铁路车辆车轴超声波探伤技术研究.pdf

汽车技术 Automotive Technology 汽车周刊 Auto Weekly 第 12 期 33 铁路车辆车轴超声波探伤技术研究 包丽静（吉林铁道职业技术学院 吉林吉林 132002）摘 要车轴超声波探伤对车轴运用安全有重要的作用，通过 0纵波探头、小角度纵波探头及不同角度横波斜探头的综合应用可检测出车轴内可能存在的所有影响行车安全的缺陷。在对缺陷判定时需要注意轮毂孔刀痕反射波、轮毂孔内表面缺陷反射波、压装应力波、透油透锈反射波对车轴压装部缺陷判定的影响。关键词车轴；超声波探伤，缺陷 引言 铁路运输在我国运输行业中占有重要地位，尤其是近年来随着铁路行业的迅速发展，铁路运输重要性尤为凸显。铁路车辆的运行安全是铁路运输能够发挥经济动脉作用的基础，而铁路车辆车轴作为重要走行部件，其安全稳定至关重要。铁路车辆检修与运用中为保证铁路车辆车轴运行安全采取了很多措施，尤其是车轴超声波探伤，对保证车轴运用安全极为重要。1、超声波探伤简介 超声波探伤应用超声波传播的特点对工件中存在的缺陷进行检测。向工件中入射超声波，超声波在传播过程中遇到缺陷会发生反射，通过超声波探头接收到这个反射超声波并对其信号进行分析就可以判定工件中的缺陷情况，达到探伤目的。超声波探伤根据探伤对象不同采用不同的技术方法，如穿透法、衍射时差法、脉冲反射法以及近年来技术日益成熟的相控阵超声波探伤，目前铁路车辆车轴探伤主要采用脉冲反射法。脉冲反射法根据缺陷位置及探伤对象特点有单探头、双探头，直探头、斜探头，双晶探头之分。车轴探伤中主要采用直探头、斜探头两种。超声波探伤根据缺陷反射超声波的声压信号进行缺陷大小、位置甚至是性质的判定，受缺陷与超声波相对关系影响，也与探伤工探伤手法有关。在超声波探伤中因为缺陷显示并不直观，只能根据接收信号脉冲高度判定缺陷大小，因此需要一直缺陷作为确定缺陷大小的依据，试块中含有已知人工缺陷，对探伤对象中缺陷大小当量判定起至关重要的作用。由于空气对超声波具有较高的反射率，在探伤中为尽可能避免探头与工件之间的气隙造成超声能量损失，必须使用耦合剂，工业探伤中常用机油或水作为耦合剂，用以赶走探头与探伤对象间的空气，使更多的超声波能入射的工件中，提高探伤灵敏度。2、铁路车辆车轴超声波探伤 铁路车辆车轴的超声波探伤既要对新制车轴进行探伤，也要对在役车轴进行探伤。新制车轴的探伤重点在于车轴加工制造过程中的气孔、夹渣、裂纹、疏松、白点等铸造、锻造、机械加工过程中易发生的缺陷的探伤。而对于在役车轴更重要的长时间运行中出现的疲劳裂纹的检测。2.1 车轴超声波探伤技术要求 车轴超声波探伤主要应用 0直探头纵波法、小角度纵波法、横波法，对于空心车轴新制周还会用到表面波法和双晶探头纵波径向法进行探伤。车轴的超声波探伤主要有四大环节，一是对原材料的探伤，主要检查毛胚铸造缺陷；二是对锻造加工后的轴胚进行探伤，已检测锻造加工和热处理产生的缺陷；三是轮对组装前探伤，主要检测车轴机械加工过程中可能出现的缺陷；四是在役运行车轴探伤，主要检测运行过程中导致车轴出现的缺陷。通过以上四大探伤环节，就能减少甚至杜绝车轴因原材料或运行产生缺陷而发生断轴等危及行车安全的事故。超声波探伤仪选用数字仪器，具备基本调节显示功能，衰减器控制总量90dB，在规定的工作频率范围内，每 12dB误差1dB；灵敏度余量46dB（2.5MHz 钢中纵波）；分辨力26dB（2.5MHz 钢中纵波）；动态范围26dB；垂直线性误差6；水平线性误差1；探测深度3m（2.5MHz钢中纵波）；放大器带宽（相对 3dB）：1MHz8MHz；采样频率应不小于 100MHz。车轴探伤频率 2.5-5MHz，采用脉冲反射法。试块的选用应满足 TB/T1618 标准及铁路技术规范要求。耦合剂可选用机油，不退卸轴承在轮轴两端面探测时，应使用铁路专用轴承脂作耦合剂。校验探伤灵敏度和探伤作业时，须使用相同的耦合剂。2.2 车轴超声波探伤工艺方法 2.2.1 纵波直探头贯通探伤 纵波直探头贯通探伤主要用于检测车轴透声性和内部大缺陷。使用 0直探头，对于不同型号车轴可采用不同试块进行仪器探头性能校验，如 CSK-IA 试块、TZS-R 试块法汽车技术 Automotive Technology 汽车周刊 Auto Weekly 第 12 期 34 或 TS-3 试块法等。举例 TZS-R 试块法。（1）测距标定 将 2.0MHz，20 直探头置于 TZS-R 试块 C 面，用机油或轴承脂做耦合剂，调整仪器，将第 5 次底面回波调至荧光屏水平满刻度的第 4 大格，此时屏幕上每 1 大格代表车轴的实际长度 250mm（全长声程 2500mm），如图 1 所示。图 1 直探头在 TZSR 型试块上测距标定示意图（2）灵敏度确定 调整仪器，使第 1 次底面回波高度达到荧光屏垂直刻度满幅的 80%，增益 30dB，称为基准波高。在此基础上，增益 8dB14dB（耦合差 0dB4dB、钢印 2dB4dB、中心孔 3dB、螺栓孔 3dB），作为透声检查灵敏度。（3）扫查 在车轴静止状态下，将 0直探头受力均匀的压在轴端面，按图 2 所示轨迹扫查全轴，扫查速度不大于 50mm/s，扫查同时观察仪器示波屏回波变化。探头扫查范围应遍及轴端面的可移动区域。透声扫查时，不得改变调节后的透声灵敏度。图 2 直探头在轴端面的扫查方式示意图 2.2.2 小角度纵波探头探伤 小角度纵波探头主要针对车轴轴径根部、卸荷槽处缺陷进行探伤。根据轴型不同探头选择不同折射角，主要有22.5、26.027.0三种。（1）测距标定 将小角度纵波探头放置在 TZS-R 试块 B 面上，调整仪器，使 A 面下棱角和上棱角最高反射波的前沿分别对准荧光屏水平刻度的第 2 和第 4 大格，则每大格代表水平距离 40mm。（2）灵敏度确定 将探头置于 TZS-R 试块 B 面上，移动探头，调节仪器，使 R 面 1mm 深度的人工裂纹缺陷最高反射波幅度达到荧光屏垂直刻度满幅的 80，称为人工缺陷基准波高，在此基础上增益 6dB9dB，以此作为轴颈根部（卸荷槽）小角度纵波探伤灵敏度。（3）扫查 轮轴处于静止状态时在车轴端面对车轴进行扫查，要求探头压力均匀，走向指向中心孔，扫查速度不大于50mm/s，在轴端螺栓孔之间的环形区域内作往复移动，同时探头在 35范围内摆动，如图 3 所示 图 3 小角度探头轴颈根部（卸荷槽）扫查示意图 2.2.3 横波斜探头探伤 横波斜探头主要针对轮座镶入部缺陷进行探伤，根据不同轴型斜探头 K 值在 0.7-1.6 之间进行选择。（1）距标定 将横波探头置于 TZS-R 型试块 R 面上，移动探头，调节仪器，使 A 面下棱角和上棱角最高反射波分别对准荧光屏水平刻度的第 2 和第 4 大格。此时，水平刻度每 1 大格代表深度 40mm，代表水平距离 40Kmm。（2）灵敏度确定 将探头置于 TZS-R 试块 R 面上，移动探头，调节仪器，使 R 面 1mm 深度的人工裂纹缺陷最高反射波幅度达到荧光屏垂直刻度满幅的 80，称为人工缺陷基准波高，在此基础上，内侧补偿 9dB12dB，外侧补偿 10dB15dB，以此作为轮座横波探伤灵敏度。汽车技术 Automotive Technology 汽车周刊 Auto Weekly 第 12 期 35（3）扫查 探头扫查轨迹如图 4 所示，在轴身处沿轴向移动探头，要求探头压力均匀，扫查速度不大于 50mm/s。保证扫查轨迹覆盖整个轮座镶入部。图 4 横波轮座镶入部缺陷扫查示意图 2.3 车轴探伤典型缺陷波形分析 2.3.1 车轴贯通探伤 车轴贯通探伤常见缺陷有材料加工制造缺陷如缩孔、疏松、裂纹、白点、晶粒粗大。缩孔内部为气体对超声波反射率高，车轴中存在严重缩孔时，轴端探测底波衰减严重甚至不出现底波。疏松对超声波吸收率高，因此无论从哪个方向探测底波都会出现明显衰减甚至消失，疏松密集时会出现草状回波。裂纹回波会随着探头移动高度明显变化，波形在扫描线上游很强。白点对出现丛状反射波，移动探头时反射波此起彼落。晶粒粗大对超声波传播衰减较大，一般灵敏度下不出现缺陷波和底波，提高灵敏度会出现杂乱无章的反射波。在进行车轴贯通探伤时需要注意区分车轴固有回波和大裂纹回波之间的区别，防止大裂纹漏检。2.3.2 车轴压装部探伤 车轴压装部包括轴径根部、卸荷槽、轮座处，常见缺陷主要为运用过程中产生的裂纹，但是压装部接触松动导致的透油透锈反射波、轮毂孔刀痕反射波、腐蚀沟反射波、轮毂孔内表面缺陷反射波、压装应力波等波形都将影响车轴压装部疲劳裂纹的检出。透油透锈反射波从轴身横波斜探头探测特点如图 5-a所示，小角度轴端探测特点如图 5-b 所示。（a）（b）图 5 透油透锈反射波 轮毂孔刀痕反射波是因为轮毂加工过程不当造成刀痕形成反射波，静态时反射波高且前后有多条小的距离等长的反射波，移动探头是各反射波形此起彼伏增长。轮毂孔内表面缺陷反射波，是由于轮毂加工制造瑕疵产生的缺陷，此种缺陷反射波回波强，位置接近轮座裂纹缺陷波，但当移动探头时很快消失。压装应力波，轮轴压装时在接触面形成压装应力，超声波入射到该位置时会形成反射波，反射波形与轮座处疲劳裂纹反射波基本相同，可通过沿轮座同位置进行整个圆周的探查进行区分，压装应力波整周存在，疲劳裂纹不会贯穿整个圆周。3、结束语 车轴超声波探伤通过对毛胚料探伤、锻造加工后探伤、轮对组装后探伤、和在役车轴探伤四个环节确保车轴安全。在役车轴超声波探伤，采用不同角度超声波探头，分别通过车轴端面和轴身进行扫查，可检测出车轴内、轴径根部、卸荷槽、轮座处缺陷，确保了车轴运用安全。超声波车轴探伤中需要注意轮毂孔刀痕反射波、轮毂孔内表面缺陷反射波、压装应力波、透油透锈反射波对车轴压装部缺陷判定的影响。参考文献：1林铁.超声波检测技术应用J.中国设备工程,2012,(07):42-44.2张宏涛.铁路列车车轴损伤无损检测关键技术研究D.长春：吉林大学,2017.3万升云.超声波检测技术及应用M.机械工业出版社，2017.作者简介：包丽静，女，1990 年出生，辽宁阜新人，讲师职称，吉林铁道职业技术学院教师，研究方向：车辆工程。