究方向：高速铁道技术。
基金项目：本文是湖南省教育厅科学研究项目：《高速动车组空心车轴疲劳裂纹扩展分析与剩余寿命预测研究》（13C595）
