运行10,年的牵引电机铝端盖性能评估

廉永峰，吕志成，范小晶，姬晓峰

（中车永济电机有限公司，陕西 西安 710000）

随着中国铁路行业的快速发展，列车的行驶速度越来越快，车辆逐渐向轻量化方向发展。牵引电机为满足轻量化要求，传动端、非传动端结构一般采用铝端盖和锻钢轴承室结构。在前期设计及试验验证中，已对该结构的力学性能进行仿真分析并进行模拟长寿命试验，满足服役期间的可靠性及安全性要求。但该类铝制部件长期运行后是否可靠、性能是否发生变化、是否存在潜在风险仍是需要关注的问题。这些问题是决定牵引电机在全寿命周期内、在检修周期内能否继续可靠运行的关键。

目前，牵引电机在运行两三年后需进行检修，对牵引电机轴承进行更换，对其他部件进行相关检测及更换。由于牵引电机传动端、非传动端盖为铝制部件，仅能对尺寸及关键部位进行探伤，无法评估其整体性能。在该部件运行10 年后是否能满足后续运行要求、性能是否发生变化，这些问题需进行相关研究。

为评估铝端盖相关性能，主要通过对新造部件与服役10 年的部件进行性能对比，性能对比涉及成品部件材料自身的力学性能检测、疲劳极限测定、S-N曲线测定及残余应力测试。

成品材料自身的力学性能检测，主要指标为抗拉强度Rm、规定塑性延伸强度Rp0.2、断后伸长率A（%）、断面收缩率Z（%）。疲劳极限为在交变循环大至无限次（该铝制部件采用循环次数为107）所承受的最大应力值，疲劳极限的测试采用升降法。S-N曲线为材料的疲劳性能作用的应力范围S与到破坏时的寿命N（应力比R下，横幅载荷作用下循环到破坏的循环次数）的关系，S-N曲线的测定采用成组法和升降法。通过残余应力检测确定铝制端盖新造和旧品的残余应力水平。

2.1 样件数量

为满足力学性能检测、疲劳极限测定、S-N曲线测定，需确定样件数量，主要涉及前铝端盖、后铝端盖，新件、旧件，样件数量可根据实际需要调整，样件要求如表1 所示。

表1 样件要求

2.2 样件位置

样件的取样位置根据铝端盖实际安装应用情况、取样的尺寸要求确定，铝端盖外侧为与机座配合止口的位置、内侧为与轴承室配合位置，样件取样示例如图1 所示。

图1 样件取样示例

2.3 样棒制作

为保证样棒的成棒率，需进行样件试取及样棒制作，由于不同位置所取样件大小不一致可能会导致无法加工成同一种样棒，因此可根据不同的样件制作满足要求的样棒。

拉伸试验样棒制作参照GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1 部分：室温试验方法》[1]试验件具体尺寸要求：夹持端直径要求是至少为标距段直径的1.5 倍（建议4 倍），试验件标距段长度应是标距段直径的2～3 倍。

疲劳极限、S-N曲线样棒制作参照ASTM E466—2015《金属材料力控制恒定振幅轴向疲劳试验标准规程》[2]中规定，采用狗啃骨头型试样作为疲劳试验件，试验件具体尺寸要求：夹持端直径要求是至少为标距段直径的1.5 倍（建议4 倍），倒圆角半径至少为试验标距段截面直径的8 倍，试验件标距段长度应是标距段直径2～3 倍。

残余应力试验件尺寸不作强制要求，但需要保证截取的试样不得释放所测应力，应根据试验设备，合理选择试样尺寸，确保试样具备一定的衍射强度和一定峰背比的衍射曲线，所以本研究直接采用端盖整体作为样件进行残余应力检测。

3.1 样棒数量及检测依据

新件、旧件样棒数量各24 个，检测标准根据GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1 部分：室温试验方法》进行分析检测。

3.2 检测结论

所有样件检测结果均满足标准要求，新件的抗拉强度、规定塑性延伸强度、断后生长率和断面收缩率均大于旧件，检测结果如表2 所示。

表2 拉伸性能检测结果

4.1 样棒数量及检测依据

依据ASTM E466—2015《金属材料力控制恒定振幅轴向疲劳试验标准规程》执行，采用高镇同《疲劳性能试验设计和数据处理》一书中的小子样配对升降法进行4 种试样的疲劳极限测量[3]。以给定的应力为起点，循环基数为1.0×107，参考频率120 Hz。样棒数量取16 个左右（每种产品的具体试验件个数，计算每种产品数据的变异系数，以达到标准HB/Z 112—1986《材料疲劳试验统计分析方法》[4]规定的配对数要求为准）。

4.2 试验结果

旧制试验件疲劳极限为88 MPa，新制试验件疲劳极限为66 MPa，旧制试验件疲劳极限优于新制试验件的疲劳极限。旧件疲劳升降图如图2 所示，新件疲劳升降图如图3 所示。

图2 旧件20SS022424-1 疲劳升降图

图3 新件20SS022424-2 疲劳升降图

5.1 样棒数量及检测依据

根据ASTM E466—2015 及GB/T 3075—2008《金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法》[5]中规定的试验方法执行，采用成组法进行2 种试样的S-N曲线测量。以给定的应力进行3 级应力水平测试，暂定每级3 件试件，参考频率120 Hz。样棒数量取16 个左右（每一级应力具体试验件个数，计算每一级数据的变异系数，以达到标准HB/Z 112—1986《材料疲劳试验统计分析方法》规定的试验件数要求为准）。

5.2 试验结果分析

旧制试验件疲劳极限为88 MPa，新制试验件疲劳极限为66 MPa，新制试验件的疲劳极限低于旧制试验件的疲劳极限。旧件S-N曲线图如图4 所示，新件S-N曲线图如图5 所示。

图4 旧件S-N 曲线图

图5 新件S-N 曲线图

由于拉伸性能检测结果新件均优于旧件，但疲劳极限及S-N曲线结果为旧件优于新件。针对此问题，对2 种部件进行残余应力研究。

残余应力是当物体没有外部因素作用时，在物体内部保持平衡而存在的应力[6]。残余应力与成品服役前应力及服役期间使用状况相关，残余应力是有方向的，与规定坐标轴正向方向一致为“＋”，与规定坐标轴负向一致的面为“-”。

6.1 样件及标准

残余应力检测取前铝端盖、后铝端盖新旧各1 个，检测点如图6 所示。

图6 应力检测点

试验检测参照GB/T 7704—2017《无损检测X 射线应力测定方法》[6]中相关规定，应选择合适的试验设备，确保试样具备一定的衍射强度和一定峰背比的衍射曲线。

6.2 测试结果

根据检测结果，所有测量点均为压应力，除前铝端盖旧件周向应力及轴承室部位后铝端盖旧件轴向应力大于新件外，其余测量点应力旧件均小于新件，应力检测结果如表3 所示。

表3 应力测试结果

根据检测结果评估，运行10 年的铝端盖力学性能未发生明显变化，通过疲劳极限及S-N曲线检测及绘制，旧件性能显示均优于新件。

针对疲劳极限、S-N曲线检测结果及残余应力检测分析，旧件疲劳极限优于新件与残余应力降低相关。

由于该测试样件数量、检测过程可能会存在差异造成结果存在偏差，但可为评估已运行产品部件性能研究提供参考。

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