（车辆工程专业论文）铁路货车转向架关键零部件失效分析与对策研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：进入二十一世纪以来，我国铁路货车已发展到一个重载、提速的新阶段， 现有5 0 多万辆运用货车完成了1 2 0 k m h 提速改造，运用货车载重已实现由6 0 t 级 向7 0 t 级全面升级换代，轴重2 3 t 、载重7 0 t 通用货车列车编组牵引吨位为5 0 0 0 t 1 0 0 0 0 t 、商业运营速度达1 2 0 k m h ，运煤专用敞车载重已达8 0 t ，实现了列车牵引 总重达2 万t 的重载运输，“提速与重载严酷的运用服役环境对铁路机车车辆结 构可靠性提出更高的要求，车辆的安全可靠性受到车辆性能、结构强度、检修年 限以及运用条件等的影响越来越大。对于转向架关键部件，如车轮、车轴、摇枕、 侧架等，其负荷条件在使用过程中承受着巨大的拉、压、冲击、弯曲等交变载荷 作用，工况十分恶劣。由于设计、制造、检修质量和运用条件等方面的原因，货 车转向架关键部件在运用中出现质量问题，其主要失效形式是疲劳破坏，有的已 酿成行车事故，对铁路运输安全构成威胁。 本论文主要通过对铁路货车转向架关键部件的失效分析，找出造成失效的关 键因素，从设计、制造、维修及运用综合研究对策，为货车运用安全提供保障依 据。基于我国货车转向架关键部件失效的实际案例，本文进行了以下几方面的研 究： 1 通过典型行车事故，选择车轴、车轮、轴承、摇枕和侧架的失效样本进行 分析研究。 2 分析造成车轴、车轮、轴承、摇枕和侧架失效的关键因素。 3 从设计、制造、维修以及运用环境，综合分析相关因素各部件失效因素的 产生环节。 4 针对失效产生环节，本着源头治理、先易后难、便于实施以及最小实施成 本的原则，制定科学合理的对策。 关键词：货车转向架；轮轴；摇枕；侧架；失效分析 分类号：u 2 7 0 a b s t r a ( 汀 a b s t r a c t a b s t r a c t ：s i n c et h ea d v e n to f21s t c e n t u r y , t h ef r e i g h tc a ri no u rc o u n t r yh a s d e v e l o p e dt oan e ws t a g eo fh e a v yl o a da n dr a i s i n gs p e e d ，m o r et h a n5 0 0t l l o u s a n d f r e i g h tc a r sh a v eb e e nm o d i f i e da n dr e a c h e d1 2 0 k m h ，l o a d i n gc a p a c i t yo fo p e r a t i n g f r e i g h tc a r sh a v eb e e nu p g r a d e df r o m6 0 tt o7 0 t t h et o n n a g eo fg e n e r a lf r e i g h tc a rw i t h 2 3 ta x l el o a d ，7 0 tl o a d i n gc a p a c i t yi s 5 0 0 0 t 一10 0 0 0 t ，c o m m e r c i a ls p e e d12 0 k r n h ， l o a d i n gc a p a c i t yo fg o n d o l ac a r ss p e c i a l l yf o rt r a n s p o r to fc o a li su pt o8 0 t ，a n dt h u s r e a l i z e2 0 0 0 0 th e a v yh a u lt r a n s p o r t a t i o n s e v e r e o p e r a t i o ne n v i r o n m e n to f “s p e e d i n c r e a s ea n dh e a v yh a u l f o r r a i l w a yr o l l i n gs t o c kn e e d sh i g h e rs t r u c t u r a lr e l i a b i l i t y s a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft r a i ni sm o r ea n dm o r ea f f e c t e db yc a rp e r f o r m a n c e ，s t r u c t u r a l s t r e n g t h ，o v e r h a u ll i f ea n do p e r a t i n gc o n d i t i o n se t c k e yc o m p o n e n t sl i k ew h e e l ，c a ra x l e b o l s t e r , s i d ef r a m eh a v et ow o r ku n d e rs e r i o u sc o n d i t i o n s ，t h e ym u s tw i t h s t a n dv e r y l a r g ea l t e r n a t i n gl o a do fo ft h eb o g i e ，p u l l i n g ，c o m p r e s s i o n , i m p a c t ，c u r v i n ge r e a st h e r e s u l to fw r o n g d e s i g n ，b a du m a n u f a c t u r e ，b a do v e r h a u lq u a l i t y , b a do p e r a t i n gc o n d i t i o n a n ds oo n , q u a l i t yp r o b l e mo c c u r so nc o m p o n e n t so ff r e i g h tc a rb o g i e d u r i n gt h e o p e r a t i o n ，i nm o s to ft h et i m ei ti sf a t i g u eb r e a k d o w n s o m ep r o b l e m sh a v ec a u s e dt r a i n o p e r a t i o na c c i d e n t ，w h i l es o m eo t h e r sp o s e dt h r e a tt o r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n i nt h i s p a p e rw ew i l ld i s c u s s ep r o b l e m sh a p p e n e dt ot h ek e yc o m p o n e n t so ff r e i g h tc a r b o g i e ， f i n do u tt h em a i nr e a s o n so ft h o s ep r o b l e m s ，a n df m do u tt h er e s o l u t i o n s b ys t u d y i n gt h e t h ed e s i g n ，m a n u f a c t u r e , m a i n t e n a n c ea n du s eo fc o m p r e h e n s i v em e a s u r e s ，f i n a l l yw e p r o v i d es o m es e c u r i t ym e a n st oe n s u r et h es t a b i l i t ya n ds a f e t yo fc a r sr u n n i n g t h e r e f o r e ，b a s e do na c t u a lc a s eo c c u r r e do nk e yc o m p o n e n t so ff r e i g h tc a rb o g i e ，t h i s a r t i c l ei n t r o d u c e ss t u d i e sf r o mt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 t a k ef a i l u r es a m p l eo fc a ra x l e ，w h e e l ，b o l s t e ra n ds i d e 仔锄ea n dc o i l e c t r e l e v a n td a t aa n dd o c u m e n t sa b o u tt y p i c a lt r a i no p e r a t i o na c c i d e n t 2 a n a l y z ei t e mb yi t e mt h ef a c t o r sc a u s i n gf a i l u r eo fc o m p o n e n t sl i k ea x l e ，w h e e l 。 b o l s t e ra n ds i d ef r a m e 3 a n a l y z ec o m p r e h e n s i v e l yt h er o o t so fv a r i o u sf a i l u r e sf r o mt h ep o i n to fv i e wo f d e s i g n ，m a n u f a c t u r e ，m a i n t e n a n c ea n do p e r a t i n gc o n d i t i o n s 4 l a yd o w nr e a s o n a b l ea n ds c i e n t i f i cc o u n t e r m e a s u r e st h r o u g ha n a l y s i s ，s t u d ya n d o n - s i t er e s e a r c ha n ds u r v e yb a s e do nt h er o o t so ff a i l u r ea n do nt h e p r i n c i p l eo fs o u r c e c o n t r o l ，f r o me a s yt od i 佑c u l t ，e a s yt oe x e c u t ea n dl o w e s tc o s t 北京交通大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：f r e ig h tc a rb o 西e ；c r a c k ；f a i l u r e ；w e a r ；p a r t s & c o m p o n e n t s ；a n a l y s i s ： c o u n t e r m e a s u r e c l a s s n 0 ：u 2 7 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：都，轰，宏 签字日期：灿卵年月f 7 日 弩月 裂 f 否水 孙 以 签 期 师 日 导 字 签 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名静，亳，宏 签字日期加。7 年月f7 日 致谢 本论文的工作是在我的导师李强教授指导下完成的，不管是论文的选题、数 据的处理以及论文的编排直到最后的定稿，导师李强教授都倾注了大量的心血。 老师严谨的治学态度、谦逊的品格以及科学的工作方法给了我极大的帮助和影响， 将使本人受益终生。在此衷心感谢几年来老师对我的关心和指导。 在论文的完成过程中，还得到了缪龙秀教授、孙守光教授以及铁道科学研究 院张斌研究员、北车集团四方车辆研究所田保栓教授级高工的悉心指导和帮助， 他们无私的帮助、支持和细心的指导，使我较为顺利地完成了现场调研、资料阅 研、分析和论文撰写工作，在此向他们表示衷心的谢意。 在课程学习以及撰写论文期间，毛贺、张永贵等同学给予了我热情的帮助， 在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人和朋友们，他们的理解和支持使我能够顺利完成学业。 绪论 1 1 选题背景与工程意义 1 绪论 铁道货车是铁路运输的重要基础。随着国民经济发展对铁路运输要求的提高， 我国铁路货车技术装备取得了很大的发展。目前，我国铁路货车保有量已达到7 0 多力辆，运行速度普遍达到8 0 k m h ，新造货车全部按商业运行速度1 2 0 k r n h 生产， 既有货车进行了1 2 0 k m h 提速改造，1 2 0 k m h 铁路货车的已占总保有量8 5 。通 用铁路货车由6 0 t 级向7 0 t 级全面升级换代。在通用货车发展的基础上，载重8 0 t 运煤专用敞车、载重l o o t 矿料专用车、双层集装箱平车、双层小汽车运输车等新 型货车品种不断诞生，逐步形成货车品种型号系列化、多样化的格局。由于我国 铁路线路基础建设薄弱，为缓解对国民经济瓶颈制约，铁路连续六次实施大面积 提速，并采取“客货混跑、速度、密度、重载兼顾 战略举措，货车与时速2 0 0 - 2 5 0 k m 客车在同一线路上混跑、交汇，货车的安全可靠性更加凸显出来。 为了实现我国货车高速重载的根本转变，将对机车车辆的结构可靠性提出更 高的要求。对于转向架构件，其负荷条件随车辆行驶在不同的区段变化而变化， 加之轨道不平顺等因素使得其承受极为复杂的随机载荷。但由于货车及其零部件 设计、制造、检修质量和运用条件等方面的原因，在运用中出现质量问题，有的 已酿成行车事故，对铁路运输安全构成威胁，暴露出货车及主要零部件设计、制 造、检修方面存在较多隐患。 本论文主要是针对铁路货车转向架的主要部件，通过对其失效实例分析，找 出造成失效的关键因素，研究消除失效因素，制定相应对策。进行这些研究的意 义在于：一方面通过分析转向架主要部件失效原因，查找设计源头的问题，促进 对新型货车转向架进行完善设计；另一方面通过对转向架主要部件失效的研究， 制定科学合理对策，使货车的安全性和可靠度大大提高，减少或杜绝因转向架主 要部件的失效造成车毁人亡，导致恶性事故的发生。 1 2 车辆零部件的失效分析 1 2 1 失效与失效分析 北京交通人学硕士学位论文 1 、按照国际通用的定义，“产品丧失其规定功能的现象称为失效”。故障与失 效两词的含意有某些差别，故障一般是指可以排除并恢复原有功能，而失效是指 产品丧失其规定的功能、不能再服役。事故与失效有时紧密相关，但却又是不同 的两个概念，事故强调后果，即造成的损失和危害，而失效强调的是产品本身的 功能状态，例如车轴冷切是其疲劳断裂失效，而由此造成列车脱轨等则属事故。 2 、失效分析 失效分析的目的是在于通过对失效残骸的分析，明确失效模式、找出失效原 因、提出对策，以防止同类事件重演。失效分析的核心是找出失效的原因，提出 对策则是最终目的。 失效分析是促进科学技术发展的重要动力，失效虽然给人类带来危害和损失， 但人们在与失效的斗争中发展了科学技术，提高了产品质量并开发了新产品，这 已为各工业先进国家的经验所证实；失效分析能带来巨大的经济效益和社会效益， 通过失效分析提高产品的质量和信誉，可给企业带来明显的经济效益，这是不言 而喻的。 3 、车辆零部件的失效分析 有效地对车辆零部件进行失效分析，直接关系铁路运输的安全，根据全路车 辆部门安全工作的统计分析，每年发生的重大、大事故，险性事故和一般事故， 使人民的生命财产直接受到威胁，造成巨大的经济损失和严重的社会影响。通过 失效分析提高车辆零部件的质量，延长检修周期甚至做到无维修化，其产生的经 济效益是非常可观的：同时，失效分析能有力地推进高速、重载、安全运输，给 整个社会带来的效益是难以估计的。 1 2 2 货车转向架关键部件常见的失效模式 1 、失效模式和失效机理 失效模式是指失效的外在宏观表现形式和规律，它相当于医学上的“病症 。 失效机理是指引起失效的物理化学变化过程和本质，它相当于“病理 。具体地说， 失效机理是研究各种失效模式的物理、化学本质和过程，研究应力、温度和环境 等外部因素对失效过程的影响，研究材料成分、组织结构和性能等内部因素对失 效过程的影响等。 失效模式和失效机理的关系是宏观和微观的关系，只有两者结合才能由表及 里地揭示零部件失效的物理本质，提出有效的预防措施。 2 、货车转向架关键部件常见的失效模式 根据各部件损伤的特点及损伤时所承受的载荷性质及外界条件，可以将货车 2 绪论 转向架关键部件的失效分为过量变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类，每 一类又可分为若干种失效模式，见表1 1 。 表1 1 货车转向架关键部件常见失效模式与机理 t a b 1 lf r e i g h tc a rk e yc o m p o n e n t so fc o m m o nf a i l u r em o d e sa n dm e c h a n i s m 失效类型失效模式失效机理货车转向架关键部件实例 过量变形过量塑性变 塑性变形 轴承压痕；摇枕、侧架压吨时塑性变形 失效形超限 紧同螺栓、钢质梁件因非正常载荷超过 韧性断裂 韧窝断裂 锻什极限而断裂 解理断裂 断裂失效脆性断裂氢脆断裂车轮崩裂；环境介质作用下弹簧脆断 应力腐蚀断裂 车轴裂纹，车轮腹板裂纹，轴承裂纹， 疲劳断裂疲劳断裂 摇枕、侧架裂纹 疲多；：磨损 表面损伤 磨损磨料磨损轮缘磨损；轴承磨损；销套磨损 失效 粘着磨损等 1 2 3 失效分析的思路和步骤 1 、失效分析思路的重要性 失效分析工作是一项系统工程。由于一个复杂结构的破坏，例如列车脱轨， 往往不仅是一个零部件破坏，而是大量零部件都发生破坏，情况千差万别，原因 错综复杂；失效事故发生后，通常又要求及时进行失效分析，完成的期限也常常 很短。此外，大多数失效分析所用的关键性试样非常有限，有时只允许次取样， 若在分析程序上走错一步，可能导致整个失效分析的失败。为能如期得出正确的 分析结论，必须有一个严密而科学的分析思路。正确的分析思路是顺利进行失效 分析的基础。 2 、常用的失效分析思路 常用的失效分析思路是残骸分析法， 部件的服役条件、断口特征、力学性能、 析的方法。 它以失效零部件残骸为对象，将失效零 理化性能及设计、工艺等为线索进行分 以服役条件为线索就是要找到零部件的服役条件与失效模式和失效原因之间 的内在联系。实践证明，在同一服役条件下可能产生不同的失效模式；同样，同 一种失效模式也可能在不同的服役条件下产生。因此，以服役条件为线索进行失 效分析，只能起到缩小分析范围的作用。 以失效零部件的力学性能指标为线索进行失效分析，关键是在搞清楚零部件 3 北京交通大学硕士学位论文 服役条件的基础上，通过残骸的断口分析和其它理化分析，找到造成失效的主要 依据，并进一步研究它与材料成分、组织状态的关系。断口是断裂失效分析的重 要证据，它是残骸分析中断裂“信息 的重要来源之一。 3 、失效分析的一般步骤 按照残骸分析法思路，通常采用下列步骤对断裂零件进行失效分析： ( 1 ) 调查研究，收集原始背景材料。 ( 2 ) 残骸分析，根据裂纹走向、断口情况以及各零部件相互间碰撞划伤的情 况，判断哪一部分是最先破断的零件或部位，以确定分析的先后与主次。 ( 3 ) 对断口和裂纹进行宏观观察和分析。 ( 4 ) 零部件受力和失效部位应力分析计算。 ( 5 ) 进一步实验分析，采用各种实验技术测定失效分析所必需的数据和信息。 例如，测定零部件材料的常规力学性能和断裂韧性；断口的微观分析，即对零部 件材料的金相组织、夹杂物、微区成分以及裂纹的起源和走向等进行观察和评定； 对应力类型、断裂性质、可能的断裂原因作出初步判断。 ( 6 ) 综合分析，根据原始材料、应力分析和各种观察、试验的结果和数据进 行综合分析，找出导致失效的主要原因，并提出切实可行的防止和改进措施。 1 2 4 断裂失效分析中采用的分析和检测方法 l 、断口分析技术 断口是指零部件断裂失效时所形成的自然表面。因此断口的形貌直接反映了 断裂过程中各种载荷、应力和材质之间相互作用的关系。断口分析的任务是通过 对断口形貌及其它信息的了解，确定断裂失效的模式、原因及其断裂的全过程， 以便制定今后防止类似事故发生的对策。断口分析的过程是利用宏观和微观分析 的方法对零部件断裂失效进行系统研究的过程。 ( 1 ) 失效事件的调查和残骸的收集 由于零部件的失效事故往往发生在服役现场，所以失效分析中断口的收集应 尽可能在现场勘察的基础上进行。现场勘察包括对失效前零部件运行状况的调查； 对现场当事人的调查以及对现场环境的调查。 失效残骸的收集是一项十分细致的工作，在现场拿动任何一块残骸之前，都 必须记录残骸的位置、残骸的破坏方式。与此同时还需要进行详细的拍照和绘制 适当的草图，编写目录清单，以保证事故地点的残片全部收集和所收集的资料反 映失效事故的全貌。 ( 2 ) 断口的选择和截取 4 绪论 大型结构件的断裂失效，往往在不止一个零件处开裂或一个零件会断裂成几 个部分。为了准确地分析失效时最早产生的裂纹( 称为主裂纹) 和裂纹源的位置， 首先需要对诸断口进行选择取样。选择的原则为：充分体现零件失效时的各种特 征，能提供整个零件直观损伤的重要证据，并特别要注意区别断裂的先后主次。 当残骸较大时，需要切制成数块，以利于保存和运输。 ( 3 ) 断口试样的清洗 在一般环境下断裂的零部件，断口表面均会受到不同程度的化学和机械损伤 或污染，这就给进一步进行断口分析带来困难。因此，对被污染的断口必须进行 仔细清洗。试样清洗的原则是：既消除灰尘、油污、腐蚀产物和其它可能的污染 物，而又保留其真实的断口形貌特征。 ( 4 ) 断口试样的保存 断裂失效分析工作最好在破断刚刚发生后的现场立即进行，这样可以避免和 减少断裂件在保存与运输过程中的损伤和腐蚀，以排除不必要的假象，提高分析 的准确性。但是由于时间、地点和条件的限制，任何一项失效分析工作都不可能 立即进行和连续完成，因此，切取后的断裂试样的保存也十分重要。 为了尽可能地保持破断件的原始状态，万万不可使断口的两个匹配表面相撞 与摩擦，以免损伤其微观形貌，也要避免用油棉纱或手擦拭断面。切割下的试样 要用热风吹干后，存放在干燥容器内，或者使用醋酸纤维纸进行封存。 2 、宏观分析技术 用肉眼、放大镜或体视显微镜直接观察和分析断裂零部件的裂纹走向及其断 口形貌的方法称为宏观分析技术。所使用的放大镜或显微镜的放大倍数仅在2 0 倍 以下。宏观分析方法是失效分析中最基本、最常用的方法，是整个断裂零件失效 分析的基础。 ( 1 ) 断口颜色 观察断口表面光泽与颜色时，主要观察有无氧化色、有无腐蚀痕迹、有无夹 杂物的特殊色彩及其它颜色。通过对断口颜色的观察可以推断断面开裂顺序、开 裂时的环境变化以及断面开裂时扩展速率的变化。 ( 2 ) 断口上的花样 注意观察断口上是否出现疲劳贝壳状花纹、撕裂棱线、人字花样等宏观特征。 ( 3 ) 断口的粗糙程度 断口的粗糙程度可以反映出材料的脆韧、晶粒的大小、冶金缺陷以及断裂过 程裂纹扩展速率的高低等，因此在宏观分析时应予以足够的注意。 ( 4 ) 断口的边缘情况 观察断口的边缘有无台阶、毛刺、剪切唇和有无较大的塑性变形，可以判断 5 北京交通人学硕+ 学位论文 裂纹源的部位。对断口边缘表面缺陷的观察也十分重要，表面的冷热加工缺陷以 及表面的大块夹杂物、严重的机械损伤都为分析失效原因提供有力的证据。 ( 5 ) 断口与失效零部件的相对位置关系 通过分析断口与失效零部件的位置关系和变化情况，可以判断失效零部件的 受力情况以及应力集中程度。一般正断型断裂，宏观断面的取向与最大正应力相 垂直，常见于解理断裂或形变约束较大的场合；而切断型断裂，宏观断面的取向 与最大切应力方向相一致，而与最大正应力约呈4 5 。交角，常发生于滑移型形变 不受约束或约束较小的情况。 ( 6 ) 断口上的冶金缺陷 对于铸件，应观察断口上有无疏松、缩孔、异类金属夹杂、热裂纹、白点、 晶粒粗大、气孔、夹砂等铸造缺陷；对于锻造、轧制件，应观察断口上有无分层、 中心疏松、异类金属夹杂、白点、发纹、折叠等缺陷。当冶金缺陷出现在零件表 面时，由于表面缺陷造成的应力集中，很容易成为裂纹源；当冶金缺陷存在于零 件内部时，降低了零件的承载能力，从而使裂纹扩展加速。 宏观断口分析的结果，均应用草图和照相把零件的全貌和断裂部位在整个零 件中的位置、有关失效的特征以及失效断口形貌等记录下来，这些记录对于分析 失效的原因是十分重要的。 3 、微观分析技术 断口微观分析技术是利用显微镜来分析断口形貌的细微变化，进一步分析断 裂的原因和机理，根据微观分析仪器的发展，扫描电子显微镜实现了实效分析中 直接观察断口的形貌，成为目前微观分析技术用于断口分析的最理想的分析仪器 之一。 扫描电镜的突出优点在于它的景深要比其它型式的显微镜要大得多；另一个 优点是放大倍数从低倍( 约8 2 0 倍) 到高倍( 1 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 倍) 连续可调，这 样在低倍时便于观察断口全貌( 相当于断口宏观分析) ，而在高倍时又便于选择性 地观察断口上的细微特征；它还可以利用电子束与金属试样表面作用产生的各种 信息进行微区成分分析、表面成分分析、剥层分析以及动态分析等多项综合性试 验。 应该指出的是，全面的断口分析工作一般应包括断口宏观分析、微观分析两 个方面。它们构成了一个不可分割的整体，两者不能相互替代，只能相互补充， 相互促进。过分迷信电子显微镜分析而忽视宏观分析，就可能只根据数个局部视 域作出武断结论，造成全局判断失误；反之，忽视微观分析而只凭一般经验对断 口作粗浅的肉眼或低倍观察，而急于作出结论，也会得出表面的，甚至错误的结 论。 6 绪论 1 3 论文的主要研究内容和方法 本文通过对货车关键零部件失效分析，从设计、制造、维修及运用综合研究 对策，为货车运用安全提供保障依据。主要研究内容包括： 第一章首先介绍了选题背景和工程意义，然后总体上介绍了货车转向架关 键部件的常见失效模式、开展失效分析的思路、步骤以及失效分析中采用的分析 和检测方法等。 第二章通过三起货车车轮崩裂案例，找出造成车轮失效的关键因素，综合 分析设计、冶金质量、制造加工质量和维修运用等方面应采取的改进和预防措施。 第三章通过三起货车车轴断轴案例，综合分析了轮轴压装工艺、卸荷槽部 位的加工工艺和防腐等对车轴疲劳断裂的影响，提出了对车轴加工工艺和轮轴压 装工艺的要求。 第四章通过两起货车轴承燃轴和裂损，找出关键因素，从轴承制造质量和 运用管理方面提出了应采取的改进措旌。 第五、六章通过货车转向架的重要承载件侧架和摇枕的疲劳断裂失效 案例，从铸造工艺，清砂、探伤、焊补和热处理等工序环节的质量，分析与侧架、 摇枕裂断的内在关联，提出了相应的改进和预防措施。 第七章全文总结，从货车转向架关键部件的设计、制造工艺和运营管理等 方面提出一些对策和建议，以确保铁路货车安全运行。 二 7 北京变通人学硕士学位论文 2 车轮的失效分析 车轮在使用中出现的主要伤损形式有：磨耗、辗堆、疲劳剥离掉块、轮辋疲 劳裂纹、制动剥离和制动热裂纹等。但近几年来出现几起车轮崩裂，造成列车脱 线或脱轨的险惟事故和重大事故，严重影响铁路运营安全，更有新制车轮出现辐 扳径向丌裂，将对列车安全造成威胁。下面对三起典型案例进行失效分析，找出 其原因，提出改进和预防措施。 2 1c 6 2 a t 车轮崩裂 2 0 0 5 年2 月1 1 日，西延线富县洛川问3 7 1 0 1 次货物列车机后3 4c e 卅 4 5 3 0 0 8 8 第三位车轴右侧车轮崩裂，造成机后3 4 、3 5 、3 6 位车脱轨，中断行车约 3 5 小时，构成货物列车脱轨重大事故。 21 1 崩裂车轮的现场调查 图2 - i 制裂车轮拼接后的形状 f i g2 - is p l i ta f h m o s a i c so f w h e e l s 在事故现场收集到2 0 多块车轮碎块断口观察表明，所有没有碰伤的断口均 为脆性断口，未观察到肉眼可见的疲劳断u 痕迹。崩裂车轮拼接后的形状及未拼 车轮的失效分析 接的散落小碎块形状见图2l 。 根据崩裂车轮的断裂位置、形状、断口宏观形貌、断口上的“发蓝”色等特 征可以判定最初断裂的部位为圈2 - 1 中距轮辋外侧面约2 0 6 0 m m 的轮辋纵剖面 处( 平行于轮辋外侧面) ，断口上呈现出由于温度升高所致的“发蓝”色痕迹：断 口的中部较平整、致密似“瓷状”断口特征。 裂损车轮在列车继续行驶过程中，逐渐发展成图2 2 所示的碎裂和崩轮，并 在钢轨踏面上留下周期性间隔为2 4 5 0 r n m 碾压痕和受到不同程度损伤的线路轨枕 等，轮辋纵剖面处断1 3 的偶合断口都已明显碰伤，并有部份轮鞍和辐板没有找到。 4 ”。、k 。铂k 图2 - 2 轮辋外侧面崩裂掉块后破损车轮继续运行时的碎裂和崩轮形状 f i g2 2 t 目r i ms i d e a f t e r b r e a k i n g o f f p i e sd m a g e d w h e n t h e w h e e l sc o n t i n u e t or u n r o u n d t h es h a p e o f f r a g m e n t a t i o na n d c o l l a p s e 2 1 2 检验分析结果 发生崩裂的车轮为带有辐板孔的8 4 0 d 货车车轮，发生崩裂后一侧辐板孔完 好，另一侧辐板孔位置完全断开，宏观观察表明均为脆性断口没有发现明显的 疲劳扩展特征因此可以排除谈车轮由于辐板孔裂纹导致车轮崩裂的可能性。 结合宏观观测结果，对该车轮进行了如下检验分析，以期能找出发生车轮崩 裂的原因。一是对轮辋部位以及整个车轮取热酸浸低倍试样：_ ：二是分段在掉块的 轮辋上切取试样，检查轮辋纵剖断面两侧的组织变化情况；再在断口“发蓝”部 位以及其它断口附近部位切取金相试样检验分析断口附近以及车轮本体的金相 组织；此外，还对车轮的硬度、化学成份和相关力学性能等一些常规理化性能进 行了测定。检验分析的取样位置见图2 - 3 。 匕京交通人学顼十学位论文 幽2 3 检验取样部位 f i 9 2 - 3s a m p l i n g l o c a t i o n t e s t 1 ) 断口宏观形貌 崩裂车轮的断口上没有旧痕，除轮辋纵断面有“发蓝”颜色存在外，基本上 都呈金属灰色特征。 观察轮辋纵剖环面发现：环形断r n 的外环( 轮辋踏面部) 和内环( 轮辋辐板 过渡区) 有剪切特征，断口的中部比较平整、致密，似“瓷状”断口特征，其中 虽先掉下( 现场提供) 的第一块和第二块纵断面上呈现出经历过高温过程的“发 蓝”颜色，每块环形掉块的横断面上均有“半月牙”状暗色区域，最大的“半月 牙”宽约3 2 r a m ，深约8 唧( 见图24 ) ；上述“半月牙”状暗色区域应为制动热影 响区，环形断口掉块的踏面周向有“刻度状”裂纹( 见图2 5 ) ，该裂纹应为“制 动热裂纹”。上述断口以外的辐板以及轮毂孔部分断口面具有数量不等的台阶状特 征，宏观上看呈“鱼骨”状或“羽毛”状，在这些断口上可见平直裂纹，是在轮 辋环形断口形成并碎裂以后发生脆性断裂而形成的。 图2 - 41 号断裂块一端的横向断口 f i g2 4 i b l o c k o 雎e n d o f t h e h o r i z o n t a lf r a c t z n ef r a c t u r e 2 ) 热酸浸低倍组织检验结果 圈2 - 5 号上与i l i 号接触一端的横向断口 f i 9 2 - 5 i ia n d i c o n t a c t t h e h o r i z o n t a l o n e f r a c t u r e 图2 - 3 中两位置的低倍组织分别见图26 和图27 。轮辋上观察到腐蚀程度不 车轮的失效分析 同的三个区域i 、i i 、i 。i i 区域的两条裂纹中，左边裂纹为轮辋断口的拼接， 中间部位的裂纹为车轮碎裂过程中产生。辐板上观察到腐蚀程度不同的二个区域 、v 图2 弗轮辋低倍热酸浸形貌圉2 7 轮辎、辐板、轮毂全截面低倍组织形貌 f i g2 6 f d l o e l o w t h 即3 1 a la c i df i g , 2 - 7s o l a r p a n e l s ，w h e e lr i m s ，w h o l e l e a c h i n g m o r p h o l o g ys e c t i o n a t o r g a n i z a t i o n m o r p h o l o g y 3 ) 轮辆金相组织、非金属夹杂物检验结果 分别在轮缘和外侧面浅色区域及中部轮辋断裂面附近区域取金相试样，采用 4 硝酸酒精溶液腐蚀后分析，其金相组织形貌见图2 - 8 图2 1 0 。在余相显微镜 下观察到三个区域的组织：轮辋踏面部位主要为细珠光体组织，外侧面和轮缘部 位的亮色区域为珠光体和网状铁素体组织，轮缘区域存在带状铁索体。 轮辋上非金属央杂物主要为条状硫化物和少量的链状氧化物，硫化物、条状 氧化物、脆性硅酸盐、塑性硅酸盐四类夹杂物级别符合标准要求。 图2 - 8 轮辋踏面部位细珠 光体组织x 4 0 0 f i g 2 8 t h e l i g h t b o d y x 4 0 0o r g a n i z a t i o n o i lr i m sf a c e 图2 - 9 轮缘亮色区域珠光体和 网状铁素体组织x 4 0 0 f i g2 - 9r i ml i g h ta r e af e r d t e p e a r l i t ea n dm e s h x 4 0 0o r g a n i z a t i o n 图2 1 0 轮绦上带状组织 形貌x 1 0 0 f i 9 2 1 0b a n d e ds t r u c t u r e m a p - l i k ex 1 0 0o i l r i m 4 1 化学成份检验结果 采用火花源原于发射光谱方法、i c p 直读光谱仪( 熔样) 、红外c 、s 测定仪对 车轮的轮辋外侧面、轮缘、轮辋中部和辐板进行化学成分测试，结果见表2 - 1 。 北京交通大学硕十学位论文 表2 - 1 化学成份检验结果( 重量百分比) t a b 2 一lc h e m i c a lc o m p o s i t i o ni n s p e c t i o nr e s u l t s ( w e i g h tp e r c e n t ) 元素 测点位置和方法 cs im npsc rn ic u ao 6 20 4 62 1 9o 1 3 0 0 1 8 0 1 0 0 1 00 1 1 bo 6 2o 4 42 0 5o 1 20 0 1 6 0 1 0 0 1 00 1 2 直读光谱 c0 5 50 2 90 6 60 0 3 3 o 0 1 8 0 1 0 0 1 0 0 1 2 ( 火花发射)d0 6 00 2 8o 6 40 0 3 20 0 1 8 0 1 0 0 1 0o 1 2 eo 6 30 4 62 1 70 1 3 0 0 1 3 0 1 0 0 1 0 0 1 2 f0 6 20 4 62 2 0o 1 30 0 1 6 0 1 0 3 4 4 ) 会帽检验 取拉伸试样粗端未变形部，在横截而上做金相检验，结果如下： 车轴的晶粒度为5 级，标准要求为5 8 级： 组织中的氧化物夹杂为2 级，硫化物夹杂为2 3 级，标准分别要求为小于等 于3 绒。 5 ) 车轴卸荷槽部位粗糙度检验结果 车轴的卸荷槽部位表面粗糙度情况为；右端该部位表面粗糙度为r a l6 0 ，左 端该部位表面粗糙度为r a 32 0 ，局部有较深刀痕，分别见图3 7 和图3 - 8 。 罗筠霸自 幽3 0 车轴左端卸荷槽裂断部位表面照片( bc ，d ) f i g3 7 l e f ta x l e b n 。a k i n g u n l o a d i n g p a r t so f t h es u f t h c e t r o u g h p h m ( a tb d ) 萨一 a )( b ) 幽3 - 8 车轴右端未裂断卸荷槽部位表面j ! 【片( a ，b ) f i g3 8 t h es u r f a c e t r o u 曲o fp h o t o so f t h er i g h ts i d ea x l e n o t b r e a k i n gu n l o a d i n gp a r t so f ( a , b ) 北京交通人学硕+ 学位论文 以上检验结果符台标准t b ，r4 5 1 1 9 8 6 及g b t5 0 6 8 1 9 8 5 的规定；但车轴左 端卸荷槽部位粗糙度不能满足标准t b t4 5 0 - 1 9 8 3 的要求。 3 2 3 裂断轴断口分析 1 ) 轴断口的宏观观测 1 5 6 4 号轴裂断位置在距离轴端约2 1 0 m m 处的卸荷槽部位。整个断口上均存在 一个较深月痕。图3 7 b 中呵看到断口处轴的外表面上沿刀痕扩展的小裂纹。断口 附近轴的外表面，从轴颈后肩圆弧过渡区延伸到卸荷槽部位，5 0 以上的圆周上可 见明显锈斑，( 见图3 8 ) 。断口的浅灰色光亮区为裂纹源区，颜色发黯并带有贝纹 线和放射纹的部分为裂纹扩展区，黑灰色区域为瞬时断裂区，分g 标注为a 、b 、 c 区，见图3 - 9 ，其中裂纹源区有主、次两个裂纹源区，分别标注为a 、a 区。 a 区表面明显发亮，其形状在整个断口面中象一个月牙( 图3 1 0 ) 裂纹源为 弧形线源，形成了此区的月牙外弧，外弧沿轴的表面，总长度约为1 2 0 r a m ，在外 弧线上分布着十多个肉眼可见的小台阶。 裂纹扩展区( b 区) 扩展总长度约为9 0 m m ( 图3 - 9 中的b 区) 。 c 区为瞬断区，面积较小，约占整个断口面的5 ，区是次裂纹源，见罔3 1 1 。 图3 - 9 车轴断面和分吒图 f i g3 9a x l es e c t i o n a n dz o n i n g m a p 图3 - 1 0 车轴断面a 区 晦。鉴。 a x l o t o 肌i g o 圈3 - 1 1 车轴断面c 、区放大 f i g 3 1 1a x l ec r o s s - s e c t i o n c 。a a 2 - e a t o 2 ) 轴断口的微观分析 对裂纹源区断口进行微观分析。扫描电子显微镜的微观形貌分析结果是： ( 1 ) 裂纹源为多源，形成的多个小台阶，小台阶的高度差和刀痕间距有对应 关系，电可看到断口处轴的外表面上沿刀痕扩展的小裂纹( 图3 - 1 2 ) ； ( 2 ) 在旋转弯曲载荷反复挤压、摩擦作用下，断口主裂纹源区可看到珠光体 片层结构( 图3 1 3 ) ； ( 3 ) 轴表面锈蚀区域的微裂纹( 图3 1 4 ) ； 下轴的失效分析 圈3 1 2 裂纹槔压的小台 阶和刀痕间距的关系 f i g3 1 2 c r a c k t h e m d o no f t h es m a l ls t e p s a n d t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e np i t c h m a r k s 图3 - 1 3 断口裂纹源区的 玮光体片层结构 f i g3 1 3 啪c kf r a c t u r eo f m e f i o u i 雠r e g i o n o f t h e $ l i n l c t t l l eo f l a m e l l a r p e a r l i t e 图3 1 4 轴表面的微裂纹 f i g3 - 1 4a x i ss u r f a c e 进一步对裂纹源区的盒相组织观察发现，存在严重的铁素体偏聚，在纵向和 横向金相上均呈现不均匀分布( 见图3 1 5 ) 。 ( a ) 玻劳罅区的组纵丰u 裂纹 ( b ) 沿轴的纵向( 轴内鄢)0 ) 沿轴的横向 图3 - 1 5 铁素体不均匀偏聚1 0 0 x ( a , b ，c ) f i g , 3 - 1 5i n h o m o g e n e o u sf e r r i t es e g r e g a t i o n1 0 0 。“b ，c ) 3 2 4 断轴原因分析 根据上述检验和分析结果，可以得出1 5 6 4 号轴的裂断原因： ( 1 )卸荷槽部位的表面锈蚀，以及锈蚀区域存在的较深加工刀痕，损失了 一定的疲劳裂纹萌生寿命： ( 2 )长弧形线源使裂纹很快进入中速扩展阶段： ( 3 ) 严重的非正常铁素体偏聚组织形成大量的疲劳累积损伤微裂纹，加快 了裂纹扩展速度，直至车轴断裂。 3 2 5 改进和预防措旌 北京交通大学硕士学位论文 针对1 5 6 4 号冷切轴的断轴原因，采取以下改进和预防措施： (