高 鵬

（智奇鐵路設(shè)備有限公司，山西 太原 030032）

1 空心軸輪對輪座拉傷缺陷的產(chǎn)生

空心軸輪對的組成是在空心車軸上以冷壓方式壓裝車輪及盤座，采用過盈的配合尺寸，壓裝工藝的關(guān)鍵控制項(xiàng)點(diǎn)：車軸、輪轂孔的過盈量，表面的粗糙度，組裝時(shí)的油潤狀態(tài)、輪轂與軸的中心線重合度等。從T3B動(dòng)車輪對檢查報(bào)告中可以看到，壓裝完好的輪對，可接受的壓裝噸位為673.2~1 148.0 kN，其壓裝應(yīng)力曲線如圖1。某一項(xiàng)發(fā)生問題，都會(huì)造成壓裝應(yīng)力過高，使輪軸表面摩擦阻力和塑性變形增大，使車軸壓裝部位表面和轂孔內(nèi)表面相對位移方向啃傷，造成車軸及轂孔內(nèi)表面被拉傷，具體見圖2。

圖1 壓裝應(yīng)力曲線圖

從圖2看出，拉傷處有明顯的橫向尖角，這些橫向的尖角是產(chǎn)生橫向裂紋的裂紋源，尤其是處于輪座疲勞區(qū)域的拉傷，在交變應(yīng)力的作用下，更容易萌生和擴(kuò)展成為疲勞裂紋，使車軸的使用壽命被極大地縮短，甚至這類缺陷對行車安全構(gòu)成了極大的威脅。

圖2 壓裝過高造成的拉傷

2 空心軸輪對輪座拉傷缺陷的檢測方法

查閱了大量的文獻(xiàn)和資料，也對現(xiàn)場的拉傷車軸進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，同時(shí)走訪了多個(gè)動(dòng)車段，對現(xiàn)場情況進(jìn)行了了解，對拉傷形態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，車軸拉傷部位主要有輪座部位，具有以下特點(diǎn)：

1）大多發(fā)生在輪座外側(cè)疲勞帶并向內(nèi)側(cè)延伸，有一定的長度，方向與軸線平行。

2）周向拉傷缺陷有一定的寬度，其拉傷面參差不起，盤跌起伏，大多與軸線方向垂直，近似為魚鱗狀。

依據(jù)資料的積累和現(xiàn)場車軸拉傷的具體現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了研發(fā)的途徑：收集拉傷車軸；并在空心軸表面進(jìn)行刻槽，模擬人工缺陷，實(shí)物對比制作校驗(yàn)試塊；采用不同探頭、不同尺寸、不同頻率的雙晶及單晶直探頭、斜探頭，使用便攜式超聲波探傷儀、人工模擬缺陷試塊進(jìn)行對比研究，找出最有效的方法與探頭組合；在模擬試塊上研究探傷靈敏度標(biāo)定方法與參數(shù)，研究儀器特性及不同參數(shù)設(shè)置對檢測結(jié)果的影響，研究探測方法對檢測結(jié)果的影響。

2.1 設(shè)計(jì)制作拉傷模擬試塊

通過對空心車軸表面拉傷狀態(tài)的分析，加工設(shè)計(jì)了不同孔徑的空心軸模擬試塊。采用銑床加工方法，90°V型銑刀，在每組試塊表面刻槽，槽深0.5 mm及1.0 mm，形成鋸齒形人工缺陷，模擬拉傷缺陷。試塊采用與實(shí)際空心車軸相同的材料。為了便于移動(dòng)探頭，自軸半徑1/2處分開，具體見下頁圖3。

圖3 空心軸模擬試塊

2.2 探傷掃查

采用手工方式，將孔兩端堵塞，注耦合液油，手持組合式探頭在孔形成的凹槽內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察波形變化，（見圖4）找出有缺陷處和無缺陷處的波形形態(tài)及形態(tài)變化，分析和統(tǒng)計(jì)形態(tài)變化規(guī)律，進(jìn)而總結(jié)規(guī)律。

圖4 試塊

使用便攜式超聲波探傷儀器，通過采用不同探頭、不同尺寸、不同頻率的雙晶及單晶直探頭、斜探頭，不同探傷方式進(jìn)行試驗(yàn)，尋找可靠的檢測方法。最后確定采用0°縱波直探頭和50°斜探頭同時(shí)對拉傷人工缺陷進(jìn)行探傷是較其他探頭有較好的檢測效果。采用4 MHz雙晶0°直探頭、8 MHz高頻探頭和50°斜探頭的組合和高分辨率的BLC-2000型多通道超聲波探傷儀，見圖5、圖6。

圖5 探頭

圖6 BLC-2000型多通道超探

2.2.1 采用0°雙晶探頭研究的方法

空心軸表面拉傷后，深度位置將發(fā)生變化，用雙晶探頭檢測時(shí)，由于拉傷缺陷的存在，一部分聲束在拉傷缺陷處反射回來，底波高度將發(fā)生變化。識別和捕捉波形動(dòng)態(tài)的變化來實(shí)現(xiàn)超聲波自動(dòng)探傷檢測拉傷缺陷的目的。采用雙晶探頭檢測時(shí)，可清晰的分辨出底波和0.5 mm的拉傷缺陷反射波及1.0 mm的拉傷缺陷反射波，見圖7、圖8。

圖7 0.5 mm的拉傷缺陷波

圖8 1.0 mm的拉傷缺陷波

2.2.2 采用50°橫波斜探頭研究的方法

空心軸表面拉傷后，空心軸表面將出現(xiàn)棱角和尖銳的臺階，用斜探頭檢測時(shí)，有較高的靈敏度，尤其是折射角為50°時(shí)，有更高的靈敏度。當(dāng)聲束掃查到尖角和臺階邊楞時(shí)，會(huì)造成折射和反射，被探頭接收，在儀器熒光屏出現(xiàn)缺陷回波。捕捉這種缺陷回波，實(shí)現(xiàn)拉傷缺陷的檢測。采用50°橫波斜探頭檢測時(shí)，可清晰的出現(xiàn)0.5 mm的拉傷缺陷反射回波及1.0 mm的拉傷缺陷反射回波，具體見圖9、圖10、圖11。

圖9 1.0 mm的拉傷缺陷波

圖10 0.5 mm的拉傷缺陷波

圖11 無拉傷缺陷波

通過手工試驗(yàn)得出，雙晶探頭檢測時(shí)，波形的特征變化需要設(shè)置多層判據(jù)，進(jìn)行捕捉和識別。而50°斜探頭有非常明顯的缺陷反射回波。統(tǒng)計(jì)了從現(xiàn)場索取的探傷記錄，從94根車軸共檢測188端的探傷結(jié)果中，有11端沒有應(yīng)力回波，其余全部有應(yīng)力回波，應(yīng)力回波的位置與缺陷回波同一位置。這就給50°斜探頭檢測帶來了難度。是否出現(xiàn)拉傷后會(huì)有應(yīng)力波的存在，還要在今后探傷實(shí)際中進(jìn)行觀察和試驗(yàn)。因此，必須采用雙晶探頭和50°斜探頭的組合對空心軸拉傷缺陷進(jìn)行檢測，才能保證探傷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 超聲波檢測裝置必須具備的條件

總結(jié)摸索及在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，需要有效地實(shí)現(xiàn)空心軸拉傷的檢測，研制超聲波檢測裝置必須具備以下條件：

1）檢測裝置需用于空心軸壓裝、退卸的工作現(xiàn)場?？梢苿?dòng)并且可固定在任意位置，實(shí)現(xiàn)不同車輪直徑及不同的軸型。

2）必須采用雙晶探頭和50°斜探頭的組合對空心軸拉傷缺陷進(jìn)行檢測。

3）可在空心車軸孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對空心車軸自動(dòng)探傷掃查。

4）有校驗(yàn)靈敏度的實(shí)物輪對試塊，對探傷靈敏度進(jìn)行校驗(yàn)，并對設(shè)定的探傷參數(shù)、校驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄和保存。

5）通過軟件，對拉傷波形的形態(tài)及變化規(guī)律進(jìn)行捕捉，實(shí)現(xiàn)探傷掃查過程中對拉傷缺陷波形的自動(dòng)識別和判斷，自動(dòng)確定拉傷的位置、模擬當(dāng)量深度，并自動(dòng)記錄到設(shè)計(jì)的探傷記錄和報(bào)告中，對探傷記錄和報(bào)告進(jìn)行打印、存儲(chǔ)和查閱。

6）通過軟件，建立拉傷缺陷的C掃描圖形顯示，直觀描繪拉傷缺陷的位置和分布狀態(tài)。

3 探傷裝置中動(dòng)態(tài)探傷方法的實(shí)現(xiàn)

依據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)，探頭架采用內(nèi)嵌式探頭結(jié)構(gòu)，彈性置中環(huán)使探頭始終處于孔中心位置，橡膠0形圈保持住油耦合層，中心孔定位，油膜層均勻，獲得了非常好的耦合效果。其中Ф30 mm探頭架安裝3個(gè)探頭：2個(gè)50°斜探頭，頻率為4 MHz、聲束方向?yàn)椋S向和－軸向，檢測外表面拉傷缺陷；1個(gè)0°雙晶聚焦探頭，頻率為4 MHz，聲束方向?yàn)閺较?，檢測外表面拉傷缺陷。采用50°橫波斜探頭，探頭頻率為4 MHz，檢測外表面輪座鑲?cè)氩坷瓊毕?，見圖12，例如：輪對、軸承壓裝時(shí)的拉傷及裂紋。

圖12 50°橫波斜探頭

探頭掃查模式：

1）探頭架在空心軸孔內(nèi)軸向移動(dòng)步距在0~10 mm之間連續(xù)可調(diào)，周向掃查1%~100%之間連續(xù)可調(diào)。掃查方式采用旋轉(zhuǎn)步進(jìn)式：圓周0~360°正向；0~360°反向。通常軸向5 mm步進(jìn)，也可將步進(jìn)距離設(shè)置2 mm，為精確掃查。

2）圓周掃描速度為60 r/min。

3）軸向移動(dòng)精度0.1 mm；圓周運(yùn)動(dòng)：0.1°。

4）5 mm步進(jìn)時(shí)，探頭主聲速掃查覆蓋率不小于130%。

5）100%掃查探傷區(qū)域，無盲區(qū)。

4 結(jié)論

1）車軸拉傷部位主要有輪座部位，具有以下特點(diǎn)：

2）大多發(fā)生在輪座外側(cè)疲勞帶并向內(nèi)側(cè)延伸，有一定的長度，方向與軸線平行。

3）周向拉傷缺陷有一定的寬度，其拉傷面參差不起，盤跌起伏，大多與軸線方向垂直，近似為魚鱗狀。

4）采用雙晶探頭和50°斜探頭同時(shí)對拉傷缺陷進(jìn)行探傷是較其他探頭有較好的檢測效果。

5）探頭采用嵌入式安裝，形成了均勻的油膜，油膜耦合需要高性能的探傷電路、高質(zhì)量的探傷系統(tǒng)，從而保證了高的探傷靈敏度。

6）探傷過程中，能夠自動(dòng)的對拉傷缺陷反射回波進(jìn)行識別，記錄、存儲(chǔ)，生成探傷記錄和報(bào)告。

7）實(shí)際探傷中，拉傷缺陷的深度不會(huì)像實(shí)物試塊上的人工拉傷缺陷一樣，有均勻的深度。掃查過程中，探頭主聲束會(huì)同時(shí)掃查到多個(gè)不同深度的層面，對深度距離的變化敏感性差，檢測時(shí)回波特征信號很弱，需作進(jìn)一步的探傷實(shí)驗(yàn)。

8）面積型缺陷的定義有待于在今后的實(shí)際檢測過程中，更加完善。