SS4改进型电力机车是我国铁路重载运输的主型机车，车轮结构有分体车轮和整体车轮。在对SS4改进型电力机车车轴进行超声波探伤检测时，产生了一些新问题，比如2007年11月22日，对SS4G7Cr76#机车进行一次中修时．由于轮心磨耗到限，人厂更换轮心，意外发现B4位轴号为04．0280的车轮在退下轮心时车轴压装轮心和齿轮心处有裂纹，经过磁粉探伤确认为周向裂纹，裂纹位置在距轴端面512舳处，长度为沿圆周扔周，根据磁痕分析为疲劳裂纹。该机车于2004年4月新造，走行568 701 km。接着200r7年12月4日，又发现SS4G6153#机车A4位车轴在轮心和齿轮心压装部位处有疲劳裂纹，裂纹位置在距轴端面515栅处，分布圆周一周；另一端在距轴端面5 l 5 mm处也发现裂纹，长度为沿圆周断续一周。Ss4G615鲥机车是2005年1月新造，走行了514 228 l∞。这2台机车车轴裂纹都是人厂更换轮心在退下轮心和齿轮心情况下，用磁粉探伤发现裂纹的。根据湖东电力机务段技术管理条列，凡是机车轮对大修入厂前或大修回段上车前必须按照中修探伤范围进行探伤检查，也就是说，这2根车轴在入厂前应采用小角度探头和横波探头进行超声波探伤的，经过查探伤记录，超声波探伤记录良好，没有裂纹记载。新造机车车轴运用50多万km产生疲劳裂纹，而产生疲劳裂纹的部位恰恰在车轴的压装部这个疲劳裂纹产生的惯性区域，同时超声波探伤没有发现裂纹，这一现象引起机务段管理人员和工程技术人员极大重视，要求从技术角度分析其中原因。
1、原因分析
车轴是机车机械走行部关键部件，在运用中起着向钢轨传递静载荷和牵引力、制动力的作用，另外还刚性承受来自钢轨接头、道岔、线路不平的垂直和水平作用力，是一个受力复杂、工作条件恶劣的部件。SS4改进型电力机车是我国铁路重载运输的主型机车，车轮结构有分体车轮和整体车轮。我国早期生产的机车车轮都是采用带轮箍的组合式分体车轮，这种车轮大的隐患就是其一旦发生轮箍崩裂或弛缓，极易造成机车脱线，甚至列车颠覆事故．后果不堪设想。随着列车速度的提高，这种隐患的危险性更加突出，为避免该隐患，铁道部在运装技验（2000）269号《加强机车走行部管理意见》文件中规定“机车要逐步合理地采用整体辗钢车轮，从2001年起，新造干线客货运机车全部采用整体车轮”。所以2001年以后生产的SS4改进型电力机车车轮都采用了整体车轮，车轴结构也随之发生了改变，齿轮心直接压装在车轴上，压装轮心和齿轮心的车轴直径分别是238 mm、245 mm，期间没有采用圆弧过渡而是采用了直接过渡，只在压装齿轮心变径处加工了5 mm的倒角，这个部位作为传递牵引力转矩的连接部位，成为交变应力的集中区，同时轮心与车轴、传动齿轮与车轴组装均方过盈配合，2个组装应力也集中在这个部位上，机车长期重载运用中使车轴产生疲劳裂纹。产生裂纹根本原因是车轴设计不合理，在压装部位没有采用圆弧过渡。
2、SS4改进型电力机车车轴（整体车轮）超声波探伤工艺制订情况
由于SS4改进型机车车轴（整体车轮）是车轴，铁道部相关文件和工艺没有涉及到该型车轴的探伤方法。在制订SS4改进型电力机车车轴超声波探伤工艺时除考虑车轴压装部内、外侧疲劳裂纹惯性发生区外，也考虑了车轮轮心和齿轮心压装部结合处。因此在车轴实物试块上加工校对探伤灵敏度的人工缺陷有3个位置，即距离车轴端面360mm、520mm、640mm处分别加工深度为2mm、5mm的人工缺陷，如图5.1所示。车轴齿轮压装部内侧用70小角度纵波探头扫查，当齿轮压装部内侧发现缺陷后用6。小角度纵波探头进一步核查；齿轮压装部外侧发现缺陷后用80小角度纵波探头核查；轮心压装部外侧用11 o小角度纵波探头扫查。同时规定车轴压装部内侧用Kl横波斜探头探伤，外侧用K2横波探头扫查，用纵波直探头对车轴进行透声性能检验和内部缺陷、大裂纹查找。
SS4改进型电力机车车轴实物对比试块
SS4改进型电力机车车轴小角度探头探伤示意图
3、整体车轴探伤
（1）裂纹车轴光轴磁粉探伤
磁粉探伤在车轴齿轮和轮心压装部结合部（在距轴端面515 mm处）发现裂纹，长度为分布圆周一周。
（2）裂纹车轴光轴超声波探伤
采用小角度70和80探头从车轴端面探伤，在车轴实物对比试块上该位置2 mm深度人工缺陷为探伤灵敏度（波高80％）探伤，发现距轴端面515 mm处发现裂纹波形，波高度30％（波形见图3、图4），从波形分析裂纹深度约为0．7mm，但探头在车轴端面只有50 mm弧长能够发现，其他大部分面积上不能发现该裂纹波形。用K1横波斜探头在抱轴颈探伤车轴，探伤波形波高只有5％ （波形见图5），同时只有个别位置才有波形。
图3 探头探伤车轴裂纹波形 图4 探头探伤车轴裂纹波形
图5.5 Kl探头探伤车轴裂纹波形 图5.6 度探头探伤组装车轮良好车轴波形
（3）组装轮对车轴超声波探伤
湖东电力机务段没有退轮能力，只能采用小角度纵波探头在车轴端面对轮心和齿轮心压装部进行扫查，探伤条件受到限制，探伤人员必须根据超声波探伤仪波形动态、位置及波高这几个参数进行综合评判得出结论。湖东电力机务段在2002年初开始配属sS4改进型电力机车（整体车轮），在该机车整备作业时按规定进行车轴透声检查，查找大裂纹，并按照工艺规定用70小角度纵波探头对车轮压装部进行探伤，当时发现该型机车车轴距轴端面520 mm左右有一个固定波（见图5.6），通常在探伤灵敏度下波高30％～40％，查车轮组装图发现车轮直接压装在车轴上，结构上和SS4改进型电力机车分体车轮车轴有变化，同时考虑是新造机车，车轴不可能有疲劳裂纹（小角度纵波探头作用是检查车轴疲劳裂纹的），所以判断该波形是超声波透过车轴和轮心结合面辐射到轮心形成的轮心反射波，但随着SS4改进型电力机车（采用整体车轮）数量的增加，车轴探伤数量也相应增多，发现这个波形在多数车轴上有，数量大约占车轴数量的80％以上，而有的车轴在探伤时没有这个波形，通过分析认为是车轮组装工艺不同造成。为进一步验证是否存在轮心反射波，2006年6—8月份，2次对SS4G687#、738#、739}}机车在入厂更换轮心前对车轴进行探伤，并记录了固定波高度和位置，在压下轮心后，用同一台超声波探伤仪和探头对这几台机车车轴进行超声波探伤和磁粉探伤，结果发现这个波形在未装轮心超声波探伤时波形消失，磁粉探伤该部位，没有缺陷显示，说明5 10—530 mm处确实是轮心反射波。
4、SS4改进型机车整体车轮车轴超声波探伤分析
铁道部机内（1988）84号《关于内燃、电力机车主要部件判伤标准的通知》规定车轴探伤灵敏度以2 mm深度人工缺陷为基准，波形达到80％，在此基础上进行超声波探伤，因为轮心和齿轮心压装后形成很多反射波，通常在50％左右，所以在判定裂纹波形时过40％，80％以上才进行判断。而SS4G6153#和7076样机车车轴产生的裂纹，正在这个位置，和轮心反射波几乎重合，并且波形较低，波高在30％，所以当时探伤人员没有识辨出来。但仔细看波形，还是和正常波形有很大差别的，如图7所示，首先在轮心反射波前出现一根单一、笔直、陡峭的波形，波形的位置在距离车轴端面510 mm处左右，其次出现疲劳裂纹波后轮心反射波高度稍微下降。
图7 7o探头探伤组装车轮车轴波形
5、SS4改进型电力机车整体车轮车轴改造
SS4改进型电力机车整体车轮车轴在2005年已经出现过在轮心和齿轮心压装部结合处产生疲劳裂纹，株洲电力机车有限公司（以下简称株电公司）以株机技转联（2005）第0077号对其生产的Ss4改进型、SS3B型电力机车整体车轮车轴利用返厂和中修进行改造，在车轴轮心和齿轮心压装部结合处车削加-T宽度为19 mm，深度为1 mm的应力缓冲区，并进行滚压强化处理，有效地延长了车轴使用寿命，减少了疲劳裂纹产生的机率，同时对新造机车车轴也按照该方案进行改造，经株电公司改造的新造机车在湖东电力机务段已经有33台机车进行过中修。到目前为止没有发现车轴裂纹。但对在役的车轴改造时发现加工1 mm深度的应力缓冲区，有的车轴不能将产生的疲劳裂纹车削干净，随后将应力缓冲区深度由1 mm增加到3 mm，这样一来，疲劳裂纹是经过改造车削掉了，新的问题也接着产生了，应力缓冲区深度增加到3 mm后，车轴直径由238mm过渡到232 mm时出现一个台阶，虽然进行了圆弧过渡，但在车轴端面采用小角度探伤时出现的波形和没有改造车轴产生的疲劳裂纹波形完全一样，这样增加了机务段探伤的难度，很可能将改造加工过的车轴误判为存在车轴疲劳裂纹。
以上从超声波检测方法到检测过程以及结果分析全面介绍了车轴缺陷的检测，为车轴的高质量运行提供了保证。
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