動車組空心車軸人工裂紋型式及其靈敏度試驗

黃永巍，高東海，任明照，郭 犇，范振中

（中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京 100081）

鐵道動車組空心車軸超聲波探傷基本上有兩大問題：探傷靈敏度與人工裂紋型式。近年來，空心車軸超聲波探傷人工裂紋在原有弦長型模式的基礎上，增加了等深型模式。孰優孰劣，不置可否。所謂弦長型裂紋，是用諸如線切割技術，從圓周表面往下切割，弦高達到缺陷要求的深度時即止，如圖1（a）所示。等深型裂紋，是用電火花等加工技術，從圓周表面往下電蝕，裂紋深度各處均等，如圖1（b）所示。

另外，德國、日本、意大利等廠家的空心車軸在出廠及應用中的超聲波探傷靈敏度相差很大，人工裂紋深度從1～3mm不等［1］，給我國高鐵空心車軸的探傷帶來了很大的困惑。為此，筆者模擬實際的空心車軸，制作了不同深度的弦長型和等深型人工裂紋（裂紋寬度均為0.2mm），采用了不同折射角度的超聲波斜探頭進行了系列試驗。

圖1 裂紋型式

1 試塊

空心車軸型式較多，各部位外徑不同，內孔大多為φ30mm。研究過程中制作了兩種人工試塊，一種是外徑98.5mm，內徑30mm；另一種是外徑65mm，內徑30mm。裂紋深度分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0mm。裂紋型式為弦長型和等深型。由于兩種不同外徑的試塊最終測試結果一致，所以此處僅以外徑98.5mm，內徑30mm的車軸試塊為例。試塊尺寸如圖2所示。

2 儀器及探頭

超聲波探傷儀為CTS－23型衰減型儀器。

超聲波探頭分凸面和凹面，角度分別為38°，45°，50°和70°。頻率分2.5和4MHz。

3 試驗數據

3.1 1號試塊

采用10mm×10mm探頭在1號試塊上測試，測試對象為外徑面裂紋，弦長型缺陷，內徑面凸面斜探頭探測，不同頻率下的測試數據見表1和圖3。

3.2 2號試塊

2號試塊上的測試對象為內徑面裂紋，弦長型缺陷，外徑面凹面斜探頭探測，采用尺寸為10mm×10mm的探頭在不同頻率下的測試結果見表2和圖4。

表1 1號試塊試驗數據 dB

表2 2號試塊試驗數據 dB

3.3 3號試塊

3號試塊上的測試對象為外徑面裂紋，等深型缺陷，內徑面凸面斜探頭探測，采用10mm×10mm探頭在不同頻率下的測試結果見表3和圖5。

表3 3號試塊試驗數據 dB

3.4 4號試塊

4號試塊上的測試對象為內徑面裂紋，等深型缺陷，外徑面凹面斜探頭探測，采用10mm×10mm探頭在不同頻率下的測試結果見表4和圖6。

表4 4號試塊試驗數據 dB

4 數據分析

（1）2.5MHz 38°斜探頭探傷靈敏度遠遠高于2.5MHz其他角度的斜探頭。例如對于深度為0.5mm的弦長型裂紋，比45°，50°，70°斜探頭分別高了14，23，51dB（見表1和圖3（a））。

（2）2.5MHz 38°斜探頭的探傷靈敏度高于4MHz 38°斜探頭10dB以上（見表1）。

（3）頻率4MHz的38°和45°探頭的探傷靈敏度基本一致。

（4）38°和45°探頭對于不同深度的人工裂紋靈敏度變化平緩，特別是38°探頭，深度3mm的裂紋僅比深度0.5mm的裂紋高了5dB。

（5）裂紋深度≥1.5mm時，所有探頭反射當量變化平緩。

（6）對于同一深度的弦長型裂紋與等深型裂紋，同一斜探頭的反射當量基本一致，詳見表1和表3，表2和表4。

5 結論

（1）采用2.5MHz 38°斜探頭檢測空心車軸裂紋類缺陷效果最佳。

（2）人工裂紋深度定為1mm即可。

（3）等深型裂紋和弦長型裂紋反射當量一致，因此可根據裂紋加工制作的難易程度選擇不同型式的裂紋。例如在車軸外表面加工裂紋時，可采用弦長型裂紋；在空心車軸內表面加工裂紋時，可采用等深型裂紋。

［1］中華人民共和國鐵道部運裝客車［2008］694號，CRH系列動車組空心車軸超聲波探傷工藝規程（試行）［Z］.