许才华
中车沈阳机车车辆有限公司 辽宁 110142
摘要：经济的发展，城镇化进程的加快，促进交通建设项目的增多。铁路货车车轴是车辆行走部分最终要的部件，承受着车辆的自重和荷重，在长期使用过程中因受各种载荷作用易产生疲劳裂纹，如不及时发现和消除，就有发生冷切断轴事故的危险。本文就铁路货车车轴疲劳裂纹产生原因分析和预防措施展开探讨。
关键词：车轴疲劳缺陷；原因分析；对策
引言
裂纹基本上都是缺陷疲劳的演变，当存在快速扩展的条件时，裂纹就会演变成断裂。车轴受力区域在交变载荷的作用下，疲劳累积损伤达到一定程度后，诱发疲劳裂纹，进而裂纹扩展，最后导致断裂。
1车轴疲劳缺陷
车轴疲劳缺陷是指在车轴运用过程中在拉伸、压缩、扭曲、剪应力、微动摩擦、腐蚀等作用下，车轴表面萌生的疲劳损伤。车轴缺陷包括内部缺陷以及外表缺陷，在列车运行过程中无论是内部缺陷或者外表缺陷，车轴均可能以此为疲劳源产生疲劳裂纹。
2车轴疲劳裂纹产生原因
2.1轮轴组装时的压入应力影响
轮轴压装过程中，轮座表面产生残余拉伸应力，压装后在轮座的内外侧会产生应力集中。运用过程中，由于车辆重载导致的车轴弯曲在轮座内外侧引起摩擦、腐蚀、疲劳等，进而诱发裂纹。
2.2车轴内部缺陷
车轴内部缺陷主要包括材料成份偏差、夹杂物、组织异常、级别超标、疏松、残余缩孔等，主要是由于轴胚冶炼或车轴热处理控制失误造成的。在车轴运行中，疲劳裂纹从中部缺陷处产生，然后逐步扩大，最终导致疲劳裂断。
2.3几何形状的影响
装配部件及蚀坑会使车轴局部的几何形状发生变化，产生应力集中，加大应力集中系数，导致微裂纹的产生。不同截面的微裂纹扩展成大裂纹，并各自形成裂纹源，这些裂纹继续扩展与主裂纹交汇，而次裂纹扩展受阻，主裂纹在交变载荷作用下继续扩展，直至断裂。
2.4轴径裂纹
轴径裂纹主要发生在车轴轴径与轴承配合部内侧边缘。其产生的原因是由于车轴与轴承组装不当，或轴承装配中压有异物，在其配合部位边缘产生高应力集中，导致裂纹产生。
2.5腐蚀疲劳的影响
车轴在实际使用中会接触各种腐蚀介质，如水、油、潮湿空气等。由于车轮与车轴的相对滑动造成表面擦伤，再加上各种腐蚀介质的浸入，使得腐蚀坑成为裂纹源，导致表面疲劳强度降低，产生早期裂纹。
2.6轮座内侧微动摩擦腐蚀
轮座内侧微动摩擦腐蚀是因车轴运用环境不良、载荷偏大、车轴材质、强度偏低、轮座表面加工质量偏低、压装有较大的损伤等因素造成的，其主要发生在轮座内侧镶入部5-10mm位置，该位置是车轴旋转弯曲载荷作用下高应力区域，往往存在细小缝隙。在车轴运用不良时，形成的具有一定腐蚀作用的电介质进入轮座内侧镶入部的缝隙中，与原有轮座表面的一定损伤和车轴旋转弯曲形成的微动摩擦共同作用，诱发疲劳裂纹。
2.7车轴材质的影响
我国铁路货车车辆用车轴均属于普通碳素钢范畴，其金相组织主要由“铁素体＋晶状体”组成。近几年来，基于铸造、锻造、热处理及表面处理工艺的改进，车轴的安全可靠性得到明显提高，但是车轴制造过程中还可能会产生非金属夹杂物超标、疏松、夹渣、晶粒不均或表面粗糙度不合格等问题，导致车轴在实际运用过程中容易应力集中，产生早期裂纹。
2.8轮座压装损伤
轮座压装损伤是因为压装时存在失误或压装参数严重超范围所致，它的压装曲线往往会出现陡升，主要表现在车轴轮座表面有目测可见鱼鳞片和挤压包。
鱼鳞片带的方向是从轮座的外侧指向轮座的内侧，挤压包在鱼鳞片带的前端。在鱼鳞片的根部往往有裂纹。在车轴运行中，裂纹处的应力集中，使裂纹易扩展，最终导致疲劳裂断。
3轮座裂纹的产生扩展分析
（1）轮座裂纹的滋生演变特性分析。轮座部位裂纹的源裂纹位于轮座边缘，主要来源于滑移带，周期性的轴向相对滑移（有些是不可逆的位错运动）产生裂纹源。轮座在交变压力作用下，交变地产生拉伸和压缩，经过一段时间后，在局部高应力区形成微小裂纹，再由微小裂纹逐渐扩展以致车轴疲劳断裂。疲劳破坏具有时间上的突发性、位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点。裂纹的产生一般位于机械加工刀痕、表面锈蚀斑点或其他原始缺陷处。（2）车轴裂纹产生和发展的综述。裂纹基本上都是缺陷疲劳的演变，当存在快速扩展的条件时，裂纹就会演变成断裂。车轴受力区域在交变载荷的作用下，疲劳累积损伤达到一定程度后，诱发疲劳裂纹，进而裂纹扩展，最后导致断裂。当轮座裂纹产生以后，裂纹发展速度取决于各种应力的大小，裂纹发展方向取决于主应力平面的方向，因为轮座裂纹是在主应力作用下发展的，并与主应力方向垂直。随着轮座裂纹深度和长度的扩展，使轮座有效承载断面逐渐减小，一般减小到原断面的三分之一左右就会导致车轴“脆性”断裂。裂纹在1mm以内的发展比较缓慢，因此及时发现0.1～1mm的早期裂纹是防止货车车轴冷切的有效方法。微观检查结果证明,裂纹萌生及其最初扩展的方向与轴纵向成45°角,之后,裂纹方向逐渐转向与车轴纵向垂直的横截面方向。因此疲劳裂纹萌生、扩展的过程是,首先在剪应力作用下,裂纹沿着与轴纵向成45°角的方向萌生并开始最初的扩展;之后,剪应力和正应力共同控制短裂纹的扩展,使裂纹方向逐渐转向与轴纵向垂直的横截面(断口面)方向;最后裂纹扩展完全受正应力控制,其扩展路径彻底转向正应力作用面即车轴横截面(断口面)方向。
4对策
针对以上车轴疲劳裂纹产生的原因及部位，重点从以下几方面进行加强预防：
4.1改善车轴磨修质量
规范使用车轴成型磨床，根据磨床特性、砂轮技术指标和加工工艺，严格规定磨削技术参数及修整砂轮频次。根据现场磨修经验，一般每磨修6根车轴修整1次砂轮为宜。修整砂轮前后磨修的首末根车轴需严格检测，轮座加工的圆柱度应不大于0.05mm，圆度不大于0.02mm，轮座直径不允许在全长范围内向轮座引入端逐渐增大（倒锥），表面粗糙度Ｒａ需达到1.6μm。
4.2合理的表面改性处理
近年来，表面改性技术得到了长足发展，如对零件表面进行镀钼、喷丸、滚压等机械化加工硬化处理，不仅可以减小疲劳裂纹源的产生，而且能提高零件的疲劳强度。对于车轴，采用上述表面改性技术后，能提高车轴表面残余压应力水平，增强车轴的表面强度和硬度，从而有效抑制了疲劳裂纹源的萌生和扩展。
4.3严格落实探伤工艺要求
据统计，轴径后肩卸荷槽部位、轮座镶入部内外侧是疲劳裂纹易发区域。由于目前B/C型轮对超声波自动探伤机误报率偏高，建议各单位结合实际情况，在微超探伤后进行手工复探确认。
4.4保证车轴源头质量
对轴坯料、粗加工轴、精加工轴做好验收和复检，对成品轴加强４个方面的质量控制，一是热加工后，机械性能、金相组织性能指标需达到标准要求；二是冷加工后，车轴的尺寸、形位公差、粗糙度需符合规定要求；三是超声波探伤的透声检查对车轴的评定和磁粉探伤对车轴表面状态的确认需符合要求；四是轮轴组装工艺需符合规定要求。
结语
本文对车轴疲劳裂纹产生的原因进行分析归纳，并有针对性地提出预防措施，及时发现并防止因车轴疲劳裂纹引发的断轴故障，为铁路货车运输安全做贡献。
参考文献
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