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电力机车车轴的超声波探伤

学 生 姓 名：
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专 业 班 级： 铁道机车车
指 导 教 师：

西安铁路职业技术学院毕业设计（论文）
摘 要
车轴是机车车辆转向架的关键承载部件，影响行车安全的重要零件，其疲劳破坏直接危及运输安全。如果车轴出现疲劳损伤并且扩展，就会因断轴而造成列车脱轨，带来灾难性的后果，其安全运转直接关系着铁路运输的安全生产。车轴很容易发生疲劳裂纹，而这种裂纹易发生在车轴压装座的一个短距离内，且完全是隐蔽的。为了及时发现疲劳缺陷，在轮对交付前和使用中，必须进行无损探伤检查。事实上，在不退轮芯的情况下，除超声波外，没有其他方法具有足够的灵敏度能探测这些裂纹。车轴的超声波探伤法，自上世纪50 年代采用以来，迄今已应用了50 多年，一直是检测车轴疲劳裂纹的重要手段。
目前，我国机务段对铁路机车轮对疲劳裂纹的检测主要采用磁粉探伤和超声波手工探伤的方式对轮对关键部位进行探伤。其中，磁粉探伤法只能探测轮对表面及近表面缺陷和疲劳裂纹，存在一定的局限性。超声波手工探伤可一定程度上探测到轮对内部的缺陷和疲劳裂纹，但由于手工操作，受检测者的工作经验及当时的精神状态等因素影响，人为因素多，操作条件差、劳动量大、劳动效率和自动化程度低，容易出现误探、漏探，特别是车轴的超声波手工探伤，目前各机务段的车轴超声波探伤水平参差不齐。
本论文提出了一种新的探伤方案，采用在车轴轴端布置小角度探头并把探头装在可高精度调节探头倾角的探头盒内的方式探测车轴轴身区域，在车轴轴颈、车轮踏面和轮缘布置不同角度探头对机车轮对其他区域进行探伤。

关键词：机车轮对；超声波；探伤机；探伤

- I -
目 录
摘 要 I
引 言 1
1 绪论 4
1.1 无损检测的意义 4
1.2 机车车轴产生缺陷的原因及危害 4
1.3 车轴超声波探伤的发展简介 5
2超声波探伤方法分类 6
2.1垂直探伤 6
2.2斜角探伤 6
2.3局部探伤 7
2.4新的车轴探伤法 7
3超声波探伤的工艺参数选择 9
3.1超声波探头的确定 9
3.2耦合剂的选择 9
3.3超声波探伤对比试块及其制作 9
3.4 机车车轴的结构 10
4 机车车轴疲劳纹超声波探伤 11
4.1疲劳裂纹产生的原因 11
4.2机车车轴疲劳断裂过程 11
4.3探测条件的确定 12
4.3.1探头的选择 12
4.3.2实物试块的制作 12
4.4探伤灵敏度校准 12
4.4.1纵波小角度探头灵敏度校准 12
4.4.2直探头灵敏度校准 13
4.5探伤操作 13
4.5.1车轴压装部探伤 13
4.5.2车轴内部缺陷和大裂纹查找 13
4.6提速机车车轴疲劳裂纹波形特点 13
4.7影响疲劳裂纹定量的因素 14
4.7.1疲劳裂纹取向对定量的影响 14
4.7.2疲劳裂纹性质对定量的影响 14
4.7.3疲劳裂纹面对定量的影响 14
4.7.4探测面对定量的影响 14
4.7.5探头对定量的影响 15
4.7.6实物试块对定量的影响 15
4.7.7车轴压装应力影响 15
5 SS4改进型电力机车整体车轮车轴疲劳裂纹超声波探伤 16
5.1问题的提出 16
5.2原因分析 16
5.3 SS4改进型电力机车车轴(整体车轮)超声波探伤工艺制订情况 17
5.4车轴探伤 18
5.4.1裂纹车轴光轴磁粉探伤 18
5.4.2裂纹车轴光轴超声波探伤 18
5.4.3组装轮对车轴超声波探伤 19
5.5 SS4改进型机车整体车轮车轴超声波探伤分析 19
5.6 SS4改进型电力机车整体车轮车轴改造 20
6 新型超声波探伤 22
6.1新型超声波探伤伤试验方法 22
6.2超声波探伤装置的更新 22
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26

- III -
西安铁路职业技术学院毕业设计（论文）
引 言
随着铁路运输向高速、重载方向发展以及机车段修公里的延长, 对机车走行部质量提出了更高的要求。车轴是机车走行部关键部件, 起着向钢轨传递静载荷和牵引力、制动力的作用, 另外还刚性承受来自钢轨接头、道岔、不平顺线路的垂直和水平作用力, 是一个受力复杂、工作条件恶劣的部件。机车车轴基本结构可分为以下三种结构: 传动齿轮压装在长毂轮心上, 如DF4, SS1, SS3, SS4, 8G等型机车; 传动齿轮直接压装在车轴上且加工减载槽, 如DF4D, 8K 型机车; 传动齿轮通过六连杆连接的空心轴传动, 如DF11, DF4D, SS8, SS9 等型机车。重载货运机车车轮传动方式采用齿轮传动, 传动齿轮压装在长毂轮心上或直接压装在车轴上, 为缓减应力集中, 防止车轴过早产生疲劳裂纹, 在车轴压装部齿轮镶入部两侧压痕线处和非齿轮传动侧轮心镶入部内侧压痕线处分别加工了不同宽度的减载槽; 提速客运机车采用弹性六连杆传动方式, 车轴结构为空心轴传动。随着机车走行公里的不断提高, 车轴材质最终由于疲劳原因而产生疲劳源并扩展形成疲劳裂纹。因此要对机车车轴进行超声波探伤检测, 以便发现车轴是否产生疲劳裂纹以及监视疲劳裂纹发展情况, 及时掌握车轴状态并采取措施, 确保旅客生命安全和铁路运输安全。本文提出了机车车轴疲劳裂纹的超声波探伤方法, 并分析了机车轴疲劳裂纹的特点及影响其裂纹定量的因素。
机车轮对是机车的关键部件之一，直接影响列车的运行发全，所以国内外在机车的检修中对机车轮对的检修和检查尤为重视．铁道机车轮对最初阶段是采用人工对踏面及轮辋的锤敲、耳听、眼观的人工判断。这种方法最终取决予检测者的工作经验及当时的精神状态等因素，人为因素多，经验性强，费时、费力，定量化指标差，容易出现误判、漏判。随着无损检测技术特别是超声波技本的快速发展，超声检测越来越多的应用于铁道车辆关键部件的捡测。国内外先后出现了以超声仪器为手段的检测方法对轮对进行手工超声波探伤，一定程度上提高了轮对的检测水平，但此阶段超声仪器主要为单通道的模拟A型脉冲反射式，探测一个车轮或一根车轴的关键部位需用多台不同参数的探伤设备，需要多次调节每台设备，而且采用旋钮操作，一个旋钮对应一个功能，如衰减钮调节灵敏度、深度范围钮调节探测范围、工作方式选择钮选择探测方式等，操作繁琐，效率低；需用人眼观察回波进行判伤；无法对缺陷的当量进行定量计算，功能单一，无法对探测结果进行长期保存，系统工作不稳定。20世纪80、90年代微机及大规模集成电路技术得到了迅猛发展，使微机应用于自动超声检测信号处理中，即将检测到的超声回波信号，经A／D变换后，进入微机系统，进行处理。一方面提高了设备的抗干扰能力：另一方面，利用计算机的运算功能，实现了对缺陷信号的自动读数、自动识别、自动补偿、定量和报警。微机的应用使超声仪器有了跨越式发展，出现了多种便携式数字化智能探伤仪。数字化智能超声波探伤仪式在常规模拟式超声波探伤仪的基础上发展起来，它保留了原模拟式超声波探伤仪的基本性能；利用计算机系统的功能，对接收到的回波波形先完成模数转换，再执行数字化处理，实时显示器数字化的回波波形，同时具有记录、存储、计算分析能力，还可与计算机联机实现通讯及打印输出。这些探伤仪具备了对探测结果自动判伤，可靠数据保护，确保存储数据不丢失等功能。极大降低了我国机车轮对人工超声探伤的误判率，改善了探伤效果。但仍然不能摆脱手工探伤的局限性，自动化程度低，工作效率低，受人为因素影响程度高，可重复性差等缺点。
近年来随着高速铁路的快速发展，机车轮对的自动化探伤受到了国内外相关部门的普遍重视。进入20世纪70年代以来，国际上开始对火车车轮自动超声探伤进行研究，先后出现了多种轮对自动化探伤设备。如日本开发的0．100系用车轴的自动超声波探伤机，可对车轴局部进行自动化探伤，从1997年起投入新干线的各车辆所正式工作。德国的RAWWittenberge的4通道全自动超声检测系统，以色列AS--220／r系列车轮超声检测系统主要对轮辋及踏面进行检测。1999年FhO lzfP与德国铁路公司联合研制出称为AURA的整体轮对的超声探伤装置，该装置采用电磁超声技术，探伤部位包括轮辋和轮缘，并先后安装在德国的纽伦堡和慕尼黑车辆厂内，但末见其使用效果的报道。国外当前机车轮对超声波自动化探伤设备存在一定的局限性，主要表现为这些设备主要针对机车轮对局部进行探伤，无法完成机车轮对的整体自动化高精度探伤。
我国的轮对自动超声探伤研制工作已经起步，而且发展迅速，取得了一定的成果，先后出现了多台探伤设备。如铁道部科学研究研发的I／3．1型轮箍超声探伤机，刘继主持研发的车轮轮辋裂纹探伤机，昆明铁路分局和云南华云科技发展公司共同开发的TFM-Z垄判伤智能机，郑州铁路局武汉科学技术研究所研制的机车轮箍超声波自动探伤装置，哈尔滨铁路局哈尔滨科学技术研究所和北方交通大举联合开发了铁道车辆轮辋超声自动探伤成像系统，武汉中科创新技术有限公研制的KSD多通道轮辋超声自动探伤系统。这些设备的研发和应用大大改善了我国轮对的检修水平，一定程度上提高了列车的运行质量，保证了运用安全，但也存在一些热同的缺点和局限性：
(1)设备多数针对车辆轮对探伤而设计，适合机车轮对探伤的设备少。
(2)设备以检测轮对单一部分为主，不能对轮对各部分进行综合检测。
(3)设备的智能化水平低较低，不能精确确定缺陷的大小、形状和位置。
总之，能够同时自动检测机车轮对车轴整体、轮辋和轮缘的超声波检测系统国际上未见报道，国内机务部门也没有得到应用。
车轴是机车车辆转向架的关键承载部件，影响行车安全的重要零件，其疲劳破坏直接危及运输安全。如果车轴出现疲 劳损伤并且扩展，就会因断轴而造成列车脱轨，带来灾难性的 后果，其安全运转直接关系着铁路运输的安全生产。车轴很容 易发生疲劳裂纹，而这种裂纹易发生在车轴压装座的一个短距离内，且完全是隐蔽的。为了及时发现疲劳缺陷，在轮对交 付前和使用中，必须进行无损探伤检查。事实上，在不退轮芯 的情况下，除超声波外，没有其他方法具有足够的灵敏度能探 测这些裂纹。车轴的超声波探伤法，自上世纪 50 年代采用以来迄今已应用了 50 多年，一直是检测车轴疲劳裂纹的重要 手段，机车车轴的基本结构，包括轴颈、轴肩、车轮座、齿轮座和 轴身等，有的还有制动盘座，其中齿轮座安装从动齿轮，接受 来自动力源的牵引力，驱动车轴旋转。机车车轴产生疲劳裂纹，原因是多方面的，既受车轴材质、结构、制造工艺、轮对参数选配等因素的影响，又受机车运 用线路状况、运行速度、牵引吨位以及司乘人员操作情况等因 素的影响。由于受力特点、受力状态、工作环境的不同，车轴在 运用过程中受到弯曲应力、扭转剪切应力及组装应力的同时作 用，产生疲劳裂纹的原因是相当复杂的。一般来讲，车轴的疲劳 是在车轴与车轮、从动齿轮及制动盘等配合件接触部位的腐蚀 和微小滑动产生的磨耗，而在车轴表面形成微孔，在不同的情况下慢慢发展为裂纹。

1 绪论
车轴是机车车辆转向架的关键承载部件，影响行车安全的重要零件，其疲劳破坏直接危及运输安全。如果车轴出现疲 劳损伤并且扩展，就会因断轴而造成列车脱轨，带来灾难性的 后果，其安全运转直接关系着铁路运输的安全生产。车轴很容 易发生疲劳裂纹，而这种裂纹易发生在车轴压装座的一个短距离内，且完全是隐蔽的。为了及时发现疲劳缺陷，在轮对交 付前和使用中，必须进行无损探伤检查。事实上，在不退轮芯 的情况下，除超声波外，没有其他方法具有足够的灵敏度能探 测这些裂纹。车轴的超声波探伤法，自上世纪 50 年代采用以来迄今已应用了 50 多年，一直是检测车轴疲劳裂纹的重要 手段，机车车轴的基本结构，包括轴颈、轴肩、车轮座、齿轮座和 轴身等，有的还有制动盘座，其中齿轮座安装从动齿轮，接受 来自动力源的牵引力，驱动车轴旋转。机车车轴产生疲劳裂纹，原因是多方面的，既受车轴材质、结构、制造工艺、轮对参数选配等因素的影响，又受机车运 用线路状况、运行速度、牵引吨位以及司乘人员操作情况等因 素的影响。由于受力特点、受力状态、工作环境的不同，车轴在 运用过程中受到弯曲应力、扭转剪切应力及组装应力的同时作 用，产生疲劳裂纹的原因是相当复杂的。一般来讲，车轴的疲劳 是在车轴与车轮、从动齿轮及制动盘等配合件接触部位的腐蚀 和微小滑动产生的磨耗，而在车轴表面形成微孔，在不同的情况下慢慢发展为裂纹。
1.1 无损检测的意义
在不损害材料或结构的情况下，采用某种技术，对检测对象内部与表面进行探测，从接受信号中提取出需要的信息，或者判断材料或结构的完整性，或者获得材料或结构的某些性质。而无损检测的最常用方法有超声波探伤，(UT)适用于工件内部和表面缺陷的检测；磁粉探伤(MT)适用于铁磁性材料及表面和近表面缺陷的检测；渗透探伤(PT)适用于表面开口缺陷；涡流探伤(ET),适用于导体及表面和近表面缺陷的检测；射线探伤(RT)，适用于内部缺陷的检测，其中超声波探伤适用范围最广。
1.2 机车车轴产生缺陷的原因及危害
车轴是机车机械部分的重要部件，对机车车轴实施超声波探伤是保证铁路运输和安全防止发生断裂事故的重要环节。机车车轴在运行中承受着挤压扭曲和冲击等交变应力其常出现的缺陷原因包括：
(1)车轴加工制作时由于原材料内部缺陷导致的缩孔，疏松，夹杂模锻裂纹等及热处理产生的热裂纹，晶粒粗大。
(2)车轴在冷加工后产生的晶粒粗大，表面应力集中等缺陷
(3)在役车轴在使用过程中产生的疲劳裂纹缺陷。
机车车轴在运行中，极易在轴颈轮座内外侧，齿轮轮座内外侧，轴身部分产生疲劳裂纹，这些裂纹一旦产生便会迅速发展，继而导致车轴断裂事故，给铁路运输带来很大隐患。统计表明，今年来我国机车各种走行轴均有冷切事故发生，这不仅限制了铁路行车速度的提高，而且给人民的生命财产造成极大的威胁。
1.3 车轴超声波探伤的发展简介
我国车轴无损检测技术和设备的研究始于1952年，主要研究车辆车轴的手工损伤。采用的方法是用纵波反射法检测较大缺陷；1960年后使用斜入射横波检测轮座部位，1973年开展了斜入射纵波不解体探伤方法的研究1978年用于生产，1980年研发了机车车辆车中自动化探伤设备。1998年北京铁路局开展了大型养路机械车轴探伤技术和流通到超声波探伤仪及专用组合探头的研究。首创了大型养路机械车轴超声波探伤新方法。这种方法可以检测出车轴轴颈.>1mm轮座》2mm齿轮座>5mm和轴身>10平底孔当量缺陷及车轴透声性能。于2000年通过鉴定并用于生产。2001年北京铁路局开展了提速机车(DF11.SS9)车轴超声波成像技术的研究，2004年通过鉴定。

2超声波探伤方法分类
当超声波在钢材中传播时，其能量和声压将会随着传播 距离的增加而衰减。超声波能量除因散射引起衰减外，材质晶 粒度、内部缺陷、化学成分和组织的不均匀性以及耦合条件等 也会引起衰减。根据基波衰减程度和波幅的形状，可判断出车 轴的各种缺陷。一般在均匀材料中，裂纹的存在将造成材料不 连续，这种不连续带来声阻抗的不一致，由反射定理可知，超 声波在两种不同声阻抗的介质的界面上会发生反射。通过对 疲劳裂纹的特点分析及大量的工艺试验，可以得出这些裂纹的一些超声波特征：一般波形突变，波形不连续。超声波探伤法分为垂直探伤、斜角探伤和局部探伤，以及一些新的探伤方法。
2.1垂直探伤
垂直探伤是从车轴端面与车轴表面垂直的长度方面 (轴向) 射入纵波超声波的方法。该探伤法(如图一)主要由两个部分组成：测定超声波的衰减度以了解其穿透工件的情况；检测车轴在全长方向上有否损伤。

图2.1 垂直探伤
2.2斜角探伤
斜角探伤(如图二)一般是以 37°~ 45°的折射角，从有曲率的车轴表面斜方向射入指向目标位置的横波超声波，以检查因有零配件而不能用磁粉探伤检查到的齿轮座、轮座、制动盘座等 部位。斜角探伤比局部探伤更能检测出细小的伤痕，但是为便 于探伤，必须把车轴表面打磨干净。另外，由于超声波射入的角 度受到限制，某些在强度上极其重要的配合部位的探伤就难以 进行，如齿轮一侧的部位。如能提高局部探伤精度，把斜角探伤 用局部探伤代替，就能降低维修成本和提高工作效率。

图2.2 斜角探伤
2.3局部探伤
局部探伤(如图三)一般是以 10°~15°的折射角，从车轴的端面斜向射入目标位置纵波超声波，该方法称之为纵波斜角探伤。

图2.3 局部探伤

它虽然具有与斜角探伤法相同的精度水平，但存在如下问题：在装有轴承的状态下，对车轴进行探伤时穿过轴承内圈产生的回波，与从裂纹来的回波难以识别，而不能保证检测精 度；车轮更换时，在轴端打钢印的场合下会使探头与车轴接触 不良，难以保证精度；不能像垂直探伤那样探伤车轴全体，因此仅以局部探伤检查车轴时，要多个探头，作业过程繁杂。
2.4新的车轴探伤法
新的车轴探伤法是从提高探伤精度和降低维修成本两方面考虑，应采用如图四所示带自动判定功能的多波道、旋 转式局部探伤方法。由于探头的接触面装在轴端，所以能消除 斜角探伤大范围的打磨作业。

图2.4 新的车轴探伤方法
3超声波探伤的工艺参数选择
3.1超声波探头的确定
固连在超声波探伤机上的超声 波探头，是探伤机的核心部分，其尺寸形状及其相关参数选择 得合理与否，直接影响到探伤的精确度。为确保探伤时探头检 测面与被测部位的良好接触，增加接触面积，改善耦合条件，提高透声效果，一般根据实际情况将探头检测面加工成平面，或带有一定曲率的圆弧面。若探头采用斜探头，其折射角的选择也将影响探伤的效果，应保证声束能扫查到整个探伤面，能 发现主要缺陷，有足够的探伤灵敏度。一般折射角选择过大或 过小，都会影响超声波声程，从而影响探伤灵敏度，使车轴上 疲劳裂纹的检出率降低。为此，可通过各种不同折射角的探 头，对车轴进行对比试验，并参照疲劳裂纹的特点确定超声波 探头的最佳折射角。此外，超声波探头的频率，也是一个相当关键的参数，频率应保证在规定的最大距离上探测出要求发 现的最小缺陷，并还有一定的余量，且有足够的信噪比。恰当 地选择合适的频率，不仅能保证超声波声束的指向角，有利于 检出小且能有效地阻止超声波能量的大幅衰减。通过 对车轴试块的大量试验和分析，确定超声波探头的频率，一般为 1~10 MHz。
3.2耦合剂的选择
超声波在传播过程中，遇到不同的介 质时，会发生反射和折射。为保证足够的折射率，超声波探伤须在介质的界面上涂覆耦合剂，以尽量减少超声波能量的损 失。耦合剂的种类很多，需要根据车轴材质和实际探伤状态， 恰当地选择，以保证良好的声耦合。一般耦合剂要求有以下性能：容易黏附，有足够的浸润性，对人体无害，对车轴无腐蚀 性，易清除。因此，多选用各种型号的机油，以及树脂、浆糊等。
3.3超声波探伤对比试块及其制作
为确保超声波探伤具 有足够的灵敏度，需要根据技术条件和车轴的制造使用要求，制作与实际车轴相似的结构和外形尺寸的对比试块，以供探伤时使用。在试块上相应部位，按车轴疲劳裂纹的特点仿真刻 制一系列的人工缺陷，其中，在试块的压装部位(相当于实际 的车轮、从动齿轮、制动盘等部件的镶入部位)的人工缺陷的 深度一般为 2.5 mm 左右；在试块的非压装部位的人工缺陷深 度一般为 0.6 mm 左右。
3.4 机车车轴的结构
机车车轴的基本结构，包括轴颈、轴肩、车轮座、齿轮座和轴身等，有的还有制动盘座，其中齿轮座安装从动齿轮，接受来自动力源的牵引力，驱动车轴旋转。图1 示出了机车车轴的主要结构。

图 3.1 车轴结构图

机车车轴产生疲劳裂纹，原因是多方面的，既受车轴材质、结构、制造工艺、轮对参数选配等因素的影响，又受机车运用线路状况、运行速度、牵引吨位以及司乘人员操作情况等因素的影响。由于受力特点、受力状态、工作环境的不同，车轴在运用过程中受到弯曲应力、扭转剪切应力及组装应力的同时作用，产生疲劳裂纹的原因是相当复杂的。一般来讲，车轴的疲劳是在车轴与车轮、从动齿轮及制动盘等配合件接触部位的腐蚀和微小滑动产生的磨耗，而在车轴表面形成微孔，在不同的情况下慢慢发展为裂纹。车轴裂纹有横向、纵向两种形式，与车轴中心线交角在45°以上为横裂纹，在45°以下为纵裂纹。

4 机车车轴疲劳纹超声波探伤
4.1疲劳裂纹产生的原因
从以往其它机型车轴断裂原因分析, 多数是材质疲劳所致。车轴产生疲劳裂纹的原因是多方面的, 既受车轴材质、结构、制造工艺、牵引电动机和轮对参数选配等因素的影响, 同时又受到机车运用线路状况、运行速度、牵引吨位、以及司乘人员操作等客观因素的影响。由于受力特点、受力状态、工作环境不同, 机车车轴的疲劳寿命也不相同, 同时车轴在运用过程中受到弯曲应力、扭转剪切应力及组装应力共同作用, 且均为复杂的交变应力。由此可见车轴产生疲劳裂纹不是单纯的某种因素造成, 而是在多种因素共同作用下产生的。以往机型车轴疲劳裂纹经常产生在轮座两侧, 有时也出现在轮座两侧附近, 这是由于边缘应力作用的结果。但大部分是由于发生了摩擦腐蚀, 使轮毂孔从轮毂内端面开始弹性扩大而造成的, 尤其是设计不合理, 轮毂过短, 壁过厚或抗弯强度过大等原因。根据以上因素分析, 提速客运机车车轴疲劳裂纹产生位置为轮心压装部压痕线附近, 需要根据机车车轴结构、几何尺寸、疲劳裂纹的特点确定探伤条件。
4.2机车车轴疲劳断裂过程
车轴使用寿命由裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命组成。裂纹萌生是由上述多种因素造成, 其寿命是不相同的; 裂纹扩展寿命在同样条件下( 如受力条件、裂纹深度相同) , 车轴的机械疲劳剩余寿命应该是一致的。实际运用中由于受力情况差距很大, 车轴整个机械疲劳寿命各不相同, 但车轴疲劳断裂始终由以下4 个过程组成:
(1)裂纹源形成。由深度较浅的一个或几个腐蚀坑在长期集中应力的作用下, 逐渐在腐蚀坑的底部产生轻微疲劳裂纹, 形成裂纹源。
(2)疲劳核形成。车轴在循环弯曲应力作用下, 首先在裂纹源处使金属纤维交替伸长和缩短并逐渐扩大, 形成疲劳核, 其表面光滑。当应力振幅达到最大值, 裂纹就向前推进一级, 也称慢速发展期, 在此期间裂纹发展缓慢、稳定扩展。
(3) 快速发展期。当裂纹发展到一定程度时, 应力不断作用在裂纹处车轴上, 使疲劳裂纹不断发展。随着应力在使用条件下时大时小, 疲劳裂纹的发展断面为海滩波浪状, 俗称贝壳状。当应力达到最大时疲劳裂纹就向下发展一级, 当应力达到最小时疲劳裂纹就停止发展, 形成疲劳裂纹中止线。在此期间裂纹发展非常快。
(4) 脆断。任何金属材料不裂是不会断的, 当车轴裂纹深度发展很深, 其有效承载面积逐渐缩小, 不能承担最大应力时, 发生一次性断裂。
4.3探测条件的确定
由于车轴疲劳裂纹在开始形成时并不和车轴轴向中心线垂直, 而是偏离一定角度, 一般在10°～25°之间。且车轴压装部内侧裂纹向外倾斜, 外侧裂纹向内倾斜, 当达到一定深度后才垂直下裂。为使疲劳裂纹获得更大的反射能量, 采用纵波小角度探头。用一定角度的纵波小角度探头在车轴端面上对压装部内外侧压痕线附近扫查。但车轴压装部内侧由于靠近传动齿轮, 受力相对比较复杂,力矩也较大, 因此产生疲劳裂纹的概率要大得多, 在探伤中将内侧作为重点。当扫查外侧时理论上可以在外侧压痕线附近扫查, 但由于超声波的直线传播特性, 在防尘座向压装部过渡时有一段声束扫查不到的死区, 不能使声波到达该区。如果此处发生深度较浅的疲劳裂纹易发生漏检, 只有裂纹达到一定深度时才能被发现。事实上外侧产生这样深度的疲劳裂纹时, 不仅用纵波直探头也能探测到了, 而且远比外侧受力复杂的内侧早已产生裂纹, 并深度超限更换。所以提速客运机车车轴探伤中, 应把车轴镶入部内侧作为重点, 采用纵波小角度探头探伤, 整个车轴采用纵波直探头进行穿透大裂纹检查。
4.3.1探头的选择
根据超声波探伤基本原则: 超声波声束尽可能覆盖疲劳裂纹发生区, 且声束尽可能和裂纹垂直, 以获得最大的裂纹反射量, 形成较高的探伤灵敏度。由于提速机车车轴采用空心轴传动, 限制了探伤条件, 探头只能放置在车轴端面对车轴压装部进行检测。通过理论计算和实际测试, 车轴压装部选取频率为2.5 MHz, 晶片直径为20 mm的9°纵波小角度探头, 如图1 所示。车轴内部缺陷和大裂纹的检查采用频率为2.5 MHz, 直径20 mm 的直探头。
4.3.2实物试块的制作
根据车轴压装部受力情况, 在车轴压装部内侧压痕线附近加工人工锯口, 为和轴肩反射波分开, 在距离轴端面470 mm 处分别加工两个宽度为0.5 mm, 长度分别为50 mm, 100 mm, 深度分别为2 mm, 10 mm 的人工锯口( 见图1) 。
4.4探伤灵敏度校准
4.4.1纵波小角度探头灵敏度校准
将9°探头置于车轴实物对比试块端面上, 探测车轴镶入部内侧( 距轴端470 mm) 2 mm 深人工锯口, 移动探头, 使人工锯口反射波达到最高并将波高调节到仪器荧光屏满幅度80%, 作为车轴小角度探头探伤灵敏度。
4.4.2直探头灵敏度校准
将2.5P20 直探头放置在车轴实物对比试块端面上,探测车轴10 mm 深人工锯口, 移动探头, 使人工锯口反射波达到最高, 并调整到仪器荧光屏满幅度80%, 作为内部缺陷及大裂纹查找灵敏度
4.5探伤操作
4.5.1车轴压装部探伤
将纵波9°小角度探头放置在车轴端面上, 如图2 所示, 在探伤灵敏度基础上再增益6dB, 对车轴轮心压装部处进行扫查。探头中心对准车轴顶针孔, 作周向移动, 探头晶片相互覆盖10%, 探头移动轨迹为锯齿形, 当发现疲劳裂纹后恢复探伤灵敏度进行定量。
4.5.2车轴内部缺陷和大裂纹查找
将纵波直探头放置在车轴端面上, 如图2 所示, 在校对好的探伤灵敏度基础上再增益6dB, 对车轴内部进行扫查。探头中心对准车轴顶针孔, 作周向移动, 探头晶片相互覆盖10%, 探头移动轨迹为锯齿形, 当发现疲劳裂纹后恢复探伤灵敏度进行定量。
4.6提速机车车轴疲劳裂纹波形特点
在车轴超声波探伤中, 最重要的是反射波的识别。探伤人员须有扎实的理论知识和丰富的实践经验, 才能正确地对波形进行判断, 避免将疲劳裂纹反射波误判为固定波给运输生产埋下安全隐患, 或将固定波误判为疲劳裂纹反射波造成材料浪费。根据以往SS 系列机车车轴疲劳裂纹波形特点和规律, 以9°纵波探头为例, 对SS8 型机车在役车轴探伤波形作一简单分析: 疲劳裂纹的位置一般产生在车轴压装部范围内, 波形单一、波峰尖锐、笔直。但由于裂纹有裂纹源, 深度有一定变化, 探头周向移动时波形高度变化不大, 位置也不变, 不会超出6 dB。探头转动一定角度时波形位置不变, 而高度变化较大, 探头向顶针孔靠近时波形略有增长, 靠近轴端边缘时波形下降。因为是空心轴传动, 车轴受力较均匀, 一般情况是一周均有, 深度变化不大, 周向移动探头时波形高度稍有变化,这和疲劳裂纹的深度差有关。但也有不是一周的疲劳裂纹, 波形显示有一定的周向长度, 周向移动探头时波形高度变化较大, 探头向两侧移动时波形高度逐渐下降。另外探头上下移动时疲劳裂纹波在时基线上有一定的游动距离, 裂纹深度愈大, 游动距离愈大, 这是疲劳裂纹反射波和固定波的主要区别。
4.7影响疲劳裂纹定量的因素
在车轴超声波探伤检测中采用实物对比试块法, 疲劳裂纹的反射声压和实物试块上的人工锯口相比较, 由于人工锯口为单一的形状, 而疲劳裂纹则是千变万化的,因此定量中出现误差在所难免。况且影响疲劳裂纹定量因素很多, 如何避免或缩小定量误差, 是探伤人员多年来研究的课题。笔者认为车轴疲劳裂纹定量应从以下几方面考虑, 并加以修正以保证定量准确性。
4.7.1疲劳裂纹取向对定量的影响
由于所选探测面很难使超声波声束和疲劳裂纹相垂直, 疲劳裂纹反射声压得不到全反射, 所以疲劳裂纹定量结果一般比实际偏小, 且疲劳裂纹深度越大误差越大。当疲劳裂纹面和探头声束夹角为2.5°时, 疲劳裂纹反射声压下降到10%, 当倾斜12°时, 反射声压急剧下降到1‰, 回波幅度同样变小, 定量误差就越来越大。因此判断疲劳裂纹深度比实际疲劳裂纹深度要小一些的现象时,在实际探伤中应进行适当的补偿, 一般情况下补偿几个dB。
4.7.2疲劳裂纹性质对定量的影响
当疲劳裂纹的内含物不同, 其声阻抗不同。内含物和车轴钢的声阻抗差别越大, 回波幅度越大, 定量误差越小。疲劳裂纹内充满空气时, 疲劳裂纹反射声压和实物试块上的人工锯口相接近, 回波幅度变大, 定量误差较小。一般情况下车轴疲劳裂纹内充满油脂, 所以疲劳裂纹反射声压相应变小, 部分声能出现透射, 回波幅度变低, 定量时和实际疲劳裂纹深度误差较大。经验表明声能损耗约为10%左右, 所以裂纹定量时也应该考虑补偿。
4.7.3疲劳裂纹面对定量的影响
疲劳裂纹反射声压和疲劳裂纹面的状态有很大关系: 当疲劳裂纹反射面粗糙时, 会引起严重的散射及干涉, 探头接受的回波幅度变小, 在定量中会出现误差。
4.7.4探测面对定量的影响
当被检车轴探测面和实物试块粗糙度不同时, 声波由探头进入车轴时会产生一定声能损耗, 定量过程出现误差, 疲劳裂纹判断深度较实际要小。尤其当车轴端面上有钢印字头, 超声波能量损失更严重, 这时疲劳裂纹定量应补偿2～4 dB。
4.7.5探头对定量的影响
由图3 的人工锯口深度- 波幅曲线可以看出, 任何一种探头在裂纹定量中都具有饱和性, 即随着裂纹深度的增加, 反射波逐渐增高, 具有一定的反射规律, 达到探头饱和点以后, 反射波不会随裂纹深度增加而增加。
2.5 MHz, Φ20 mm 的9°小角度纵波探头起点较早, 饱和点大约在3 mm; Φ20 mm 直探头饱和点大约在6 mm; 而K1 横波斜探头饱和点小, 探伤灵敏度高, 发现小裂纹能力强, 但定量中误差大, 这就是以往机型车轴探伤不用横波斜探头定量的原因。在裂纹定量中应考虑使用探头的饱和点, 在饱和点后不能简单地利用6 dB 法, 应采用多探头综合判断, 同时探头的晶片尺寸影响近场区长度和波束指向性, 对定量也有影响。
4.7.6实物试块对定量的影响
机务段在制作实物试块时不规范, 加工人工锯口断面不平整, 出现台阶, 在校对灵敏度时人工锯口反射声压偏高, 均会导致定量中容易将小裂纹判断为大裂纹。另外人工锯口长度、深度不标准, 尤其标定灵敏度深度只是一点, 和实际疲劳裂纹的反射声压不同, 从而引起定量上的误差。
4.7.7车轴压装应力影响
在车轴实物试块上校对好探伤灵敏度后, 实际探伤检测中, 由于轮对组装使车轴齿轮压装部边缘产生较大的内应力, 超声波质点振动轨迹受应力干扰, 声波传播速度和方向发生变化, 引起定量中产生误差。另外探伤仪器、探头、试块的性能及探伤人员的操作方法、技能、实践经验等主观因素均对疲劳裂纹定量有直接的影响。总之, 车轴超声波探伤中疲劳裂纹定量时应综合考虑以上因素。根据经验, 裂纹深度在3mm 以内时, 定量时一般偏差为±0.5 mm。同时也应考虑其它因素, 超出3 mm时就应考虑探头的饱和点问题。
5 SS4改进型电力机车整体车轮车轴疲劳裂纹超声波探伤
5.1问题的提出
湖东电力机务段配属SS4改进型(SS4G)电力机车246台，该车采用整体车轮，担当大秦铁路晋煤外运牵引任务。2005年对其中的200台机车的L()CaTROL系统进行了改造，2006年3月份该机车开始陆续在大秦线上担当2万t组合机车牵引重载运输任务，显示了我国自主研制的国产电力机车牵引重载列车的优势。但随着SS4改进型电力机车走行公里数的逐渐增加，也暴露了一些问题，比如2007年11月22日，对SS4G7Cr76#机车进行一次中修时．由于轮心磨耗到限，人厂更换轮心，意外发现B4位轴号为04．0280的车轮在退下轮心时车轴压装轮心和齿轮心处有裂纹，经过磁粉探伤确认为周向裂纹，裂纹位置在距轴端面512舳处，长度为沿圆周扔周，根据磁痕分析为疲劳裂纹。该机车于2004年4月新造，走行568 701 km。接着200r7年12月4日，又发现SS4G6153#机车A4位车轴在轮心和齿轮心压装部位处有疲劳裂纹，裂纹位置在距轴端面515栅处，分布圆周一周；另一端在距轴端面5 l 5 mm处也发现裂纹，长度为沿圆周断续一周。Ss4G615鲥机车是2005年1月新造，走行了514 228 l∞。这2台机车车轴裂纹都是人厂更换轮心在退下轮心和齿轮心情况下，用磁粉探伤发现裂纹的。根据湖东电力机务段技术管理条列，凡是机车轮对大修入厂前或大修回段上车前必须按照中修探伤范围进行探伤检查，也就是说，这2根车轴在入厂前应采用小角度探头和横波探头进行超声波探伤的，经过查探伤记录，超声波探伤记录良好，没有裂纹记载。新造机车车轴运用50多万km产生疲劳裂纹，而产生疲劳裂纹的部位恰恰在车轴的压装部这个疲劳裂纹产生的惯性区域，同时超声波探伤没有发现裂纹，这一现象引起机务段管理人员和工程技术人员极大重视，要求从技术角度分析其中原因。
5.2原因分析
车轴是机车机械走行部关键部件之一，在运用中起着向钢轨传递静载荷和牵引力、制动力的作用，另外还刚性承受来自钢轨接头、道岔、线路不平的垂直和水平作用力，是一个受力复杂、工作条件恶劣的部件。SS4改进型电力机车是我国铁路重载运输的主型机车，车轮结构有分体车轮和整体车轮。我国早期生产的机车车轮都是采用带轮箍的组合式分体车轮，这种车轮最大的隐患就是其一旦发生轮箍崩裂或弛缓，极易造成机车脱线，甚至列车颠覆事故．后果不堪设想。随着列车速度的提高，这种隐患的危险性更加突出，为避免该隐患，铁道部在运装技验(2000)269号《加强机车走行部管理意见》文件中规定“机车要逐步合理地采用整体辗钢车轮，从2001年起，新造干线客货运机车全部采用整体车轮”。所以2001年以后生产的SS4改进型电力机车车轮都采用了整体车轮，车轴结构也随之发生了改变，齿轮心直接压装在车轴上，压装轮心和齿轮心的车轴直径分别是238 mm、245 mm，期间没有采用圆弧过渡而是采用了直接过渡，只在压装齿轮心变径处加工了5 mm的倒角，这个部位作为传递牵引力转矩的连接部位，成为交变应力的集中区，同时轮心与车轴、传动齿轮与车轴组装均方过盈配合，2个组装应力也集中在这个部位上，机车长期重载运用中使车轴产生疲劳裂纹。产生裂纹根本原因是车轴设计不合理，在压装部位没有采用圆弧过渡。
5.3 SS4改进型电力机车车轴(整体车轮)超声波探伤工艺制订情况
由于SS4改进型机车车轴(整体车轮)是新型车轴，铁道部相关文件和工艺没有涉及到该型车轴的探伤方法。在制订SS4改进型电力机车车轴超声波探伤工艺时除考虑车轴压装部内、外侧疲劳裂纹惯性发生区外，也考虑了车轮轮心和齿轮心压装部结合处。因此在车轴实物试块上加工校对探伤灵敏度的人工缺陷有3个位置，即距离车轴端面360mm、520mm、640mm处分别加工深度为2mm、5mm的人工缺陷，如图5.1所示。车轴齿轮压装部内侧用70小角度纵波探头扫查，当齿轮压装部内侧发现缺陷后用6。小角度纵波探头进一步核查；齿轮压装部外侧发现缺陷后用80小角度纵波探头核查；轮心压装部外侧用11 o小角度纵波探头扫查。同时规定车轴压装部内侧用Kl横波斜探头探伤，外侧用K2横波探头扫查，用纵波直探头对车轴进行透声性能检验和内部缺陷、大裂纹查找。用小角度70或80纵波探头在车轴端面对该位置进行探伤，同时也用K0．8或K1、K2横波斜探头在抱轴径卜对该位置