影响货车轮对超声波探伤波形的原因分析及建议.doc

影响货车轮对超声波探伤波形的原因分析及建议
南昌南车辆段，刘小惠
摘 要：主要分析了影响铁路货车轮对超声波探伤波形的原因，并且提出了改进建议。
关键词：超声波；货车；轮对
中图分类号：TG115
1 问题的提出
超声波探伤是发现货车车辆轮对车轴危害性疲劳裂纹及缺陷的重要无损检测手段，现在已经成为
确保车辆检修质量和行车运行品质的重要方法。近几年，随着高科技含量探伤工装的大量投入，探伤工艺、规程的进一步改进，轮对探伤工作也日趋完善。但是自2008年“5·29”和“7·21”连续两起冷切轴事故后，2009年1月20日又发生了一起冷切轴事故，在车辆系统引起极大的震惊，铁路安全运输面临巨大的考验。因此，如何能够准确识别裂纹波又不至于错判、误判，严格落实探伤工艺，精确辨认超声波探伤波形，又不至于使探伤工形成“宁可错杀一万，不可放过一个”的偏激思想，造成生产成本激增和降低生产效率，显的尤为重要。
2 原因分析
2．1 轮对本身存在的问题影晌探伤波形
笔者对南昌南车辆段2012年1月至12月的探伤故障轮对进行了分类统计，统计结果见表1。
表1 故障轮对分类统计
从表1可以看出，导致对超声波波形错判的主要原因是车轴加工时形成的刀痕、刀花以及车轴的
轴颈卸荷槽部位由于腐蚀而形成腐蚀沟(坑)，还有车轴磕伤碰伤致使超声波波形出现异常，导致探伤工很难精确辨认裂纹波。
(1)透油透锈波形。铁路车轴轴颈卸荷槽部位由于长期运行产生的锈蚀及轴承压装时涂抹的油脂混合在一起，在进行超声波探伤时，发生裂纹部位透油透锈较为严重。探伤时产生较强的反射波．这种反射波的前后沿不规则，比裂纹波宽，而且有很多杂波伴随，波形不尖锐，波幅较高，当探头移动时，反射波的幅值起伏变化极不规则，但是波峰的水平位置不会产生变化。
图1 透油透锈形成的超声波波形
(2)腐蚀沟波形。车轴制造时会形成锻造缺陷、压装时会有杂质存在经过长时间的运用会产生腐蚀沟。腐蚀沟是多个腐蚀坑连接而成的，较多的出现在使用年限较长的车轴上，分布在轴颈根部或卸荷槽部位，有时与裂纹重合，长度也相等，横波探伤时有明显的反射波．其反射特点是脉冲比较宽，短而粗．当探头移动时，腐蚀沟反射波有游动现象，但游动距离比裂纹波小得多。
图2 腐蚀沟形成的超声波波形
(3)刀痕波形。由于车轮经过车削加工时在其表面留下了刀痕，而车轮在不同的车削条件下产生
的刀痕，声波在轮座压装部位遇有轮孔表面加工刀痕较粗糙区域时，在荧光屏上会出现如图3所示反射波，前后移动探头，刀痕反射波有严重的此起彼落现象，静态特征是波幅较高，而且反射波前后有数条较小的反射波，单从波形特点观察，每个都如同小裂纹反射波的形状，当移动探头时，每个反射波都是沿着前后顺序由低到高，再由高到低进行跳动，并且沿着周向都出现这一现象。
图3 刀痕、刀花形成的超声波波形
图4 裂纹形成的超声波波形
(4)裂纹反射波形。裂纹反射波是危害最大，最不应该被忽视的超声波探伤波形。当探头前后移
动时，反射波也随着移动，高度逐渐降低或升高，而且逐渐的消失；当增益旋钮适当开大时，荧光屏上反射波只是由低升高，反射波的两侧，特别是前沿仍不出现杂波。裂纹反射波在荧光屏上出现的位置基本上是固定的，其声程符合计算法或查表法得出的缺陷波在荧光屏上出现的位置，当探头在车轴上作圆周平移时，波的位置基本不变，根据探头的声程即可确定缺陷的位置。
2．2 裂纹走向影响探伤波形
超声波探伤时，声波垂直缺陷表面时缺陷回波最高。但实际上缺陷表面相对超声波入射方向往往
并不垂直。因此对缺陷尺寸估计偏小或漏探的可能性很大。车轴探伤所使用的半轴实物试块或样板轮对，其轴颈卸荷槽部位的人工锯口与车轴中心线垂直，小角度探头很容易探测到，但如果车轴实际裂纹与超声波入射方向不垂直时，探头吸收不到足够的能量，在屏幕上就不能形成明显裂纹反射波，最有可能发生漏探。
2．3 裂纹状态影响探伤波形
声波在界面上的反射系数是由界面两边介质的声阻抗特性决定的。通常基体与气体想接触的表面
缺陷的声阻抗特性与基体(车轴)相差较大，声波的反射系数较大，但对于非金属夹杂物等缺陷，缺陷与基体声阻抗的差异要小些，透射的声能不能忽略，缺陷的回波高度相应的要降低。
2．4 扫查方法不正确影响探伤波形
轮对超声波穿透探伤后未在轴端边缘再探一遍，扫查车轴大裂纹；纵波小角度探头在轴端部作锯
齿运动幅度小，不能发现距轴端205—220mm部位存在的裂纹，K值斜探头在轴身移动范围和移动速度过快时，不能保证轮座镶人部的主声束扫查。因此，反映某种探伤工艺是否合理关键因素之一是探头的移动轨迹，它直接给探伤工艺呈现了不同的反射波形。
3 改进建议
1)制作超声波探伤图库。
在实际工作中用超声波探伤仪进行探伤作业时，主要是对其波形进行分析、判断，以此作为超声波探伤质量好坏的依据。在现场作业中如发现有疑问的轮对时，可与探伤图库中的探伤波形进行比较，以便更准确地对超声波探伤波形做出分析和判断。
2)改进半轴实物试块和样板轮对的人工裂纹使其具有针对性。
现有半轴试块和样板轮对人工裂纹与断面垂直，而自然裂纹与晶格垂直，波高明显下降，应该做到试块与实物一致，这样才能保证探测的灵敏度，特别是疲劳裂纹，更能接近探测实际。
3)严格落实《轮规》中探头的移动速度、轨迹的要求。
全轴穿透扫查应分别在车轴两端面进行，转轮器应停止转动。扫查时，探伤灵敏度可适当提高，
以不出现干扰杂波为准。探头均匀受力2—5N，以20～50mm／s的速度，即一面沿轴端面径向前后移动探头，一面沿圆周方向移动探头，并同时观察回波的变化。
4)改变探伤方法以此来重新确定疑问波形。
首探发现有疑问的轮对，复探时可改变探伤方法，对该轮对重新进行探伤。如轮座外侧有疑问波形时，可使用K1探头在轴颈上探测轮座外侧，然后确定该轮对是否存在裂纹。

货车轮对轴颈卸荷稽迢声波擦伤问题分析
南昌南车辆段 刘小惠
摘要：对3起货车RD 轮对轴颈卸荷槽冷切事故进行了分析，指出了目前轴颈卸荷槽超声波探伤中存在的问题，并提出了改进建议。
关键词：货车；轮对；卸荷槽；超声波探伤；问题；分析
中图分类号：U270．7 文献标识码：B
1 问题的提出
超声波探伤是发现车辆轮对危害性疲劳裂纹及缺陷的重要手段，不退轴承轴颈卸荷槽超声波探伤是随
着轮对轴承滚动化的发展应运而生的，现在已经成为发现车轴早期裂纹、确保车辆检修质量和行车安全的重要方法。但是，继1996年连续发生2起轴颈卸荷槽冷切事故后，全路2002年一2003年又连续发生了3起轴颈卸荷槽冷切事故。笔者对这3起冷切事故的原因进行了分析，发现除了由于探伤管理、人员素质等方面的问题造成漏探以外，目前采用的超声波探伤工艺方法也值得商榷。
2 轴颈卸荷槽冷切事故分析
为了摸清轴颈卸荷槽部位冷切的规律，对2002年一2003年发生的3起轴颈卸荷槽冷切事故进行了统计分析(表1)。
表1 轴颈卸荷槽冷切事故统计分析
断口情况
从表1可以看出，3起轴颈卸荷槽冷切事故有如下特点：
(1)运行时间均不足1年，分别为5个月、11个月和5个月，即使段修周期为1年的车辆，也未达到质量保证期，更何况段修周期为l_5年的车辆；
(2)断口位置距轴端距离均大于200 mm，分别为209 mm、208 mm和207 mm～208 mm(倾斜)，虽然断口位置均在195 mm-~210 mm之间(还在轴颈卸荷槽危险部位范围内)，但均趋于上限，即靠近210 mm 处，且第3起断口明显倾斜；
(3)断口旧痕均大于或等于5O ，分别为6O 9／6、5O 9／6和6O 9／6，从断口状况和裂纹发生发展规律分析可知，这3起冷切事故在检修时均存在一定程度的裂纹，运行一段时间后裂纹快速发展，当达到5O 9／5左右时脆断；
(4)断口均存在锈蚀；
(5)从所采用的探伤手段看，第1起是在车轮厂拼修组装时进行的磁粉探伤，其余2起均是在车辆段段修时进行的超声波探伤，且分别为多通道探伤和微机控制自动探伤。通过以上综合分析可以断定，这3起冷切事故都是定检时漏探造成的。
3 探伤工艺方法分析
目前轴颈卸荷槽部位超声波探伤工艺采用的是当量对比法。就探测的手段来说，分为小角度纵波斜探
头探伤和全轴穿透纵波直探头探伤，其中，以小角度纵波斜探头探伤为主，辅以全轴穿透纵波直探头探伤以发现大裂纹；就探测的方式来说，分为手工探伤和微机控制自动探伤。
3．1 对比分析
在实际探伤过程中，笔者对探伤发现的裂纹情况进行过统计，发现了2种现象：
(1)就轴颈卸荷槽同一部位而言，磁粉探伤发现的裂纹多，超声波探伤发现的裂纹少；
(2)就探伤的部位而言，轮座部位发现的裂纹多，轴颈卸荷槽部位发现的裂纹少。
这说明了2个问题：
(1)就轴颈卸荷槽同一部位而言，通过磁粉探伤证实轴颈卸荷槽部位裂纹确实存在，而部分裂纹超声波探伤却不能发现；
(2)就不同部位探伤而言，轮座部位的探伤工艺经过几十年的发展已比较成熟，而轴颈卸荷槽的探伤工艺是RD。轮对轴承滚动化以后在轮座部位探伤理论的基础上逐步发展起来的，目前还不成熟，仍需进一步修正和完善。
3．2 轴颈卸荷槽探伤工艺方法存在的问题
3．2．1 标准试块、半轴实物试块或样板轮对的人工裂纹可比性有待商榷
根据超声波探伤原理，轮轴超声波探伤是用当量对比法来确定缺陷大小的，即以1 mm 人工裂纹反射
波高达满幅80 的当量值为基准，探伤中的缺陷波与该值进行比较，小于该值时判定为轮对正常，大于该值时判定为轮对裂纹。但是，标准试块、半轴实物试块或样板轮对的人工裂纹与轴颈卸荷槽部位的实际裂纹相比较，在裂纹部位、裂纹走向以及裂纹部位的状态等方面都存在较大的差异，可比性较差，增加了判伤难度，对探伤极为不利。
3．2．2 裂纹部位
车轴探伤所使用的半轴实物试块或样板轮对是确定探伤灵敏度的主要依据，因此，所做的人工锯口应尽最大可能贴近实际裂纹的发生部位。目前，半轴实物试块和微机控制超声波自动探伤机用样板轮对卸荷槽部位的人工锯口均位于距轴端200 mm处，但几次卸荷槽冷切其裂纹位置均发生于207 mm～210 mm之间。如果人工锯口的位置与实际裂纹发生的位置不一致，在荧光屏上裂纹波的显示位置也会不一致，经验不足的探伤工在判断时往往会出现错觉，进而产生误判和漏探。
3．2．3 裂纹走向
一般来讲，超声波探伤时声波垂直缺陷表面时的缺陷回波最高。但是，实际缺陷表面往往与超声波入
射方向并不垂直，因而对缺陷尺寸估计偏小或漏探的可能性很大。车轴探伤所使用的半轴实物试块或样板轮对，其轴颈卸荷槽部位的人工锯口与车轴中心线垂直，小角度探头很容易探测到，但如果车轴实际裂纹与超声波入射方向不垂直时，探头吸收不到足够的能量，同样深度的裂纹，试块(包括半轴实物试块和样板轮)的反射波较高，轮对的反射波较低，经验不足的探伤工往往会产生错觉，继而产生误判，将裂纹轴轮对判为良好轮对，进而装车使用。
3．2．4 裂纹部位的状态
声波在界面上的反射系数是由界面两边介质的声阻抗特性决定的。通常基体与气体相接触的表面缺陷
的声阻抗特性与基体(车轴)相差较大，声波的反射系数较大，但对于非金属夹杂物等缺陷，由于缺陷与基体声阻抗的差异要小些，透射的声能不可忽略，故缺陷波高应相应降低。铁路车轴轴颈卸荷槽部位由于长期运行产生的锈蚀及轴承压装时涂抹的油脂混合在一起，在进行超声波探伤时，发生裂纹部位透油透锈一般较为严重，超声波的声能损失较多，当缺陷的反射声能不足时容易造成漏探。
3．3 按目前的工艺方法探伤存在盲区，易出现漏探
目前，对RDz车轴轴颈卸荷槽部位的探伤主要使用入射角为9。～11。的小角度探头在车轴端面进行，不少单位使用的是10。探头。《铁道车辆轮轴探伤工艺规程》(以下简称《探规》)规定，入射角10。的探头在钢中对应的折射角为22．21。，据此作探头入射线与圆弧相切图(图1)，发现自防尘板座前肩至轴颈方向12mm处(距车轴端面208 mm ～220 mm处)入射线与圆弧之间的区域为探伤肓区，当此部位出现小裂纹时，超声波无法探测到，而此部位恰恰就是卸荷槽裂纹的多发区。
图1 探头入射线示意图
3．4 探头移动轨迹有漏洞
探头的移动轨迹在超声波探伤工艺中占有重要的位置，尤其是目前均采用当量对比法，只有使探头的移动轨迹合理才能找到缺陷的最高反射波，才不会漏探。因此，反映某种探伤方法是否合理的关键因素之一是探头的移动轨迹，影响探伤工探伤水平高低的关键因素之一是按探头移动轨迹的手法是否正确。对轮座部位进行探伤时，探头移动轨迹合理，探伤工易于掌握，探伤手法正确，漏探的可能性非常小。对轴颈卸荷槽部位进行探伤时则不然。手工探伤时，按《探规》的规定，探测部位在车轴端面，轮对停止转动，探头指向中心孔，在中心孔与轴端螺栓孔之间的环形区域内做往复运动，并偏转3。～5。，形成锯齿状移动轨迹。这样做有2点不利：一是车轴端面空间狭小，尤其是轴端螺栓孔的存在，影响了探头的移动空间，容易形成移动死区，探测区域不能全面覆盖，造成漏探；二是采用轴颈卸荷槽专用探头，将探头移动轨迹局限在一个同心圆上，不能形成锯齿状移动轨迹，探头主声束在距车轴端面200 mm处，而根据前述分析，裂纹绝大多数集中在距车轴端面210 mm处，这与主声束位__置有较大偏差，容易造成漏探。同样，微机控制自动探伤时，探头移动轨迹也局限在一个同心圆上，也容易造成漏探，这也许是未采用轴颈卸荷槽专用探头手工探伤发现裂纹故障高于微机控制自动探伤的原因之一。
4 改进建议
4．1 完善现行轴颈卸荷槽探伤方法
(1)改进半轴实物试块和样板轮对的人工裂纹，使其具有针对性。
现有半轴试块和样板轮对人工裂纹均与断面垂直，而自然裂纹与品格垂直，波高明显下降，应该使试块与实物一致，以保证探测的灵敏度。
(2)完善探伤方法，建议增加发现大裂纹的手段，以弥补探伤中的盲区。
(3)保证《探规》中探头移动轨迹的要求，取消轴颈卸荷槽专用探头，改进微机控制自动探伤端面探头的布置和探头的角度，避免探头移动轨迹造成的不利影响。
4．2 改进现行轴承压装方法
改进轴颈卸荷槽部位的状态，用保护膜类的材料代替轴颈卸荷槽专用防锈油脂或者在制造轮对时对易
腐蚀部位进行防锈处理，以减少透油透锈对探伤的影响和发生腐蚀的概率。

RD2轮对轴颈卸荷槽超声波探伤时反射波的辨别
胡世华
(衡阳车辆段湖南衡阳421002)
2002年以来，全路共发生3起货车冷切事故。值得注意的是，冷切部位都在轴颈卸荷槽区域。因此，探讨对货车RD2轮对不退轴承进行卸荷槽超声波手工探伤时的反射波的辨别，提高探伤水平很有必要。
1 轴颈卸荷槽探伤常见的几种反射波
RD2轮对不退轴承的超声波探伤采用小角度纵波探头。由于卸荷槽区域形状及与轴颈接触状态的差异使得超声波探伤时的反射回波显示又多又乱，常常有很多与裂纹波相似的波幅出现。无经验者极易把裂纹波当作此种反射波放过去，从而造成漏探。常见的几种反射波有：卸荷槽棱角反射波、内圈反射波、密封座反射波、油脂和杂质反射波、拉伤及锈蚀反射波等。
2 各种反射波的分析
轴颈卸荷槽直径最小，交变应力较集中，很容易产生疲劳裂纹。在一般情况下，按《探规》定标后，轴颈卸荷槽裂纹波都出现在荧光屏水平刻度第5大格上(即距轴端200 mnl卸荷槽处)。因而，在荧光屏水平刻度的4．8～5．25大格之间发现尖锐的反射波时就要认真地分析与辨别。
(1)卸荷槽棱角反射波
由于轮对车轴加工单位在对某些轴颈加工时处理不当，卸荷槽棱角较突出、不够圆顺，所以在用超声波探伤时反射波尖锐，与裂纹波无大差别。但它有2大特点：一是整周都有这种波的反射；二是把探头从轴中心孔往外移，离孔边缘6 mm左右时，棱角反射波就会消失。
(2)拉伤反射波
拉伤波有轴向、径向的。拉伤有深度，因而当探头往轴中心孔外移动时，范围较大。周向拉伤，往往有1周，反射波很强烈，波幅高而尖锐，波根部较干净。遇此波，需要退卸轴承，再用磁粉探伤进行确认。
(3)卸荷槽其他无害反射波
卸荷槽油脂、杂质等物的反射波，尽管有的很像裂纹波，但它们有共同的特点：一是波幅不太高，一般在垂直满幅的30％ 之内；二是没有深度，探头前沿稍离开中心孔边缘时反射波就会消失。
（4）锈蚀反射波
此种反射波波幅不很高，一般在40℅左右，波根部干净。探头移动较远时，波幅还未消失。遇此波须退卸轴承用磁粉探伤进行确认。
（5）裂纹反射波
裂纹反射波尖锐、狭窄，波后沿杂波较低，有时又没有，往往出现1处或几处。当探头往中心移动时，反射波越来越高；