CN113624790B - 一种车轴表面残余应力评价方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

一种车轴表面残余应力评价方法及检测装置，属于铁路车轴安全性评价技术领域，该评价方法包括：步骤1：确定并标记测点位置，包括轴颈、轴身和轴座上对应截面周向成角度布置的多个测点；步骤2：确定所要测量的残余应力的方向，在轴颈、轴身处测量轴向残余应力，在轴座处测量轴向和周向残余应力；步骤3：使用X射线衍射法分别检测轴颈、轴身和轴座上测点的残余应力；步骤4：将测得的残余应力值与评价要求对比，得出结论，本发明的有益效果是，本发明实现了车轴表面残余应力规范性、连续性、稳定性测量，为车轴表面机加工工艺优化提供支撑，对生产现场质量监控与原因追溯提供帮助，进而可提升车轴服役的安全性。

Description

一种车轴表面残余应力评价方法及检测装置

技术领域

本发明涉及铁路车轴安全性评价技术领域，尤其涉及一种车轴表面残余应力评价方法及检测装置。

背景技术

车轴是列车行走机构的核心部件之一，随着铁路向着提速、大轴重方向发展，车轴服役工况环境越发恶劣，这些客观因素使得客户对车轴的可靠性的要求也越来越高，研究表明列车运行中车轴的各种损伤都与残余应力分布状态有较大的关系。车轴残余应力是车轴生产制备过程中塑性变形不均匀的必然结果，锻造、热处理、表面机加工都会产生残余应力。残余应力会显著影响材料的使用性能，如耐磨性、耐腐蚀性、断裂韧性、尺寸稳定性等，特别是影响材料的抗疲劳性能，车轴表面存在不适宜的残余应力还会恶化车轴表面的损伤，增加安全风险。

车轴表面残余应力主要受切削加工工艺的直接影响，机械应力和热应力对车轴材料的共同作用导致了残余拉应力或压应力的产生。目前没有专门针对车轴表面残余应力检测的规范，仅在部分车轴产品类标准中有相关要求，但没有明确车轴测点的具体位置，没有明确需要检测哪个方向残余应力，也没有对车轴表面残余应力差值范围提出进一步规范，无法全面反应车轴表面应力分布状态。而且目前也没有检测的具体的装置结构来保证检测设备的射线管(以X射线衍射仪为例)与车轴测量点的精准定位垂直度，这些都直接影响残余应力测试的准确性、稳定性的因素。

因此，需要发明一种车轴表面残余应力评价方法及检测装置，实现车轴表面残余应力状态的综合评价。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种车轴表面残余应力评价方法及检测装置，实现了车轴表面残余应力规范性、连续性、稳定性测量，为车轴表面机加工工艺优化提供支撑，对生产现场质量监控与原因追溯提供帮助，进而提升车轴服役的安全性。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述车轴表面残余应力评价方法，包括以下步骤：

步骤1：确定并标记测点位置，包括轴颈、轴身和轴座上对应截面周向成角度布置的多个测点；

步骤2：确定所要测量的残余应力的方向，在轴颈、轴身处测量轴向残余应力，在轴座处测量轴向和周向残余应力；

步骤3：使用X射线衍射法分别检测轴颈、轴身和轴座上测点的残余应力；

步骤4：将测得的残余应力值与评价要求对比，得出所测车轴表面应力分布状态，同时监控加工工艺的稳定性。

所述测点位置包括由车轴端部向中心依次设置的轴颈轴向的1/2处、轴座轴向的1/2处、轴座边部、轴身靠近轴座的一端和轴身轴向的1/2处。

所述轴座与轴身之间通过过渡圆弧相连，所述过渡圆弧靠近所述轴座的一端为轴座边部，所述过渡圆弧远离所述轴座一端10mm处为轴身靠近轴座的一端。

所述轴颈、轴身和轴座上的测量点均包括沿对应轴向表面位置处的截面周向间隔120°取的测量点；所述轴身轴向的1/2处的测量点还包括轴身表面下2mm处的周向间隔60°取的测量点。

所述残余应力的评价要求包括所测得的残余应力均为压应力，且轴座和轴身对应位置处的周向相邻两测量点之间的应力差值小于100MPa，且所述轴身轴向的1/2处，表面下2mm处周向相邻两点之间的应力差值小于40MPa。

对所述轴身轴向的1/2处，表面下2mm处的测量点进行处理的方法是，使用电解腐蚀仪器对轴身轴向的1/2处周向的6个测量点进行表面腐蚀，腐蚀坑的直径为4～6mm，深度为2mm。

一种车轴表面残余应力检测装置，应用在所述的评价方法上，包括转轴机，所述转轴机的两端将车轴的两端支撑并调节车轴的转动角度，所述转轴机的一侧设置有沿着车轴轴向可移动的承载台，所述承载台上安装有X射线衍射仪，所述车轴上架设有用于标记车轴检测点的测点定位尺。

所述转轴机包括底座，所述底座的一端设置有固定式托座，所述固定式托座上安装有与电机相连的主动托辊，所述底座的另一端滑动定位连接有移动式托座，所述移动式托座上设置有从动托辊，所述主动托辊和从动托辊上承载有车轴。

所述承载台包括载台本体及其四周设置的升降支腿，所述升降支腿底部安装有具有刹车功能的万向轮，靠近所述转轴机一侧的升降支腿上设置有多个磁性顶块，所述承载台通过所述磁性顶块与所述底座定位相连。

所述测点定位尺包括L形尺，所述L形尺包括尺身及其一端设置的固定卡爪，所述尺身上滑动连接有移动卡爪，所述固定卡爪和移动卡爪将车轴卡接；所述固定卡爪和移动卡爪之间的尺身上滑动连接有滑块，所述滑块内沿与所述尺身的垂直方向连接有游标尺，所述游标尺内滑动连接有测深尺，所述测深尺的底部连接有测量头，所述尺身沿其长度方向设置有刻度标识；所述尺身上沿其长度方向安装有水平仪。

本发明的有益效果是：

1、本发明基于车轴服役过程应力分布以及损伤安全性考量，对车轴的具体测量点进行了具体细化，即设定轴颈、轴身的测点评价轴向残余应力，由于轴座部位是与车轮轮毂压装结合，微动、疲劳损伤形式与轴颈、轴身存在一定差异，设定轴座部位的测点评价轴向、周向两方向的残余应力；而且还规范了残余应力的评价要求，要求整个车轴表面均为压应力，轴座、轴身两个部位周向相邻两个检测点的应力差值要求小于100MPa，轴身1/2处表面下2mm，要求周向相邻两个检测点的应力差值小于40MPa，既符合评价标准，又在评价标准的基础上进行了细化，可验证车轴表面加工工艺的稳定性、车轴周向应力分布的一致性和关键部位的应力状态。

2、本发明通过设计一种检测装置，将车轴放置在固定式托座和移动式托座之间，可根据需要调节移动式托座与固定式托座之间的距离，提高了承托的通用性，而且其中的固定式托座上的主动托辊由电机驱动其转动，从而通过从动托辊带动车轴以设定的速度转动设定的角度，从而方便对车轴上的测量点进行标记和测量；其中的用于安装X射线衍射仪的承载台可沿车轴轴向自由移动，通过磁性顶块将承载台与底座之间的距离固定，可保证承载台上的X射线衍射仪的探头在车轴检测点位置的正上方，可保证检测的稳定性；其中的测点定位尺通过移动卡爪和固定卡爪可将车轴卡接，通过水平仪可检测尺身的水平度，水平后将游标尺和测深尺移动到移动卡爪和固定卡爪之间的中间位置处，即为所要标识的测点位置，使测点位置的标记更加准确，而且游标尺中的测深尺可上下移动，可以检测腐蚀坑的深度，保证了测量点位置的准确性。

综上，本发明实现了车轴表面残余应力规范性、连续性、稳定性测量，为车轴表面机加工工艺优化提供支撑，对生产现场质量监控与原因追溯提供帮助，进而可提升车轴服役的安全性。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明中车轴的5个测量部位的结构示意图；

图2为图1中5个测量部位表面周向测点的结构示意图；

图3为图1中测量部位Ⅴ，轴身表面下2mm处周向测点的结构示意图；

图4为本发明中检测装置的结构示意图；

图5为图2中转轴机的结构示意图；

图6为图2中测点定位尺的结构示意图；

上述图中的标记均为：1.车轴，11.轴颈，12.轴座，13.轴身，14.部位Ⅰ，15.部位Ⅱ，16.部位Ⅲ，17.部位Ⅳ，18.部位Ⅴ，2.转轴机，21.底座，22.固定式托座，23.电机，24.主动托辊，25.移动式托座，26.从动托辊，3.承载台，31.载台本体，32.升降支腿，33.万向轮，34.磁性顶块，4.测点定位尺，41.尺身，42.固定卡爪，43.移动卡爪，44.滑块，45.游标尺，46.测深尺，47.水平仪。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明具体的实施方案为：一种车轴表面残余应力评价方法，包括以下步骤：

步骤1：基于车轴1服役过程应力分布以及损伤安全性考量，确定并标记测点位置，包括轴颈11、轴身13和轴座12上对应截面周向成角度布置的多个测点。

具体地位置如图1～图3所示，包括由车轴端部向中心依次设置的部位Ⅰ14、部位Ⅱ15、部位Ⅲ16、部位Ⅳ17和部位Ⅴ18，分别为轴颈11轴向的1/2处、轴座12轴向的1/2处、轴座12边部、轴身13靠近轴座12的一端和轴身13轴向的1/2处，其中，轴座12与轴身13之间通过过渡圆弧相连，过渡圆弧靠近轴座12的一端为轴座12边部，过渡圆弧远离轴座12一端10mm处为轴身13靠近轴座12的一端。由于轴座12与轴身13之间的过渡区域是车轴1应力集中最严重的区域，在靠近过渡区域布置部位Ⅲ16、部位Ⅳ17，可以评价此区域的应力状态。

每个轴向的测量点需要在对应的周向取点，取点的位置为：轴颈11、轴身13和轴座12上的测量点均包括沿对应轴向表面位置处的截面周向间隔120°取的测量点；轴身13轴向的1/2处的测量点还包括距离轴身13表面2mm处的周向间隔60°取的测量点。

步骤2：确定所要测量的残余应力的方向。根据车轴1服役实际疲劳损伤形式，设定轴颈11、轴身13的测点评价轴向残余应力。由于轴座12与车轮轮毂压装结合，微动、疲劳损伤形式与轴颈11、轴身13存在一定差异，故设定轴座12的测点评价轴向和周向两方向的残余应力，更能准确、全面地反应车轴1各部位的残余应力的大小。

步骤3：使用X射线衍射法分别检测轴颈11、轴身13和轴座12上测点的残余应力。首先，将X射线衍射仪校准后，转动车轴1使标记点位于车轴1圆周的最高点，与X射线衍射仪的射线管垂直，分别对车轴1的轴颈11、轴座12、轴身13上标记的测点进行轴向残余应力检测，完毕后车轴1转动120°再测量；然后，设置电解腐蚀仪器的参数，对轴身13中部位置圆周6个测点进行表面腐蚀，腐蚀坑直径4-6mm，深度2mm，利用X射线衍射仪对轴身131/2位置，圆周6个测点表面下2mm位置进行轴向残余应力测试；然后，调转X射线衍射仪90°，测量部位Ⅱ15和部位Ⅲ16处相隔120°的两个周向位置的周向残余应力。

步骤4：将测得的残余应力值与评价要求对比，得出所测车轴1表面加工工艺稳定性和应力分布状态的情况。其中的评价要求如表1所示。评价要求为：1、要求整个车轴1表面均为压应力，这对抑制车轴1表面损伤的恶化有利；2、部位Ⅱ15、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ处周向间隔120°的两个部位的应力差值小于100MPa，用于验证车轴1表面加工工艺的稳定性；3、部位Ⅴ18距离轴身13表面2mm处要求周向相邻两点之间应力差值小于40MPa，用于验证车轴1周向应力分布的一致性。

表1测点与评价要求

如图4～图6所示，上述评价方法所使用的车轴表面残余应力检测装置，包括转轴机2，转轴机2的两端将车轴1的两端支撑并调节车轴1的转动角度，转轴机2的一侧设置有沿着车轴1轴向可移动的承载台3，承载台3上安装有X射线衍射仪，车轴1上架设有用于标记车轴1检测点的测点定位尺4，将车轴1放置在转轴机2上后，使用测点定位尺4标记车轴1周向最高位置处的测点位置，转轴机2带动车轴1转动设定的角度后，再使用测点定位尺4标记测点位置，标记好后，将承载台3定位，使X射线衍射仪的探头与对应的车轴1测点相对，来检测对应测点处的残余应力，使车轴1不同位置处的残余应力的检测操作简单、可靠。

具体地，其中的转轴机2包括底座21，底座21的一端设置有固定式托座22，固定式托座22上安装有与电机23相连的主动托辊24，固定式托座22上还安装有从动托辊26，固定式托座22上的主动托辊24和从动托辊26安装在V形架的两端，电机23可通过带传动机构或齿轮齿条传动机构与主动托辊24的一端相连；底座21的另一端设置有导轨，导轨上滑动定位连接有移动式托座25，移动式托座25上设置有两个从动托辊26，两个从动托辊26安装在V形架的两端，主动托辊24和从动托辊26上稳定承载有车轴1。电机23可与控制系统相连，通过控制系统可设定电机23的转角和转速，可带动主动托辊24转动，从而在从动托辊26的辅助作用下使车轴1转动相应的角度，便于测点的标记和残余应力的测量。

具体地，其中的承载台3包括载台本体31及其四周设置的升降支腿32，其中的升降支腿32可设置成液压或电动升降支腿32，也可设置成套接后通过螺栓固定的支腿，升降支腿32底部安装有具有刹车功能的万向轮33，便于自由移动，靠近转轴机2一侧的升降支腿32上设置有多个磁性顶块34，承载台3通过磁性顶块34与底座21定位相连，通过多个磁性顶块34将承载台3与底座21之间的距离固定，可保证承载台3上的X射线衍射仪的探头在车轴1检测点位置的正上方，可保证检测的稳定性，而且无需在转轴机2一侧设置导轨，减少了整个检测装置的占用空间。

具体地，其中的测点定位尺4包括L形尺，L形尺包括尺身41及其一端设置的固定卡爪42，尺身41上滑动连接有移动卡爪43，固定卡爪42和移动卡爪43将车轴1卡接，用于在车轴1上定位该测点定位尺4；尺身41上沿其长度方向安装有水平仪47，该水平仪47设置为气泡式高精度水平仪47，通过水平中的气泡的位置判断尺身41的水平度；固定卡爪42和移动卡爪43之间的尺身41上滑动连接有滑块44，滑块44内沿与尺身41的垂直方向连接有游标尺45，游标尺45内滑动连接有测深尺46，测深尺46的底部连接有测量头，测量头用于标记测点位置，还可以测量腐蚀坑的深度是否符合要求，而且尺身41沿其长度方向设置有刻度标识，可用于直观地查看当移动卡爪43和固定卡爪42将车轴1周向卡接后，测深尺46是否位于移动卡爪43和固定卡爪42之间的中间位置，即为测点的位置。

运用测点定位尺4对测点进行定位标记的方法为：首先，通过移动移动卡爪43使其与固定卡爪42可将车轴1卡接，通过水平仪47中的气泡位于水平仪47中部可判断尺身41水平；然后，滑动滑块44，使游标尺45和测深尺46移动，通过尺身41上的刻度标识观察，测深尺46移动到移动卡爪43和固定卡爪42之间的中间位置处，通过向下移动测深尺46，使测深尺46底部的测量头在车轴1上点点，即完成了测点位置的标记。当使用电解腐蚀仪器对部位Ⅴ18处沿周向腐蚀6个腐蚀坑后，也通过测深尺46可以检测腐蚀坑的深度是否符合要求。

实施例一：

以EA1N材质、表面加工车轴1的检测评价为例对本发明作进一步详细说明。该成品交货车轴1的轴颈11、轴座12、轴身13加工工艺不一样，轴颈11增有滚压工艺，轴座12为精加工、轴身13为半精加工。

步骤1：吊装车轴1上转轴机2，调整可移动托座，使得车轴1的两个轴座12落在转轴机2托辊上。同时，记录车轴1表面清洁与规格信息。

步骤2：将X射线衍射设备固定在承载台3上，并对设备组装的水平度、探测器摆动角度及摆动位置进行调整，保障设备处于水平并以探测器中心摆动。利用标准样块对X射线衍射设备进行测量值校准。

步骤3：利用测点定位尺4测量该车轴1的轴座12直径200mm，输入与电机23相连的控制系统，设定120°、60°可自动转角，同时使用测点定位尺4对车轴1上的个测点进行测点位置标记。

步骤4：移动承载台3，使用X射线衍射设备按照轴颈11、轴座12、轴身13顺序逐点进行表面轴向残余应力测试。每个部位周向间隔120°的两个点通过控制电机23转动实现检测。

步骤5：轴身13上的部位Ⅴ18表面测点检测完毕后，利用电化学腐蚀仪器，沿轴身13部位Ⅴ18周向间隔60°腐蚀6个腐蚀坑(直径4mm，深度2mm)，每腐蚀一个随即进行清洁，防止残留腐蚀液污浊测点，完毕后，对周向6个腐蚀点进行轴向残余应力检测。

步骤6：承载台390°转向，使X射线衍射设备对轴座12部位Ⅱ15、部位Ⅲ16位置的4个测点进行周向残余应力检测。

检测结果见表2，其中，表中“-”代表压应力，“+”代表拉应力，未说明应力方向的数据均为轴向应力。

表2实例检测结果，MPa

结果评价：

(1)该规格车轴1现行轴颈11、轴座12处均为压应力，且轴座12处的轴向和周向两部位的应力差值小于100MPa，则轴颈11和轴座12的残余应力满足本发明的技术要求；

(2)该规格车轴1现行轴颈11、轴座12、轴身13中，相同部位两测点之间应力差异不大，可见各部位机加工工艺过程稳定，表面状态一致性较高；

(3)轴身13表面下2mm满足本发明的技术要求，但是轴身13表面出现拉应力，其表面加工工艺需要进一步优化。

因此，现场通过改变进给量进行最佳工艺窗口优化。结果见表3。表中“-”代表压应力。

表3轴身工艺优化后检测，MPa

轴身13加工工艺优化评价：

(1)经过优化，轴身13残余应力满足技术条件要求；

(2)优化后的工艺，影响层深度小，没有对表面下2mm应力分布产生影响。

实施例二：

以另一根EA1N材质的车轴1为例，其加工工艺与实例一中的车轴1相同，检测评价过程步骤同实例一，不再赘述。

实例检测结果发现轴身13两个测点(即部位Ⅳ17、部位Ⅴ18)之间的应力差异较大(差值远大于100MPa)，且轴身13部位Ⅳ17为拉应力，见表4。表中“-”代表压应力，“+”代表拉应力，未说明应力方向的数据均为轴向应力。

表4轴身表面应力，MPa

位置	部位Ⅳ表面	部位Ⅴ表面
			0°	+300	-230
120°	+421	-203

针对检测结果，对现场加工进行查因，发现由于设备异常造成加工刀具磨损，轴身13加工一小段后(即部位Ⅳ17附近区域)，现场操作人员发现了异常，并进行了换刀加工，故造成轴身13中部(即部位Ⅴ18)应力符合要求，而部位Ⅳ17不符合要求。借助本实施例的检测结果可有效对现场加工进行质量监控和原因追溯。

综上，通过以上实施例可见，本发明的评价方法可有效支撑现场加工工艺优化改进，质量监控和原因追溯、安全性评估以及其他相关研究的开展，适用性好。

以上所述，只是用图解说明本发明的一些原理，本说明书并非是要将本发明局限在所示所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (8)

1.一种车轴表面残余应力检测装置，其特征在于，包括转轴机，所述转轴机的两端将车轴的两端支撑并调节车轴的转动角度，所述转轴机的一侧设置有沿着车轴轴向可移动的承载台，所述承载台上安装有X射线衍射仪，所述车轴上架设有用于标记车轴检测点的测点定位尺；

所述转轴机包括底座，所述底座的一端设置有固定式托座，所述固定式托座上安装有与电机相连的主动托辊，所述底座的另一端滑动定位连接有移动式托座，所述移动式托座上设置有从动托辊，所述主动托辊和从动托辊上承载有车轴；

所述测点定位尺包括L形尺，所述L形尺包括尺身及其一端设置的固定卡爪，所述尺身上滑动连接有移动卡爪，所述固定卡爪和移动卡爪将车轴卡接；所述固定卡爪和移动卡爪之间的尺身上滑动连接有滑块，所述滑块内沿与所述尺身的垂直方向连接有游标尺，所述游标尺内滑动连接有测深尺，所述测深尺的底部连接有测量头，所述尺身沿其长度方向设置有刻度标识；所述尺身上沿其长度方向安装有水平仪。

2.根据权利要求1所述的车轴表面残余应力检测装置，其特征在于：所述承载台包括载台本体及其四周设置的升降支腿，所述升降支腿底部安装有具有刹车功能的万向轮，靠近所述转轴机一侧的升降支腿上设置有多个磁性顶块，所述承载台通过所述磁性顶块与所述底座定位相连。

3.一种车轴表面残余应力评价方法，运用如权利要求1或2所述的车轴表面残余应力检测装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定并标记测点位置，包括轴颈、轴身和轴座上对应截面周向成角度布置的多个测点；

步骤2：确定所要测量的残余应力的方向，在轴颈、轴身处测量轴向残余应力，在轴座处测量轴向和周向残余应力；

步骤3：使用X射线衍射法分别检测轴颈、轴身和轴座上测点的残余应力；

步骤4：将测得的残余应力值与评价要求对比，得出所测车轴表面应力分布状态，同时监控加工工艺的稳定性。

4.根据权利要求3所述的车轴表面残余应力评价方法，其特征在于：所述测点位置包括由车轴端部向中心依次设置的轴颈轴向的1/2处、轴座轴向的1/2处、轴座边部、轴身靠近轴座的一端和轴身轴向的1/2处。

5.根据权利要求3所述的车轴表面残余应力评价方法，其特征在于：所述轴座与轴身之间通过过渡圆弧相连，所述过渡圆弧靠近所述轴座的一端为轴座边部，所述过渡圆弧远离所述轴座一端10mm处为轴身靠近轴座的一端。

6.根据权利要求4或5所述的车轴表面残余应力评价方法，其特征在于：所述轴颈、轴身和轴座上的测量点均包括沿对应轴向表面位置处的截面周向间隔120°取的测量点；所述轴身轴向的1/2处的测量点还包括轴身表面下2mm处的周向间隔60°取的测量点。

7.根据权利要求6所述的车轴表面残余应力评价方法，其特征在于：所述残余应力的评价要求包括所测得的残余应力均为压应力，且轴座和轴身对应位置处的周向相邻两测量点之间的应力差值小于100MPa，且所述轴身轴向的1/2处，表面下2mm处周向相邻两点之间的应力差值小于40MPa。

8.根据权利要求7所述的车轴表面残余应力评价方法，其特征在于：对所述轴身轴向的1/2处，表面下2mm处的测量点进行处理的方法是，使用电解腐蚀仪器对轴身轴向的1/2处周向的6个测量点进行表面腐蚀，腐蚀坑的直径为4~6mm，深度为2mm。