机车车辆车轴断裂故障分析及防范措施论文

目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"前言 10\o"CurrentDocument"一、 机车车辆车轴各部分名称及作用 4\o"CurrentDocument"轮对分类 4\o"CurrentDocument"车轮结构 4\o"CurrentDocument"车轮直径 6\o"CurrentDocument"车轮轮缘踏面外形 6\o"CurrentDocument"二、 机车车辆车轴的结构 7\o"CurrentDocument"三、 车轴断裂的常见原因及防范措施。 7\o"CurrentDocument"调查 7\o"CurrentDocument"车轴的主要故障 8\o"CurrentDocument"机车车辆车轴的检修过程 9\o"CurrentDocument"四、 案例分析 11\o"CurrentDocument"1.事故分析 11\o"CurrentDocument"五、 车轴故障防范措施 12\o"CurrentDocument"1.防止车轴疲劳断裂的对策 12\o"CurrentDocument"后语 13\o"CurrentDocument"参考文献 13摘要:应用理化检测手段，对早期断裂失效的机车车轴进行了较为全面的金相分析、化学成分、力学性能检验、断口分析，结果表明:车轴断裂性质属低应力弯曲疲劳断裂，即冷切;在车轴轴身中部,宽度约15mm,深度约4mm的表面环形层内,采用了非正常的补焊工艺，是造成车轴短期运行后发生早期疲劳断裂的主要原因;车轴中心区域存在严重的带状组织，对车轴抗疲劳扩展有不利影响，这种组织非均匀性同时反映出车轴冶金质量上的不足，轮轴过盈配合面的微动损伤常常导致车轴产生裂纹甚至断裂，为了避免以往用高压退轮的方法带来的2次损伤，采用原位剖切的方法，将车轴与轮毂配合分离来观察分析轮座表面损伤的基体特征。结合对配合面的显微观测和力学分析对损伤进行分析，结果表明:在复杂的载荷作用下,RD2型车轮与车轴轮座接触边缘发生复合微动，配合面的2个接触边缘存在一个宽度约20mm环状磨损区域，并伴有微裂纹的形成,破坏特征完全符合微动疲劳磨损机制。评述和比较了现有的车轴抗微动损伤的措施，并提出了自己的建议，对深入研究车轴损伤机制及预防措施提供理论基础。关键词：货车车轴故障Abstract:Physicalandchemicaldetectionmethodisused,theearlyfailureofthelocomotiveaxleconq)rehensivelymetallographicanalysis,chemicalcomposition,mechanicalpropertiestest,fractureanalysis,theresultsshowthatthefractureofaxleislowstressfatiguefailure,namelycoldcut;intheaxlebody,thewidthisabout15nmiandthesurfaceoftheannularlayerdepthisabout4mm,theweldingprocessofnonnormal,isamajorcauseofearlyfatiguefracturecausedbyaxleafterrunningashorttime;thereareseverebandstructureofaxleaxlecenterarea,haveanadverseeffectonantifatigue,thiskindofinhomogeneityandreflectthelackofmetallurgicalqualityontheaxle,wheelaxleinterferencewiththefrettingdamageoftenleadstocrackandevenfractureofaxle,Inordertoavoidthedamagecausedbyhighpressure2timesthebackwheelmethod,methodofusinginsitucutting,theaxleandwheelswithseparationtoobserveandanalyzethesurfacedamageofwheelseatbasefeature.Basedonthematchingsurfaceofmicroscopicobservationandmechanicalanalysisofthedamagewereanalyzed,theresultsshowthat:inthecomplexloads,RD2typewheelandaxlewheelseatcontactedgeofCompositeFretting,withthe2contactedgehasammringweararea,andisaccompaniedbytheformationofmicrocracks,damagefeatureinaccordancewiththefrettingfatiguewearmechanism.Reviewandcomparisonoftheexistingaxlefrettingdamagemeasures,andputforwardtheirownproposals,andprovideatheoreticalbasisforthestudyofmechanismofinjuryandpreventivemeasuresofdeepshaft.Keywords:truckaxlefailures前言随着我国国民经济的快速发展，交通、物流与日俱增。铁路运输担负了全国货运总量的70%和客运总量的60%。作为承担铁路运输的装备 机车车辆运用的安全准点，是保证铁路运输的关键因素之一。因此要求机车车辆具有很高的可靠性。最新的国际铁路行业标准IRIS更是明确提出了对RAMS（可靠性、可用性、可维护性和安全性）的要求。因此提高产品的可靠性，已是铁路装备制造企业参与国际竞争的关键因素。由于我国对机车车辆整车可靠性的相关研究还处于初步阶段，目前只能参照其他系统的可靠性标准，凭经验及大致的统计数据来提出可靠性的要求，尚未建立成熟的可靠性指标和验收体系，使得机车车辆整车可靠性管理不尽人意。因此开展机车车辆可靠性要求的研究,建立科学规范的机车车辆可靠性指标和验收体系对于机车车辆制造企业具有深刻的意义。南车集团某公司生产的一根EA4T机车车轴在半精加工过程中发生断裂，本文应用各种分析手段对其断裂原因进行了分析。车轴宏观断面分析表明：断口面与轴向垂直，整个断口面没有缩颈，属在轴向正应力作用下的脆性正断。宏观断口形貌呈三种形式，断口中心表面粗造不平，具有从中心发出的放射状线条；断口近表层呈灰色纤维状；断口最外层表面较为平整，可见结晶状的金属颗粒和放射状线条。由断口宏观形貌可以推断，车轴不是一次断裂的，而是经过至少两次的开裂过程。断裂是从断口中心开始的，裂纹萌生后快速扩展至近表层，并停止扩展，最外层为最后断裂区。车轴低倍组织分析表明：除了存在标准范围内的中心疏松外，没有发现明显的缺陷，低倍组织正常。对断口面不同部位的气体含量分析表明，钢中的氢含量在标准范围内，个别氧含量稍高于标准，氮含量维持在较低的范围内，断口面的气体分布均匀，无明显的偏析。断口面不同部位成分分析表明，钢中除局部区域存在铝含量稍高外，其它元素的含量基本在标准的范围内。上述分析表明，车轴中无明显的冶金缺陷，可以排除初始裂纹形成于冶金缺陷的可能性。一、机车车辆车轴各部分名称及作用轮对分类机车车辆上与钢轨相接触的部分，由左右两个车轮牢固地压装在同一根车轴上所组成。轮对的作用是保证机车车辆在钢轨上的运行和转向，承受来自机车车辆的全部静、动载荷，把它传递给钢轨，并将因线路不平顺产生的载荷传递给机车车辆各零部件。此外，机车车辆的驱动和制动也是通过轮对起作用的.对车轴和车轮的组装压力和压装过程有严格要求，轮对内侧距离必须保证在1353±3毫米的范围以内。为保证机车车辆运行平稳，降低轮轨相互作用力和运行阻力，车轴轴颈和车轮踏面的加工椭圆度和偏心度，以及轴颈锥度都不得超过规定限度。随着运行速度的提高，轮对均衡日益具有不可忽视的重要性。轮对分为车辆轮对和机车轮对两类。机车轮对又依机车类型分为蒸汽机车轮对、柴油机车轮对、电力机车轮对和动车组的动轴轮对等。柴油机车、电力机车以及动车组的动轴轮对在轴身上装有传动齿轮现高速客车和动车组均采用盘形制动，在轴身或车轮上装有制动盘。蒸汽机车的轮对有导轮轮对、动轮轮对、从轮轮对和煤水车轮对之分。导轮轮对位于机车前部，起机车导向的作用。动轮轮对起传递机车动力的作用，直接由汽缸活塞通过摇杆带动的为主动轮轮对，由主动轮通过连杆带动的为他动轮轮对。动轮轮对的轮心上有曲柄、曲拐销孔和均衡块，且左右两轮的曲柄在组装时应有90。相位差。动轮和导轮的轴承都在车轮内侧。从轮轮对和煤水车轮对与客货车辆轮对形状相似。轮对按车轴适用的轴承类型可分为滚动轴承轮对和滑动轴承轮对。中国铁路的客车已全部采用滚动轴承轮对，采用滚动轴承轮对的货车也日益增多。车轮结构车轮压装在车轴上，同一车轴上两个车轮间的距离与轨距相适应，从而使轮对可在钢轨上滚动。车轮上与钢轨相接触的部分，即车轮的外圈，在整体轮上称为轮辗，在轮箍轮上称轮箍。轮桐或轮箍上与钢轨相接触的表面称为踏面，踏面一侧凸起的部分称为轮缘。轮缘位于钢轨的内侧，可防止轮对滚动脱轨，并起导向作用。车轮上与车轴相结合的部分称为轮毂。轮毂与轮桐用轮辐连接。轮辐可以是连续的圆盘，称为辐板；也可以是若干沿半径方向布置的柱体，称为辐条。车轮按结构可分为轮箍轮和整体轮两大类。轮箍轮是将轮箍用热套装法装在轮心上，镶入扣环而成。扣环可在轮箍和轮心配合松弛时防止轮箍脱出，起

安全止挡作用。整体轮是将轮箍与轮心上的轮辐合成个整体。此外，有些国家还采用在轮辑与辐板之间加入弹性元件的车轮。这种车轮称为弹性车轮，通常只在地下铁道车辆上使用。图1车轮图2轮对车轮在运用中与钢轨接触部分承受很大的压力和冲击力，其接触表面产生弹性变形和很大的接触应力；在运行中，左右两轮不可避免地以不同直径在钢轨上滚动，产生滑行和车轮磨耗；在制动时，车轮踏面还受到闸瓦的剧烈磨损,并产生高温。所有这些，要求车轮踏面部分的材质必须具有很高的强度、硬度和冲击韧性，并具有良好的耐磨性。压装在车轴上的轮毂主要承受弹性力，辐板或辐条只承受压力和弯曲力，这些部分要求有较高的韧性。轮箍轮的轮箍轮心，可以采用不同材质，因而能够较好地满足上述要求。整体轮在踏面耐磨性方面不如轮箍轮，但其重量较轻，费用较省，更重要的是轮箍不会松弛和崩裂。中国铁路目前在机车上仍用轮箍轮，在客、货车辆上己全部使用整体辗钢轮。车轮直径车轮直径以滚动圆（与车轮内侧面平行并相距70毫米的平面与车轮踏面相交所成的圆）处的直径为其公称值。中国铁路目前使用的货车轮径为840毫米,客车轮径为915毫米，柴油机车轮径为1050毫米，电力机车轮径为1250毫米。蒸汽机车各种车轮的直径因机型而异，动轮直径通常在1370〜2000毫米之间。车轮轮缘踏面外形车轮径向截面上由轮缘和踏面形成的轮廓线。车轮轮缘和踏面外形的选择,不仅影响车轮的磨耗和使用寿命，而且直接关系到机车车辆的曲线通过性能和走行质量。中国铁路采用的轮缘踏面外形如图2。轮使车轮能可靠地通过曲线和道岔，不致脱轨。踏面呈圆锥形，在滚动圆附近锥度1:10。通过曲线时，外侧车轮以靠近轮缘的较大直径在外轨上滚动，内侧车轮以较小直径在内轨上滚动，这样，一方面使轮对随线路方向变化而起导向作用，同时内外轮滚动距离的不同还可补偿内外轨长度之差的影响。在直线上运行时，如果轮对偏离其在线路上的中心位置，则两轮滚动半径之差将使轮对向恢复其中心位置的方向运动。车轮外侧锥度为1:5,可加大轮对两轮滚动半径之差,使其易于通过4小半径曲线。但圆锥形踏面同时也是产生机车车辆蛇形运动和影响走行质量的根源。减小踏面锥度有助于抑制蛇行运动，但轮缘磨耗显著加剧，旋轮周期和车轮使用寿命大为缩短。这种办法仅在一些高速客运列车上采用作成圆弧过渡。机车车辆在运行中加于车轴的载荷是不断变化的，而且由于轮对不停地旋转，车轴内产生交变应力。因此，必须提高车轴材质的持久极限。为此在制造过程中轴身，须进行全长旋削加工，轴颈和轮座实行相压强化，在轮座部位和轴颈后肩圆弧过渡（滚动轴承）处设置减载槽；在整个使用期中要实行严格的超声波和电磁探伤车轴通常是实心的，但车轴应力在截面上的分布是不均匀的,越接近表面就越大，而在中心的应力很小。因此有可能采用空心车轴代替实心车轴，以减轻簧下重量对机车车辆和线路的有害影响。空心车轴在一些国家的铁路上虽已试用多年，但由于在运用中受力状态复杂,仍在研究改进中。二、机车车辆车轴的结构轮座车轮压装处，也是车轴上直径最大的部分；轴颈车轴上与轴承相作用的部分；轴身两车轮之间的部分，有些客、货车车轴的轴身自轮座向中央逐渐缩小，也有一些轴身通长为圆柱形，柴油机车和电力机车的传动齿轮和采用盘形制动的机车车轴的轴装式制动盘即组装在轴身上；轴领客、货车车轴两端比轴颈凸出的部分，用以阻挡滑动轴承在轴颈上的过大移动，滚动轴承车轴上没有轴领；防尘板座客、货车车轴上轴颈与轮座之间的过渡处，其上装有滑动轴箱的防尘板或滚动轴箱的后挡板：轴颈后肩轴颈上靠近防尘板座的部分，为避免直径突然改变引起应力集中而作成圆弧过渡。机车车辆在运行中加于车轴的载荷是不断变化的，而且由于轮对不停地旋转，车轴内产生交变应力。因此，必须提高车轴材质的持久极限。为此在制造过程中轴身，须进行全长旋削加工，轴颈和轮座实行辐压强化，在轮座部位和轴颈后肩圆弧过渡（滚动轴承）处设置减载槽；在整个使用期中要实行严格的超声波和电磁探伤车轴通常是实心的，但车轴应力在截面上的分布是不均匀的,越接近表面就越大，而在中心的应力很小。因此有可能采用空心车轴代替实心车轴，以减轻簧下重量对机车车辆和线路的有害影响。空心车轴在一些国家的铁路上虽已试用多年，但由于在运用中受力状态复杂，仍在研究改进中。三、车轴断裂的常见原因及防范措施。调查为查明铁路货车车轴卸荷槽部位断裂失效的原因，对断轴整体及断口部位做了全面的理化检验和宏、微观分析，发现轴表面疲劳源处存在许多腐蚀坑。进一步对腐蚀坑底部进行微观观察和电子能谱分析，发现坑底存在较多沿轴周向的微裂纹，坑内腐蚀产物含有高价硫元素。结果表明,较强腐蚀性物质使卸荷槽部位轴表面形成较深腐蚀坑,在该区域极易造成应力集中，这是引起裂纹萌生和扩展最终导致车轴断裂的主要原因。目的研究车轴在热校直过程中的断裂原因和机制。方法通过对该车轴进行化学分析、金相检测、力学性能检测，对车轴断裂的性质和产生原因进行了分析和讨论。结果准确得出了车轴断裂的性质和产生原因。结论车轴制造工艺不合理，导致车轴轴头产生了严重的过热组织,这是车轴断裂的主要原因;原材料中较多的非金属夹杂物等材质缺陷，造成了材料的综合力学性能降低，尤其是材料的屈服强度降低，是车轴断裂产生的重要原因。建议改进车轴的制造工艺，过热严重的车轴应报废处理。车辆在窄轨铁路运输中常有切轴事故发生。切轴造成的损失是相当严重的，轻则造成车辆损坏和铁路运输的中断，重则造成人身伤亡。因此,找出切轴原因，采取相应的防止措施是非常必要的。车轴的主要故障车轴的故障主要是车轴裂纹、车轴磨伤、车轴弯曲等，这些故障能引起车辆脱轨、颠覆或燃轴事故。因此，必须认真检查处理理。车轴裂纹：车轴裂纹分横裂纹和纵裂纹两种。轴的裂纹以轮座部分最多，其次是轴颈、防尘板座与轴颈交界处，再次是轴的中央部分。车轴磨伤：车轴磨伤主要分轴颈磨耗、防尘板座磨伤、轴身磨伤。轴颈磨耗是滑动车轴的轴颈与轴瓦相对摩擦所产生的正常磨耗，表现为轴颈直径减少和轴颈变长。防尘板座磨伤是轴瓦或轴箱内顶部磨耗过甚，致使轴箱后壁孔上边缘与防尘板座发生接触而磨伤。轴身磨伤是由于基础制动装置的拉杆或杠杆组装不良与车轴接触面造成。车轴弯曲：车轴弯曲主要是因为车辆膜轨时使车辆受到剧烈振动，也可能是由于组装轮对时工作疏忽而造成，车轴弯曲能引起车轴发热、轮缘偏磨甚至产生脱轨事故。车轮的故障：车轮的故障车轮的损伤主要包括：踏面磨耗、轮缘磨耗、踏面擦伤与剥离、车轮裂纹等。车轮踏面圆周磨耗：是指轮对在运用过程中，沿车轮直径方向的减小，踏面磨耗是一种不可避免的自然磨耗，其磨耗速度随车轮材质、运用及线路情况而不同。车轮轮缘磨耗：车轮轮缘磨耗是指轮缘厚度的减小，轮缘厚度减小使其强度降低，当车辆通过曲线时，由于侧向力的作用，可能使轮缘的根部产生裂纹,进而造成轮缘缺损，影响行车安全。轮缘过薄时，轮缘顶点易爬上尖轨而使车辆脱轨。轮缘除厚度磨耗外还有轮缘的垂直磨耗和轮缘形成锋芒两种。踏面擦伤与剥离：踏面擦伤是车辆运行中制动力过大，抱闸过紧，引起车轮在轨面上滑行的结果，擦伤所造成的平面会引起车辆剧烈冲击，是一种危险性很大的缺陷；踏面剥离是表面金属分层脱落的表现，其危害与踏面擦伤相似。车轮裂纹：车轮裂纹的发生是由于长期使用材质疲劳或运用中冲击过大而造成。车轮产生裂纹后，对运行有着极大的危害.车轮裂纹多见于辐板孔或辐板弧形部分，轮辖外侧或踏面以及轮缘根部。图3轮子轮轴3.机车车辆车轴的检修过程定期检查，是指对运用中的车辆，每个一定时间，进行一次具有一定内容的检查工作。定期检查能有计划地计划地使车辆恢复运用功能，保持良好的技术状态，并保证在到达下一个定期检查以前，不出现重大故障。客车定期检修修程为厂修、段修和辅修三种。货车定期检修修程为厂修、段修。辅修、轴检四种。厂修是对车辆进行全面检查和彻底修理，并进行必要的现代化技术改造。目的在于恢复车聊的基本技术性能，使修理后接近新造车辆水平。主要部件的技术质量应能保证在一个段修期内正常运用。厂修一般在车辆修理工厂进行，必要时可以在有条件的车辆段进行。断修是对车辆进行全面检查、重点分析。着重分解检查车辆的走行部、车钩缓冲装置和制动装置等部件。消除故障隐患，修复损坏、磨耗的零部件：按规定更换磨耗过限的零部件，防止故障扩大。目的是保持车辆的基本性能，延长车辆的使用寿命，保证车辆的安全运行。主要零部件的技术质量应能保证一个段修期。段修在车辆段进行。辅修主要对车辆的制动装置和轴箱油润装置进行检修，同时对其他部件进行辅助性修理，以保证这些部件在运用中保持良好的状态。客车的辅修一般在客车整备所车库停留时间内进行：货车的辅修在检修所（线）进行。轴检是按辅修的要求，对车辆的轴箱油润装置和其他部分进行检修。摘车轴检在站修线进行，不摘车轴检在列车中进行。两种轴检均应保持在下次辅修到期前不发生轴箱油润装置故障车辆日常维修的任务是保证车辆在运用中有良好的技术状态，防止事故发生，确保行车安全。我国铁路货车的特点是数量多、车型杂，一般不固定配属给基层，所以流动大，运用条件参差不齐。如不及时对货车进行检查维修，必将危及行车安全。货车日常维修的内容包括技术检查和故障修理两个方面。技术检查是对货车的技术状态进行检查，发现故障应及时进行摘车修理或不摘车修理。不摘车修理是利用车辆停站时间，在不影响解体作业或正点发车的情况下，在列车到发线，调车线或货物线上进行修复作业。对一些较大的一时难以修复的故障，必须把故障车辆从列车中摘下，送到专用临修线或站修所修理，称为摘车修理。货车的日常维修由列检所和站修所等单位承担。列检所的基本任务是对到达、始发和中转列车中的车辆进行技术检查和修理，同时还负责扣修定检到期的车辆。站修所设在有列检所得车站上，它的任务是对货车进行摘车修理、轴检和辅修。客车日常维修的内容包括车底在到达终点站或在始发站出发前，在整备库内进行的技术检查、日常保养和清扫整备作业。旅游列车在沿途由旅客列检所负责进行技术检查和不摘车修理。此外在旅客列车上还没有车辆乘务员，随车进行途中的技术保养工作。客车的日常维修工作集中在旅客列车编成站，更换机车的客运站上进行。由客车技术整备所，旅客列车检修所和车辆检车包乘组共同承担。四、案例分析1.事故分析19世纪以来随着近代科学技术的发展开始对产品失效作系统的科学的分析研究。人类在生产与科学实践活动中经常遇到严重的产品事故，如火车运行中车轴断裂、桥梁的脆性破裂、飞机的失事、导弹和运载火箭的失控爆炸等。为了查明产生事故的原因，寻求防止产品失效的方法，曾作了大量试验和研究工作，在此过程中发展了失效分析技术。随着产品日趋复杂，失效分析工作也日益受到重视。现代大型产品往往是由上万个、甚至上百万个零部件组成的复杂系统，这类产品的失效或故障会造成巨大的灾害和经济损失。1986年1月28日美国航天飞机“挑战者”号第10次飞行中因固体助推器密封环失效而引起空中爆炸，造成直接经济损失近20亿美元，7名航天员死亡，航天飞机的飞行也被迫中断近2年。现在失效分析的研究已不限于已发生的事故，而更重视产品失效的潜在因素，探索防止失效的措施，以杜绝事故。基本内容在失效分析中，通常将失效分类。从技术角度可按失效机制、失效零件类型、引起失效的工艺环节等分类。从质量管理和可靠性工程角度可按产品使用过程分类。图1所示的失效率曲线通常称浴盆曲线，它描述了失效率与使用时间的关系。早期失效率高的原因是产品中存在不合格的部件；晚期失效率高的原因是产品部件经长期使用后进入失效期。机械产品中的磨合、电子元器件的老化筛选等就是根据这种失效规律而制定的保证可靠性的措施。失效按其工程含义分为暂失效和永久失效、突然失效和渐变失效，按经济观点分为正常损效、本质缺陷失效、误用失效和超负荷失效。产品的种类和状态繁多,失效的形式也千差万别。因此对失效分析难以规定统一的模式。失效分析可分为整机失效分析和零部件残骸失效分析，也可按产品发展阶段、失效场合、分析目的进行失效分析。失效分析的工作程序通常分为明确要求，调查研究，分析失效机制和提出对策等阶段。失效分析的核心是失效机制的分析和揭示。失效机制是导致零件、元器件和材料失效的物理或化学过程。此过程的诱发因素有内部的和外部的。在研究失效机制时，通常先从外部诱发因素和失效表现形式入手，进而再研究较隐蔽的内在因素。在研究批量性失效规律时，常用数理统计方法，构成表示失效机制、失效方式或失效部位与失效频度、失效百分比或失效经济损失之间关系的排列图或帕雷托图，以找出必须首先解决的主要失效机制、方位和部位。任一产品或系统的构成都是有层次的，失效原因也具有层次性，如系统一单机一部件（组件）一零件（元件）一材料。上一层次的失效原因即是下一层次的失效现象。越是低层次的失效现象，就越是本质的失效原因。五、车轴故障防范措施1.防止车轴疲劳断裂的对策从对典型实物断轴的失效分析中，可归纳出直接引起车轴疲劳裂纹萌生，导致车轴断裂的原因，涉及设计，治炼，加工，组装，直到运营过程中的维护保养，乃至管理等一系列环节，要全面的做好车轴的防断工作，确保行车安全,是一个涉及许多部门和单位，多重学科领域的系统工程。这里仅从