火車輪軸\\輪箍超聲探傷工藝

摘 要:目前，超聲波探傷工藝在無損檢測中具有廣泛的應用，超聲波探傷工藝對超聲檢測技術的發展起到至關重要的作用。通過分析火車輪軸、輪箍的疲勞裂紋及各種缺陷的特點，采用不同的超聲探頭和探傷工藝來針對不同的裂紋和缺陷進行探傷，并對缺陷進行了定性和定量的評價。結果表明，超聲波探傷存在一定的優勢，它減少了檢測的時間，提高了檢測的精度，且所需探頭數目比常規探傷大大減少，具有很大的發展前景。

關鍵詞:超聲檢測; 超聲探傷工藝; 輪軸; 疲勞裂紋

中圖分類號:TP29 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)07-0205-03

Ultrasonic Flaw Detection Technique of Wheel Axles and Hoops of Trains

YAN Rui1， SHI Peng-yan2， PENG Jian-ping2， WANG Li2

(1. Department of Equipments and Devices， China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. Ltd.， Wuhan 430063， China;

2. Photoelectric Engineering Institute， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Abstract: At present， the ultrasonic flaw detection technique is widely used in non-destructive detection. It plays an important part in the development of ultrasonic detecting technology. After analyzing the characteristics of various defects and fatigue cracks in wheel axles and hoops of trains， different ultrasonic probe and the detection techniques were applied to diffe-rent cracks and gaps， and the qualitative and quantitative assessment on the defects was adopted. The result shows that the ultrasonic flaw detection has certain advantages， reduces the detection time and improves the detection accuracy. Comparing with the conventional detection methods， it needs a few probes and has a great prospect for development.

Keywords: ultrasonic detection; ultrasonic flaw detection technique; wheel axle; fatigue crack

0 引 言

無損檢測(NDT)是現代工業領域中保證產品質量與性能、穩定生產工藝的重要手段。超聲檢測是一種重要的無損檢測技術，在鐵路領域有著廣泛的應用。我國鐵路機務車輛部門對各型車輪的磨耗限度均有明確的規定。在檢修車輪時，主要通過測量輪緣踏面外形的幾何參數來判斷車輪的磨耗程度[1]。這些數據包括車輪直徑、輪緣厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等，其中以輪緣厚度最為關鍵。

車輪踏面及輪緣是應力最高的區域，采用超聲波技術正是為了檢測這些區域。為了檢測車輪的疲勞裂紋，對車輪的檢測提出了三大任務[2]:檢測車輪中的宏觀冶金缺陷;檢測車輪運行中產生的疲勞裂紋;檢測車輪中的殘余應力。

1 機車輪軸的組成[3]

機車輪軸的組成如圖1所示。

圖1 機車輪軸組成示意圖

在役車輪的超聲探傷主要是檢測發現車輪中的危害性缺陷。輪箍探傷指大角度組合探頭橫波探傷主要針對輪箍的徑向裂紋和缺陷;雙晶直探頭縱波探傷主要針對輪輞部位的周(軸)向裂紋和缺陷。在用直探頭及雙晶探頭探傷時，輪箍內部缺陷大于或φ2平底孔當量且深度大于7 mm為不合格;深度為4~7 mm，箍厚大于50 mm，應列為“跟蹤探”;深度為4~7 mm，箍厚小于50 mm為不合格[6]。

標準的火車軸長約為2~2.4 m，軸承座、車輪座或齒輪座的軸徑視車軸的負載而異。由于機車運行中受往復彎曲應力的作用，在壓合部位內側和外側環狀帶、車軸最容易產生呈一定角度的疲勞裂紋，因此在役車軸是超聲波檢測時檢測的重點[4]。

2 超聲波探傷工藝

超聲檢測的方法有很多種，每種檢測技術在實施過程中都要考慮其特殊情況。總體來說，可以有以下幾個步驟:

(1) 試件的準備;

(2) 檢測條件的確定，包括儀器、探頭、試塊的選擇;

(3) 檢測儀器的調整;

(4) 掃查、核查;

(5) 缺陷的評定;

(6) 結果的記錄和報告的編寫[5]。

由于機車輪軸探傷檢測技術復雜，對工作環境要求比較細致，所以在不同的應用場合，使用不同的檢測方法，達到的效果有所區別。對于不同的探測缺陷，有不同的工藝要求和技術要求，以便達到探傷的最終目的。

機車輪箍、輪軸手工超聲波探傷:

(1) 儀器及工藝裝備

超聲波探傷儀:超聲探傷儀應具備表1所示技術指標，并符合JB/T10061-1999《A型脈沖反射式超聲探傷儀通用技術條件》和有關數字探傷儀的國家或專業標準，顯示器是亮度可調的[6]。

表1 超聲波探傷儀的性能指標

增益或衰減器控制總量靈敏度余量分辨率動態范圍

≥80 dB≤46 dB (2.5 MHz鋼中縱波)≥26 dB(2.5 MHz鋼中縱波)≥26 dB

垂直線性誤差水平線性誤差放大器帶寬探測深度

≤6%≤2%1~8 MHz≥3

(2) 探頭、試塊和耦合劑[7]

超聲波探頭性能測試方法按JB/T10062-1999執行，探頭采用縱波直探頭、分割式縱波探頭和單(多)晶斜探頭，探頭回波頻率為2.5 MHz，誤差小于等于15%。

標準試塊主要為CS-1-5，CSK-Ⅰ(IIW)或CSK-ⅠA，TS-1或TS-1W和TZS-R系列，LG-9。車軸的實物試塊以RD2型為例，車輪用實物試塊。

耦合劑可選機油，在校驗探傷靈敏度和探傷作業時，應使用相同的耦合劑。

輪軸超聲探傷[8]見表2，輪軸、車軸挫傷時各型探頭、探測面和探測部位示意圖如圖2所示，輪箍探傷選擇見表3。

表2 輪軸超聲探傷

探測部位頻率 /MHz探測面型號探頭角度、類型

全軸2.5軸兩端面各型2.5P20Z直探頭

軸頸根部4~5軸端面RD223°~25°小角度探頭

鑲入部外側

2.5

4~5

軸身RD255°橫波斜探頭

軸頸RD252°橫波斜探頭

軸端面RD217°小角度縱波探頭

鑲入部內側2.5軸身RD245°橫波斜探頭

圖2 輪軸、車軸探傷時各型探頭探測面和探測部位示意圖

表3 輪箍探傷選擇

類型探測面試塊多晶片組合探頭雙晶直探頭

輪箍輪箍和車輪輪輞的內側面及踏面車輪實物試塊、LG-9>65 mm時:β為62°~74°

55~65 mm時:β為64°~72°

<55 mm時:β為67°~74°2.5PFG30

2.5PFG20

(3) 質量標準

超聲波探傷儀和直探頭系統靈敏度在探測最大聲程處φ2平底孔時至少應有30 dB的余量。

超聲波探傷儀和分割式縱波探頭系統靈敏度在探測最大聲程處φ2平底孔時至少應有20 dB的余量。

采用縱波直探頭探傷盲區應小于等于30 mm，采用分割式縱波探頭探傷盲區應小于10 mm。

(4) 探傷過程

① 靈敏度校驗包括掃查靈敏度校驗、核查靈敏度校驗。

根據輪軸和車輪的不同探傷區域，選擇超聲探頭的不同，可采用不同的對比試塊和校驗試塊對探傷靈敏度進行校驗，以達到最佳的探傷靈敏度。

② 掃查

確定探傷靈敏度后，在實際探測輪軸、輪箍時，只允許調節增益或衰減量，其他按鍵及參數均不得調整。其掃查分為兩個過程:

輪軸掃查:全軸穿透掃查應分別在車軸兩端面進行，轉輪器應停止轉動。掃查時，探傷靈敏度可適當提高，另外，在以不出現干擾雜波為準。掃查時，一面沿軸端面徑向前后移動探頭，一面沿圓周方向移動，并同時觀察回波的變化。探頭掃查范圍應遍及軸端面的可移動區域。橫波斜探頭從軸身、軸頸掃查，小角度縱波探頭從軸端面掃查。輪軸軸頸根部或卸荷槽部位的探傷檢查，采用小角度縱波探傷方法，在車軸兩端面進行探測。

輪箍掃查[8]:輪箍和車輪輪輞的內側面及踏面為探測面，由此入射的超聲波能達到輪箍和車輪輪輞的內部區域為超聲波探傷區域。輪箍也可以從內徑面進行徑向探傷，移動速度不大于50 mm/s，探頭掃查重疊率應大于10%。

③ 核查

當掃查過程中發現缺陷波，不能直接判斷其性質時則應對該缺陷區域進行進一步核查。輪箍檢查時優先采用斜探頭進行核查，核查時移動速度不大于30 mm/s。核查應采取兩種及兩種以上的核查方式進行驗證。

④ 缺陷的評定[8]

確定缺陷存在的位置:根據缺陷波在熒光屏水平線上所處的格數，即可按照線性比例關系，計算缺陷所處的位置。

判定缺陷的性質:根據缺陷的位置采取不同的判定方法。在可疑缺陷處于軸身外露部位時，必須用磁粉探傷[9]方法確認;在可疑缺陷處于鑲入部時，必須用橫波或小角度縱波探傷方法判定，最終判定應以退卸車輪后的磁粉探傷檢查結果為準。缺陷在車輪中的埋藏深度用缺陷距踏面的距離表示，必要時可用直探頭從內側面探測缺陷的埋藏深度。小于聲束截面的缺陷可用人工缺陷直徑±dB來表示，大于聲束截面的缺陷可用6 dB測長法測長，用指示度*指示寬度表示。

⑤ 探后處理

每條輪箍、車軸探測完畢后，均應在車輪輻板內側面或車軸軸身上畫出明顯的超聲波探傷檢查標記。在發現車軸有缺陷時，應使用白鉛油做出標記，注明缺陷性質和位置。在發現車輪中有大于或等于人工缺陷直徑的缺陷時，做報廢處理。在缺陷當量小于人工缺陷直徑時，做好實物標記，便于日后跟蹤。

之后，清理現場場地，檢查儀器設備情況，進行日常保養，并做探傷記錄與報告。

3 結 語

超聲波探傷在火車車輪和輪軸方面的應用越來越廣，對超聲波探傷工藝的要求也越來越高。在完全不退輪情況下(在役運行檢測)，采用小角度縱波探傷工藝方法可以分別檢測出內、外側疲勞裂紋。在半退輪情況下(工廠大修檢測)，退輪部位輪座采用磁粉探傷，由于不退輪部位空心軸和軸箱都已退出，采用斜探頭探傷可以分別檢測出內、外側疲勞裂紋。探傷時調整水平距離和探傷靈敏度可以直接在實物車軸試塊上進行近似調節，也可以在TZS-R試塊上進行調節，但探傷靈敏度以實物車軸試塊上的調節為準。

參考文獻

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[2]范弘，孫邦明，沈明珠.火車車輪超聲探傷技術與開發[J].2000，35(12):9-12.

[3]Wuestenberg H，周賢全.鐵路車輪車軸超聲波探傷的最新進展[J].國外機車車輛工藝，2002，3(3):1-3.

[4]鄭中興.關于火車軸的超聲波探傷[J].無損探傷，2008，32(5):11-13.

[5]史亦韋.超聲檢測[M].北京:機械工業出版社，2006.

[6]TB/T 2995-2000.鐵道車輪和輪箍超聲波檢驗[S].中華人民共和國鐵道行業標準，2000.

[7]曾海云，段怡雄，王平華.35CrMo車軸疲勞裂紋超聲波檢測工藝方法[J].電力機車與城軌車輛，2005，28(6):34-37.

[8]中華人民共和國鐵道部.鐵路貨車輪軸組裝、檢修及管理規則[M].北京:中國鐵道出版社，2007.

[9]張杰，輪箍表面熒光磁粉探傷系統[D].合肥:安徽大學，2006.