内燃机车车轴断裂原因分析

邹洪寿

(南车四方机车车辆有限责任公司，青岛　266041)

[摘　要]某型号机车车轴在使用中发生断裂，通过对失效车轴进行宏观检查、断口分析、金相组织检验、化学成分分析、性能测试和运行状况调查等，对断裂原因进行了分析。结果表明，机车运行中发生过抱轴瓦烧瓦，轴表面产生了热应力微裂纹，部分微裂纹在工作应力的作用下疲劳扩展，最终疲劳断裂。

[关键词]内燃机车；车轴；疲劳断裂

1　引言

某型机车在检修时将已经正常运行了两年半的机车第三轴探伤检测合格后装在另一型号机车上继续使用。一年半后该机车在使用中发生空转、异响，检查发现轴箱温度较高，车轴断裂，相关部件发生不同程度破损。对相关件进行检查后，确认车轴断裂在先，其他损坏件都是被动破断。对断裂车轴进行了表面质量、断口特征、磁粉检测、化学成分、机械性能、金相组织分析以及运行状况调查，通过综合分析，给出了车轴断裂的性质和原因。

2　宏观检测

对断轴及相关部件进行观察分析，车轴为疲劳断裂，其他部件均为瞬时过载致断。车轴断裂部位位于抱轴瓦中部，距轮座内侧约200mm，断裂面与轴线基本垂直，见图1。目测发现断口附近轴表面呈明显回火蓝色，并存在多处划伤，应为断后非正常摩擦所致(图2)。

3　断口形貌观察

断口周向有多个疲劳源，均从轴表面起源向内部扩展(图3)，图中左上方为主疲劳源。断口具有明显的贝纹线特征，这些贝纹线的后期呈同心圆状，最终瞬断区位于断口中心偏一侧。疲劳扩展区约占断口面积的90%以上。根据以上特征，说明断口属典型的多源疲劳断口。

从上述结果可以看出，该车轴断裂的起因是轴表面多处已存在能导致应力集中的微裂纹，而这些微裂纹的应在检修之后产生(检修后探伤合格装车)，与原车轴状态无直接关系。很有可能是重装后的一年半时间里，发生过烧瓦等异常现象。烧瓦时的热应力引起的微裂纹成为疲劳源而最终导致轴疲劳断裂。

4　理化检测

用便携式磁粉探伤仪(马蹄探伤仪)对断口附近圆周表面进行磁力检测，发现断口附近存在大量网状或条状裂纹(图4、图5)。对这些裂纹进行金相检查，裂纹内存在明显的氧化物和杂质，深度在1mm之内，如图6所示。

经对断轴芯部取样进行检验，其组织为较均匀的铁素体+珠光体，晶粒度为6级～7级，属正常正火组织(图7)。

　  在轴断裂部位附近取样进行化学成分分析，结果见表1。可以看出，轴的化学成分符合技术标准的要求。

根据TB1027《机车车轴技术条件》规定，从断轴轴头<160mm端取性能试样进行试验，结果见表2。可以看出，各项性能指标符合技术条件的要求。

5　运行状况调查

经后期赴段调查，该机车曾在检修后的运行过程中发生过轴温过高，更换过抱轴瓦。车轴重装时未经探伤，直到断裂前机车运行基本正常。

6　分析与讨论

车轴断口呈明显的疲劳特征，扩展区平坦，占整个断口面积的90%左右，瞬断区很小。从对失效轴的理化检测数据来看，该轴的化学成分、金相组织、机械性能均在标准要求范围内，并且已运行了一个检修期，轴的断裂应与材质无关。磁粉探伤发现断口附近轴表面存在明显网状、条状裂纹，这些裂纹应在疲劳发生之前就存在。因为一旦疲劳沿某条裂纹开始扩展，其附近裂纹将停滞扩展，一般不会再在附近形成新的裂纹。机车车轴发生抱轴瓦烧瓦时，车轴表面温度瞬间急剧升高，表面与次表面间产生很大温差，轴表面存在很大热应力和组织应力，类似磨削过程。当某区域的应力超过材料的强度极限时，轴表面便会产生区域性微裂纹。带有微裂纹的车轴继续运行时，局部应力较高的裂纹将扩展，有效承力面积减小，直至最后断裂。

7　结论与建议

机车车轴发生抱轴瓦烧瓦后，车轴表面便产生了区域性热应力微裂纹；带有微裂纹的车轴继续使用，在一定条件下，某一条或几条微裂纹发生应力集中，导致此裂纹首先扩展，在旋转弯曲力的作用下，裂纹不断扩展，最终导致疲劳断裂。机车轴烧瓦后，根据烧瓦程度不同，车轴表面会变成淡蓝色或蓝色，可根据颜色，作出烧瓦程度的初步判断。机车发生烧瓦事故后，不得继续运用，必须对车轴进行磁力检测，确认表面无微裂纹后，方可继续使用。