动车转向架六角头螺栓断裂失效分析

动车转向架六角头螺栓断裂失效分析

胡赵佳

中国铁路北京局集团有限公司北京动车段北京102600

摘要：在动车的运行状态下，虽然动车系统的总体规模十分庞大，但从细节的支持运转的零件的角度来看，存在多种不同类型的细节零件，并且从零件功能的角度分析，可知虽然部分零件的规格较小，但在动车系统的运行中却发挥着非常关键的作用。在动车的转向架结构中，需要用到六角头螺栓这种结构的零件，其主要的功能在于保持扎转向架各个部分结构的紧固连接，正常发挥转向架的作用。一旦转向架周边的六角头螺栓发生断裂，则转向架本身的运行状态会受到相应的影响，且会进一步引发转向架在运行安全方面的问题，因此，针对螺栓断裂失效的实际情况进行分析是非常必要的。

关键词：动车转向架；六角头螺栓；断裂失效

引言：

当动车转向架的六角头螺栓发生断裂后，会直接影响到转向架的正常运行状态。一旦发生断裂现象，会引发一系列动车运行状态上的异常。因此，需要对其失效状态进行分析和研究，确保及时采取正确的措施稳定动车的正常运行。

一、六角头螺栓的类别和原材料

（一）类别分析

关于六角头螺栓的具体类别，有外六角头螺栓和内六角头螺钉两种主要类型，如果对这种零件的类别进行细分，可知分类的方法还包括了连接与受力的方式，在具体的连接过程中，有较制孔用和普通用两种用法，如果是用于铰制孔的螺栓，则需要保障螺栓本身的规格和孔径的匹配性。另外，不同的六角头形式，也决定着螺栓紧固的效果和紧固力度[1]。其中，六角头螺钉是一种规格相对较大的螺钉形式，设计中主要将其用于扳手的转动。而内六角螺栓的螺丝外头为圆形，中间的六边形也是凹槽形式，实际应用中，不同类型的六角头螺栓在适用范围和使用效果上也有相应的差异。

（二）关于这种螺栓结构的原材料类型

螺栓结构要想正常的发挥作用，与其本身的原材料质量有直接的关系。因此，需要针对螺栓结构的原材料类型进行分析也是非常必要的。从具体的原材料类型上来讲，主要包括了碳钢、不锈钢、铜。其中，碳钢的具体规格包括了低碳钢、中碳钢和合金钢的形式，三者之间的区别主要是由于其中的碳含量的差异。另外，虽然螺栓本身的规格是相对较小的，但这种零件在应用中的标准化要求非常高，存在多种不同类型是螺栓的国家标准规格。例如GB/T5780-2016、GB/T5783-2016、GB/T5785-2016。

二、关于螺栓失效的具体分析

（一）化学成分分析

关于失效螺栓的化学成分，需要采用专业的设备进行分析和研究，通常情况下会采用直读光谱仪进行分析。从总体的化学成分类型上来说，正常的螺栓和失效的螺栓在各种化学成分的含量上是存在差异的。并且关于这种螺栓的各个化学成分的标准化含量也有其相应的范围[2]。例如，碳元素（C）在螺栓中的含量标准范围为0.32至0.40%，而如果在螺栓失效的检测中，检测出这一元素的成分含量低于这个范围，则代表失效的主因与C元素的成分含量有关，而如果C元素的成分并没有发生相应的变化，则可以在检测中排查分析其他化学元素的成分变化是否是造成失效现象的主要原因，可监测的化学元素还包括Si、Mn、P、S、Cr、Mo。

（二）外观分析

这方面的分析，主要是集中在螺栓结构整体的完整性上的分析，也就使针对螺栓断裂的具体区域进行观察和粉丝，通常情况下，比较容易发生断裂情况的区域集中在螺栓靠近头端的光杆区域，常规断裂一般不会检验发现有塑性变形的情况，只有当螺栓的断裂轻度过大时，才会出现塑性变形的情况[3]。

（三）专业电镜扫描与能谱角度分析

电镜扫描的方式，需要首先从低倍的扫描图像为起点进行观察。在低倍样貌的观察中，主要可以对断面的粗糙程度、是否发生塑性变形的情况进行准确的了解和观察，另外，断口区域是否发生了颜色的变化，也可以通过扫描确认。而能谱分析的主要特点，就是能够从更加细节维度上观察螺栓的整体形貌。具体的精确程度达到1000μm。

（四）关于金相组织的分析

金相组织的分析环节，需要针对已经断裂的螺栓结构从纵向的方向进行剖开观察，观察要点在于断面中已经变色的区域在纵截面的状态下的抛光态形貌。如果变色区域的断面形态趋势复杂且曲折并且存在部分氧化的现象，并出现裂纹和内部的氧化物填充的问题，则意味着失效程度是相对较大的。另外，从化学性质的角度分析，为了更进一步对失效螺栓的情况进行分析和了解，需要应用化学试剂开展进一步的腐蚀观察[4]。所用化学试剂为浓度为4%的硝酸酒精溶液。腐蚀操作完成后，如果观察到螺栓出现脱碳现象或者失效的螺栓核心区域组织结构转变为均匀的回火索氏体组织，则可根据相关的判定标准判定螺栓失效级别为10级。另外，关于腐蚀检验方面，还可以应用饱和苦味酸溶液进行检验。检验时，主要通过观察断面的组织界面扩散情况，结合具体情况判别具体的失效级别。

（五）全面角度分析

综合的来讲，当断面出现变色，并且变色面积范围达到一定的程度后，就可以初步判定失效情况，随后，应当进一步观察其内部分支的断裂情况，裂缝两侧的脱碳现象。另外，如果沿晶形貌出现并且晶体界面变粗，则应当借助能谱扫描仪进一步分析和观察是否有氧化的问题。最后，对于螺栓失效情况的判断，包括了过烧情况引发的断裂、过载情况引发的断裂。应当针对性的加强在锻造环节中的保温时间控制，从而减低过烧现象的发生几率。

三、结束语

动车转向架的六角头螺栓发生断裂的情况，其断裂的具体情况和现象是具有较高的复杂性的，需要在失效分析中应用不同类型的专业辅助鉴别工具和化学与物理鉴别方法结合开展失效鉴别。另外，鉴别过程中可以得到的细节信息和现象的具体情况，应当做好相应的数据和图片记录，从而为最终的断裂情况解决措施的制定提供支持。

参考文献：

[1]于闯,高明亮,邵俊捷,等.动车组转向架智能监控分析平台研究[J].城市轨道交通研究,2018,21(2):67-71.

[2].高速动车组横向悬挂系统失效故障的诊断方法[J].中国铁道科学,2017,38(6):118-124.

[3]许娜.高速动车组转向架钢弹簧疲劳寿命仿真分析[J].现代制造技术与装备,2019,269(4):202-206.

[4]吕松江,黄选平,戴建新,等.转向架重大部件临近使用寿命的统计与“再制造”技术研究[J].价值工程,2017,36(3):107-109.