第八节　车辆零件的损伤

车辆检修的中心任务是发现和处理各种零件的损伤。要正确地对车辆进行修理，必须了解车辆的损伤形式，影响损伤速度的因素和防止损伤的措施。

一、车辆零件的各种损伤影响因素及防止或减缓损伤措施

车辆零件的损伤主要有磨损、腐蚀、裂纹折损、变形及零件的松弛等五种。

（一）车辆零件的磨损

磨损是零件在工作过程中，由于摩擦使零件表面受到损失，使几何尺寸和表面粗糙度发生变化的一种损伤。

1.车辆零件的磨损

车辆零件的磨损有正常磨损和非正常磨损。正常磨损是相互接触并做相对运动的零件工作时在摩擦面上必然产生的一种损伤，如车轮踏面圆周磨耗。正常磨损是不可避免的。非正常磨损是工作条件不正常或材质不良引起的偏磨或急剧磨损，这种磨损不仅速度快而且引起其他危害，如车轮轮缘的垂直磨耗会引起车辆脱轨造成事故。如果消除了引起零件非正常工作的条件，非正常磨损是可以避免的。

2.影响磨损速度的因素

影响磨损速度的因素很多，主要有以下3个方面。

（1）零件的摩擦形式和载荷

一般情况下，滚动摩擦的磨损速度小于滑动摩擦的磨损速度。在同一种摩擦形式下，相对运动的速度、载荷增大及动载荷的成分增大都会使磨损速度增加。温度高时，金属的塑性增加，硬度降低，也会增大磨损速度。

（2）摩擦面间的介质

介质可分为两类，一类如润滑油、石墨、二硫化钼等润滑剂，使磨损速度降低。另一类如砂粒、铁屑等磨料，使磨损速度增加。

（3）摩擦表面的特性

两摩擦表面金属的。互溶性大，容易互相黏着，磨削的颗粒大，使黏着磨损的速度增大。钢和镍、铬等金属的互溶性大，同种金属的互溶性最大，所以应避免互溶性大的材料组成摩擦副。钢和铅、锡、锑、铟等金属的互溶性小，用它们组成的摩擦副，磨损速度会显著减小。

金属的硬度和组织也是影响磨损速度的主要因素之一。一般来说，硬度高使磨损速度减小，金属的硬度往往和其组织结构密切关连。多相且各相分散程度大的组织结构比单相组织的磨损速度要小，比分散小的多相组织磨损速度也小。试验表明，在相同组织下，含碳量高，钢的硬度也高；在相同含碳量下，珠光体、索氏体、屈氏体、马氏体的硬度依次增高，钢的组织和含碳量与耐磨性的关系如图1-25所示。

有些金属硬度不高，由于其组织结构的关系，耐磨性也较好。如灰铸铁、球墨铸铁，因其组织结构中有游离的石墨存在，能起润滑作用，提高了耐磨性；又如滑动轴承轴瓦上浇筑的白合金（铅、锡、锑合金），其组织结构易于油膜的形成，也提高了耐磨性。

适当选择粗糙度可以减少磨损速度。摩擦表面越粗糙，磨损速度越大。但没有必要使粗糙度过小，因为摩擦面在磨合后有一种稳定的粗糙度，一般选择零件在磨合后的粗糙度作为技术要求的标准。

加工精度过低会使摩擦面上载荷不均匀，或产生冲击，引起不正常磨损，造成磨损速度增大。如车轴轴颈的圆度、圆柱度不合要求，造成轴瓦与轴颈接触不良，会引起热轴事故。

3.降低磨损速度的方法

（1）提高摩擦面硬度

车辆大部分零件受冲击载荷作用，为使零件既有较高的硬度又有较好的冲击韧性，一般采用表面处理的方法来降低磨损速度。提高摩擦面硬度的方法主要有表面渗碳并淬火、滚压强化法等。

（2）适当的选择耐磨材料

应避免相同金属组成摩擦副，即使相同材料组成的摩擦副，也应使两摩擦面的组织结构和硬度不同。

另外，在零件的摩擦面上覆盖一层耐磨金属或非金属材料也是常用的减磨措施。覆盖的办法可以是电镀或喷镀，也可以用镶配的方法。

（3）采用润滑剂

在条件允许时，应尽量使零件处于液体摩擦状态，为保证液体摩擦的条件，要注意润滑油的质量和摩擦部分的密封条件。

有些零件受条件限制，不能形成液体摩擦，在摩擦面上涂抹润滑剂也可以显著降低磨损速度。

（4）保证零件的表面光洁和精度

零件新制或修理时要使表面粗糙度和精度达到技术标准，如零件的摩擦面焊修后一定要加工平整，互相摩擦的配合零件要使间隙符合标准，以免间隙过大增加冲击载荷而加剧磨损。

（二）车辆金属零件的腐蚀

车辆在露天工作，运行环境复杂，经受阳光、雨雪和各种腐蚀性物质的作用，其金属零件极易发生腐蚀。车辆车体的腐蚀是一个很严重的问题，修理车体腐蚀是车辆修理中最繁重的工作。车辆的寿命主要决定于车体的腐蚀状况。因此，研究车辆的防腐措施是十分重要的。

1.车辆零部件腐蚀破坏形式

车辆金属零件腐蚀破坏的形式有以下几种。

（1）表面的均匀腐蚀——铁锈：如车底架各梁、各板等因油漆质量差，常发生表面均匀的锈层。

（2）夹锈：发生在两连接件接触面之间。由于锈层的体积膨胀，可导致两连接件的焊缝、铆钉裂纹或松动。车体各梁、各板的连接处常发生夹锈。

（3）局部穿孔或大面积蚀透：腐蚀在零件的局部区域特别严重，造成零件蚀透。车辆底架各梁的盖板、翼板及车墙板、地板、车顶板易发生这种腐蚀。客车墙板的下部、厕所和盥洗室下部的铁地板常发生大面积蚀透。

（4）腐蚀性裂纹：由于零件表面受到腐蚀引起应力集中，而造成零件的裂纹，酸、碱类罐车的底架常发生这种裂纹。

（5）零件油漆层的鼓泡与剥落：油漆层过薄，空气中的水分透过油漆层使零件表面锈蚀，引起油漆层的鼓泡及剥落，这是车墙板及顶板开始腐蚀的常见形式。

2.影响车辆金属零件腐蚀的主要因素

影响车辆金属零件腐蚀的主要因素有以下4个方面。

（1）金属的成分和组织结构

一般低碳钢容易受腐蚀，但含有少量铜、磷的低碳钢（耐候钢）因其腐蚀产物可形成保护膜，能显著提高耐腐蚀性能。钢板经冷冲压制造的零件，其发生塑性变形部分因组织结构发生晶格滑移、破碎等变化耐蚀性显著下降。

（2）零件结构外形和表面粗糙度

零件集存水分的部分易遭受腐蚀，如客车外墙板下部内侧和地板连接处，因车内水蒸气凝结在墙板内侧，不断流到下部和地板上，造成严重的腐蚀。零件表面粗糙，也容易凝结和集存水分而受到腐蚀。

（3）周围介质的成分

车辆零件周围的介质是空气，空气的湿度、空气中的许多腐蚀性气体如SO2、H2S、HCl等及空气中的悬浮粒子等都会造成车辆零件的腐蚀。

（4）温度对腐蚀的影响

金属和周围介质的温度对腐蚀速度的影响很大，温度越高，腐蚀越快。如图1-26所示为铁在18％HCl溶液中腐蚀速度与温度的关系，可以看出腐蚀速度与温度指数函数的关系。

我国在广州铁路（集团）公司、成都铁路局运行的客车腐蚀速度最快，就是因为这些地区的气温高而空气湿度大造成的。

3.零部件的防腐措施

（1）设立防腐保护层

使易腐蚀的零件表面不能与大气接触，从而防止腐蚀。常采用的防腐保护层有以下几种。

①油漆防腐层：是车辆上应用最普遍的一种。为使油漆与零件表面接触牢固，油漆之前，要对零件彻底除锈。油漆层应有一定厚度，以增加它的防水透过性能。

②金属防腐层：在零件表面镀上耐腐蚀的金属，如镀锌、镀铬等，不仅防腐，有的还能起装饰作用。

③塑料防腐层：如有些罐车的内部喷涂塑料防腐。

（2）设计、修理车辆时充分考虑零件的结构

零件的外形应避免集存雨水；钢板搭接应避免间断焊缝，防止钢板间腐蚀夹锈；在易于积存水分的部位，避免使用冷冲压钢板制作的零件；避免两种金属直接接触等。

（3）采用耐腐蚀材料

目前世界各国都重视制造车辆的材料，以提高车辆耐腐蚀性能。现在我国已大量使用耐候钢，耐候钢耐腐蚀的机理是在低碳钢中加入少量的铜、磷等元素后，可以在金属表面形成致密、稳定的氧化膜，它能起到防护作用，避免向金属深层腐蚀。耐候钢不仅耐腐蚀性好，而且在机械性能方面也比低碳钢有所提高。

另外我国还逐步用高分子聚合材料代替金属做车辆结构材料，如用玻璃钢制做客车厕所、盥洗室地板，以防止零件的腐蚀。

（三）车辆零件的变形

车辆零件刚度过低或受到过大的载荷会发生变形。变形多发生在车体部分，如侧墙外胀、底架梁的下垂等，它使车辆承载能力下降，还会使车辆超出车辆限界，与线路两侧的设备碰撞造成事故。

车辆零件发生变形的原因除受到过大的载荷以外，还有在运用中受到不正常的冲击；或是零件设计不合理，或因受到腐蚀，使零件强度不足造成的。零件发生变形后，零件的受力状态发生变化，往往使应力上升，变形发展加快，或引起零件裂纹和断裂。

（四）车辆零件的裂纹折损

车辆零件在动载荷作用下工作，经长期使用，即使没有超载也能发生裂纹折损。零件折损是危险性很大的损伤，至今车轴折断、底架中梁折断等故障仍在威胁着铁路运输，所以要研究零件裂纹损伤的规律，在车辆检修时要及时发现零件裂纹并进行处理，消除容易引起裂纹折损的因素。

1.零件断裂的分类

车辆零件断裂按所受载荷的性质可分为：冲击断裂、静载断裂和疲劳断裂。按零件断口的形态可分为延性断裂（韧性断裂或塑性断裂）和脆性断裂。

延性断裂的特征为零件的断口有塑性变形痕迹，断口呈纤维状或有卷边（剪切唇），断口色暗。这种断裂可能是因为零件的设计不合理，或者是运用中受到过大的载荷等，使零件内产生的应力超过了材料的强度极限而造成的。

脆性断裂的特征为零件的断口没有可察觉到的塑性变形，断口平齐，能看到颗粒状的晶粒轮廓，比较明亮。脆性断裂的零件常常引起事故。当零件受到冲击时，如果零件有良好的韧性，通过材料的塑性变形，可以缓和冲击，减小冲击力，不易断裂；当韧性降低时，同样的冲击载荷会产生大冲击力，使零件断裂。

韧性材料也会发生脆性断裂，这与零件材料的应力状态有关。材料受三向拉伸载荷，且三向应力相等时，只能发生脆性断裂。零件表面有缺口，存在应力集中时，该部位常处于三向应力状态，是引起脆性断裂的一种原因。

疲劳断裂的断口没有明显的塑性变形，属于脆性断裂。疲劳断裂是零件在长期动载荷或交变载荷作用下，载荷引起的应力远小于零件材料强度极限的条件下发生的断裂。车辆的车轴、弹簧及车底架构件等零件在车辆运行中所受载荷是交变性的或有交变载荷的成分，所以这些车辆零件发生的断裂大部分属于疲劳断裂。

图1-27是车轴疲劳断裂的断口图，其疲劳区按发展的先后划分成三个区域。第一疲劳区是裂纹开始的部分。在长期运用中，由于受到交变载荷的作用，裂纹两侧不断研磨，加上空气的氧化，使断口光滑如镜并呈浓褐色；第二疲劳区断口呈淡褐色，第三疲劳区断口呈灰色，是裂纹逐步发展的区域；而最后折损区呈灰白色，是因疲劳裂纹发展后，车轴有效截面积减小，车轴的应力超过了材料的强度极限，车轴突然折断造成的断口。最后折损区断口粗糙并可能存在塑性变形的痕迹。如果零件上没有特殊缺陷，疲劳区只发生在零件断口的一侧。

如果受交变载荷的零件在载荷周期数不大的情况下折断叫做先期疲劳断裂，这常是由于零件的材质和外形存在不可忽视的缺陷造成的。

2.零件裂纹和断裂的原因

零件裂纹和断裂的原因，除不正常的载荷和零件设计不合理之外，主要是零件的材质、外形和表面有缺陷。由于裂纹、折损总是由零件产生最大应力的处所开始的，凡引起显著应力集中的缺陷，都可能引起零件的裂损。

（1）金属材料的缺陷

金属材料在冶炼、浇铸、锻压等过程中产生缩孔、气孔、夹渣或内部开裂、气孔痕迹、重皮；以及零件在热加工过程中温度过高，加热时间太长，使钢材的晶粒粗大，表面失碳。这些缺陷对材料的强度影响很大，又会引起应力集中，形成裂纹的起源，而且隐藏在材料内部不易发现，是十分危险的隐患。

（2）零件外形的缺陷

如零件断面骤然变化，引起过大的应力集中，易于引起疲劳裂纹和其他裂纹。疲劳裂纹产生的机理是车辆在运行中零件所受载荷是交变的，使应力大的部分产生塑性变形，反复的塑性变形会引起微观的裂纹，细微的裂纹会合后，逐渐向金属深处发展，结果使零件折断。

零件外形与其强度的关系可由补强板的例子来说明。在试验室中分别对钢管上加三种不同形状的补强板进行疲劳试验，补强板的形状如图1-28所示。结果第（2）种比第（1）种的疲劳寿命提高3.2～3.3倍，第（3）种比第（1）种提高3.3～3.4倍，从三种补强板端部截面过渡情况看，第一种变化急剧，第二种和第三种比较缓和，截面变化急剧的补强板应力集中程度大，易破坏，与试验结果是相符合的。

（3）零件在加工中的表面缺陷

零件表面机械加工的粗糙度与零件的强度有很大的关系。表面粗糙不仅会引起应力集中，而且加工过程中在零件表面留下残余应力，这些都对零件的强度（尤其是疲劳强度）有影响。

图1-29表示各种机械加工方法对疲劳极限的影响程度。图中纵坐标表示疲劳极限下降系数β，如取表面抛光后的疲劳极限为1，则其他加工方法的零件的疲劳极限都低于1。表面越粗糙，下降越低；图中横坐标表示试验零件所用材料的强度极限，可以看出对于不同强度极限的材料做成的零件，机械加工方法对其疲劳极限的影响是不同的。材料的强度极限越高，加工方法对其疲劳极限的影响越大。

其他加工方法也会造成零件表面缺陷，如锻制零件表面的皱皮，锤痕和其他碰伤，焊缝的咬边、缺肉等，常是引起零件断裂的原因。

（4）其他

如处理轴箱激热时使轴颈快速冷却，造成轴颈表面毛细裂纹；外温很低时电焊或加热零件，零件的内应力会使零件产生裂纹；电焊车体时不接地线，会造成轴颈的电弧痕迹，使局部材料性能变差，也会引起轴颈裂纹；此外，金属腐蚀使零件表面受到破坏，也是零件产生裂纹的原因。

3.防止车辆零件断裂的措施

车辆零件断裂的主要原因是零件存在应力集中、材质缺陷和加工处理方法不当等。为防止车辆零件发生断裂，在车辆修理中应严格执行工艺规格，并着重从以下几个方面保证零件质量。

（1）注意零件外形，防止应力集中

零件的断面不可骤然改变尺寸，如螺栓头与杆部过渡处，螺纹根部和轴的肩部应有圆角并符合规定的半径。零件焊后加的补强板尺寸应符合要求，补强板两端做成斜边等。

（2）注意零件表面加工质量，消除表面缺陷

零件表面进行机械加工时，应符合规定的表面粗糙度。对零件表面的缺陷，如碰伤、锻造、皱纹等须及时消除，缺陷消除时，表面凹陷的深度须严格限制，周边的棱角要消除使之平滑过渡。焊缝的尺度应一致，消除咬边、缺肉及未焊透等现象。

（3）正确掌握零件热修的规范，消除零件的残余内应力

零件在热修时要严格按照工艺规程控制加热温度、加热速度和冷却速度，以免造成材质的缺陷和产生过大内应力。焊修形状复杂和刚度大的零件时，为避免产生过大内应力，一般要焊前预热和焊后正火处理。

二、研究车辆零件损伤的基本方法

尽管车辆零件的损伤形式有多种，原因各异，车辆的损伤还是有一定的规律。如零件常发生何种形式的损伤，哪些车型哪些部位容易发生损伤，引起损伤的具体原因是什么，损伤发展的速度以及影响损伤速度的因素等，都属于零件损伤规律。在几十年的修车实践中，我们已经掌握许多车辆零件的损伤规律，但也有些我们还没掌握，随着车辆的发展和检修工艺技术的进步，又有许多新问题出现，必须不断丰富和发展对损伤规律的认识。为了准确地掌握零件的损伤规律，向大家介绍以下3种常用的研究方法。

（1）典型分析：适用于对事故零件进行分析，查找事故产生的原因；还适用于对损伤速度特别大或特别小的典型零件进行研究，发现影响其损伤速度的原因。分析的内容包括零件的结构、尺寸；材料的化学成分、金相结构和机械性能；制造和修理工艺等许多方面。

（2）模拟试验：是在试验室中模拟车辆的工作条件进行的试验，一般用于研究某一因素的改变时对零件损伤发展的影响。如为了防止车轴的轴瓦发生端磨，采用在轴瓦前部安装瓦头的方法，瓦头究竟采用哪种材料最好，就是对各种材料的瓦头进行模拟试验，比较耐磨效果后确定的。

（3）统计调查：它是在运用车上对零件损伤进行研究，常用于研究零件损伤的速度、零件的寿命或使用期限。如调查车轮踏面磨损的速度就可以使用这种方法。这种方法要进行长时间的繁杂的调查工作，结果实际可靠。在车辆检修基层单位，要经常处理损伤零件，尤应重视使用这种方法。

零件损伤的统计调查方法要调查测量许多零件的尺寸。同种零件即使运用时间和运行里程相同，它们的损伤程度也不会完全相同，所以调查的目的主要是掌握全部零件损伤程度的分布情况。如损伤程度的平均值或大多数零件的损伤程度在哪个范围之内，对于每个零件的损伤程度不必过分注意其准确性。车辆零件的数量是非常多的，不可能每个零件都调查到，可以应用统计学的方法，通过部分零件的调查得知全部零件的损伤情况。

统计学的方法简单介绍如下：第一步是系统调查，对要研究的某种零件每隔一定时间或运行一定里程测量一次损伤量。应尽可能多测量一些零件，一般不少于200个，使调查结果能反映全部零件损伤的情况。第二步是数据整理，列表分析。从整理表中应当看出，被调查零件的最小损伤量和最大损伤量，以及损伤量在何范围内的零件数量多。第三步，为了直观反映零件损伤量的分布情况，可以根据调查数据整理表中的数据，画成数据分布矩形图。从矩形图中可以看出零件损伤量的分布规律，尽管调查的不是全部零件，也可以根据统计学的原理，利用这种规律，由部分零件的损伤情况推断出全部零件损伤的分布情况。第四步，从零件损伤量的分布情况可以看出损伤量是一种连续性的随机变量，它符合正态分布规律，可以用正态分布概率密度函数表示。在统计学中我们已经知道，正态分布随机变量分布的情况决定于随机变量的平均值X和均方根值σ，求正态分布概率的结果，一般认为随机变量在X±3σ的范围内的概率接近100％。由此就可以得到全部零件在正常情况下每运行一定时间或里程产生的损伤量情况。