鐵道車輛輪對超聲波自動探傷機存在問題分析

徐偉民 上海鐵路局科研所

現全路車輛部門使用的輪對微機超聲波自動探傷機1985年問世，上世紀90年代開始逐步推廣應用，至今全路各車輛檢修單位基本按雙套配置。該機投入使用至今，雖經不斷升級改造，但仍然存在不少問題。這是一臺確保行車安全的關鍵設備，由于其探測結果無法使人確信，多年來各使用單位只能將其作為輔助設備運行，其探測后的輪對還要人工重探，可以說該機至今未發揮好其應有的作用。

1 探測方式先天不足 日常性能校驗困難

現役鐵道車輛輪對超聲波自動探傷機（詳見圖1）車軸輪座鑲入部探測時，采用與人工探測相同的方式既在旋轉的輪對軸身上，靠探頭往復運動來完成對輪座鑲入部的全程掃查。這種探頭與工件復合運動的探測方式用于人工探傷完全正確，但用于自動探傷就很值得商榷。

圖1 現役鐵道車輛輪對超聲波自動探傷機

采用在旋轉的輪對軸身上，靠探頭往復運動來完成對輪座鑲入部的全程掃查方式進行人工探傷時，超探工發現疑問波，一般先停止轉輪器工作，在疑問波附近用探頭仔細掃查，尋找傷波最強波高。但自動探傷機是輪對不停的轉動，探頭一直做往復運動，人工探傷停止轉輪后的復雜運動其是無法模擬的。僅此一點就可見該設備設計時存在的先天不足。

超聲波探傷起始靈敏度的確定，是其準確工作的前提。按超聲波探傷的基本原理，鐵道部車輛輪軸超聲波探傷工藝規程規定，車軸輪座部位超聲波探傷試驗軸的起始靈敏度為1 mm深的人工傷（詳見圖2）。

圖2 輪座部位人工傷示意圖

該人工傷采用線切割加工，在輪座上其弦長約25 mm，其基本正好為一個晶片直徑20 mm的探頭主聲束所覆蓋。也就是說，超聲波探傷時軸身上只有一小塊區域，才能找到輪座上1 mm深人工傷的最強波高，該設備探測時輪對不停轉動，探頭一直做往復運動（其復合成的軌跡如圖3所示），加上幾個探頭還要輪流工作，這就決定了其無法快速、準確找到輪座上1 mm深人工傷的最強波高，它應該是現役鐵道車輛輪對超聲波自動探傷機日常性能校驗很困難的根本原因。

圖3 復合軌跡

當然，該機只要正常工作，輪座部位大裂紋是能探測到的，這大概也是其有生命力的主要原因。但如輪座部位僅檢測大裂紋，超聲穿透檢測就能既方便又更準確完成。

2 機械定位精度不夠 探頭磨耗增加成本

該設備研制時，我國鐵道車輛輪對的形式還多種多樣，尚存不少圓錐型軸身的輪對。如何準確定位，當時的研制者確實動了許多腦筋，選擇了一種落錘測量的機械定位方式。隨我國鐵道車輛輪對滾動軸承化的快速發展，這種簡單的定位方式就無法滿足不退軸承時車軸卸荷槽部位的超聲波探傷。實測輪對轉動后，該機固定的軸端探頭會產生3～5 mm的徑向誤差。

超聲波探傷定位準確是其最大的優點，但前提是探頭擺放的位置先要準確。該設備的機械定位就不準確，軸端探頭能產生3～5 mm的徑向誤差，是根本無法對卸荷槽部位進行準確探傷的，因為卸荷槽部位也正好為一個晶片直徑20 mm的探頭主聲束所覆蓋，稍微偏一點，就會探測到軸承內圈蠕動所造成的軸頸劃傷部位，該機卸荷槽部位探傷的誤報率很高的原因基本由此造成。

另該設備采用踏面底部硬驅動，輪對在轉動的過程中抖動較大，會增大探頭的磨耗。超聲波探傷過程中，探頭是一個重要的組成部分，其不僅起著聲能轉換作用，它的角度、線性誤差、靈敏度、抗干擾性等指標都直接與判傷結論有關。探頭看似簡單，但要做好決不容易，好探頭價格均較高。一般超聲波自動探傷機都對探頭有嚴格的匹配要求，探頭磨損后性能的變化用程序來自動修正是很困難的，故超聲波自動探傷機的探頭以采用非接觸工作方式為好，其不僅能大大節約探頭的成本支出，還能嚴格控制探頭質量，提高整機的工作性能，確保判傷的準確性。

3 自動補償方法不對 整機性能無法達標

實現輪對微機自動探傷，目前還存在一定困難，難在如何實現對缺陷波進行材質自動補償?，F有鐵道車輛輪對超聲波探傷規章均規定以5級晶粒度的標準試塊來確定超聲波判傷的起始靈敏度，這是人工探傷采用的一種不得已而為之但確行之有效的方法。其雖有一刀切之嫌（車軸的晶粒度為5～8級，材質好壞對超聲影響很大），但確能保證人工判傷的結果基本一致，這也是在當時我國車軸材質晶粒度離散性較大情況下，確保行車安全采取的必要手段。該設備在不斷改進的過程中，在這方面也做了一些嘗試，但采用的是在軸身上縱波采樣來對輪座部位橫波探傷進行補償。這種嘗試存在采樣與探測不是一個部位且縱波與橫波性能大有區別等問題，應該說也是有違超聲波探傷基本原理的。

超聲波在車軸鋼（5級晶粒度）中縱波聲速為5945 m/s、橫波聲速為3254 m/s，縱波與橫波在鋼中傳播的方式及遇到缺陷后其產生的散射和繞射情況均不相同，所以縱波與橫波的判傷標準也不同。雖然有自動補償比沒有是進了一步，但混為一談還是解決不了問題。

超聲波探傷儀與探頭的綜合靈敏度性能校驗，兩者是不能分開的，這是準確判傷的保證。但該設備為取得與人工探傷一致的起始靈敏度，其操作工藝確要求用另一臺超探儀來逐個校驗其使用的各型探頭。這不僅給現場使用造成極大的不方便，也有違超聲波探傷基本要求。

由于該設備自動補償方法不對，整機日常性能校驗就無法按超聲波探傷基本原理和要求來全面完成，這樣只能產生整機性能很難達標的結果。

4 結論

現役輪對微機超聲波自動探傷機由于其研制的時代較早，存在探測方式設計不合理、機械定位精度不夠、自動補償方法不對等先天不足，可以說至今未投入正常使用，未能發揮出其確保行車安全的應有作用。它存在日常性能校驗困難、探頭磨耗增加成本、整機性能無法達標等嚴重問題，已無法靠修修補補來徹底解決。隨電子技術的飛速發展，今天我們來討論和解決這些問題已具備了較好的條件，科研本身無止境，只要我們能找準問題，就一定有解決問題的辦法。

我國鐵路日新月異的飛速發展，也要求我們盡快解決鐵道車輛輪對進行準確超聲波自動探傷的問題。雖然還有很多難題有待攻關，譬如在確保行車安全的前提下，如何實現對缺陷波進行材質自動補償等。生產現場存在的問題，就應該是我們科研的主攻方向。為此，我們擬開展《非接觸陣列式鐵道車輛輪對微機超聲波自動探傷機》研制，以期能解決現役輪對微機超聲波自動探傷機存在的一些問題，并爭取有新的突破，為我國的鐵路運輸安全作出我們應有的貢獻。