HXD1型大功率重載交流機車車軸磁粉探傷機研制

摘 要：HXD1型大功率重載交流機車二年檢和六年檢車軸不完全解體，限制了探傷條件，但是，采用現有的馬蹄形探傷器探傷效率較低。主要研制了HXD1型電力機車車軸專用探傷機，介紹了探傷機的組成、功能、技術指標和運用情況。

關鍵詞：HXD1型大功率重載交流機車；車軸；磁粉探傷機；磁化裝置

中圖分類號：U269.32 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.02.068

HXD1型大功率重載交流機車是利用內重聯環節將兩節完全相同的4軸電力機車連接起來組成的8軸重載貨運電力機車。車軸是機車的關鍵部件，根據《HXD1型電力機車二年檢規程》中提出的要求，對車軸進行磁粉探傷。由于它是新型機車，車軸結構與既有機車不同，所以，在二年檢檢修過程中，只解體車輪，不解體傳動齒輪和抱軸箱。這樣就對車軸磁粉探傷提出了更高的要求。

目前，機車車軸磁粉探傷有兩種模式：①采用濕法磁粉探傷機對車軸進行整體磁化探傷；②采用馬蹄形探傷器對車軸進行分段局部磁化探傷。但是，這兩種探傷機要求徹底解體車軸，不然就不能對HXD1型機車車軸進行探傷。為此，重點研制了HXD1型大功率重載交流機車車軸磁粉探傷機（以下簡稱車軸磁粉探傷機），應用這種設備便可對二年檢HXD1型交流機車的車軸進行磁粉探傷。

1 車軸磁化方式和車輪磁化規范

1.1 車軸磁粉探傷原理

用鐵磁性材料制成的車軸被磁化后，車軸就會有磁力線通過。如果車軸本身沒有缺陷，那么，磁力線在其內部是均勻連續分布的。當車軸內部存在缺陷時，比如裂紋、夾雜、氣孔等非鐵磁性物質，其磁阻會非常大，磁導率較低，這必將會使磁力線的分布發生變化。在車軸缺陷處，磁力線不能通過，否則就會產生一定程度的彎曲。當缺陷位于或接近車軸表面時，磁力線不但會在車軸內部產生彎曲，而且還會穿過車軸表面漏到空氣中，形成一個微小的局部磁場。由于介質磁導率的變化而使磁通泄漏到缺陷附近的空氣中所形成的磁場，被稱作漏磁場。如果將導磁性良好的磁粉（通常為磁性氧化鐵粉）施加在車軸上時，缺陷附近的漏磁場就會吸住磁粉，堆集成可見的磁粉跡痕，然后將相關的缺陷顯現出來。

1.2 磁化方式

采用二路復合磁化技術，即車軸軸向直接通電法，會產生車軸周向磁場；而采用沿軸向分布的線圈法，會產生車軸縱向磁場，以滿足車軸不同部位探傷的要求。二路磁化電路均采用可控硅控制，以達到磁化電流連續可調和斷電相位控制的功能。

采用熒光磁懸液，并嚴格控制磁懸液噴灑壓力和覆蓋面，做到緩流、均勻、全面覆蓋，可以有效地提高檢測效率。

1.3 磁化規范

周向磁化電流≥3 500 A，縱向磁勢≥18 Kat。根據踏面的A1型15/50標準試片顯示效果調整匹配兩向磁化參數，直至試片人工缺陷清晰、完整地顯示出來。

2 車軸磁粉探傷機組成和功能

2.1 探傷機組成

探傷機采用臥式床身結構，它是由床身、升降緩沖裝置、產生車軸周向磁場的電極傳動夾緊機構、產生車軸縱向磁場的開合線圈機構、車軸驅動機構、磁懸液噴淋系統、擋水板、操

作面板、暗室、微機操作系統和電器控制柜等組成的。

探傷機的電路主要包括磁化電路和操作控制電路兩大部分。磁化電路包括車軸周向磁化電路、車軸縱向磁化電路；磁化主電路均采用晶閘管控制，通過可控硅觸發電路改變可控硅導通角，改變輸出變壓器次級電壓，以達到調節激磁電流的目的。

2.2 設備原理

該設備為機電一體化設備，如圖1所示。探傷檢測的車軸上、下料采用天車吊進、吊出，適合單機使用。根據車軸結構的特殊性，磁化原理采用了二路復合磁化技術，即軸向直接通電法和可開合式線圈法。一次性通電即可全方位復合磁化車軸的表面或近表面的裂紋，檢測介質采用的是熒光磁粉，這樣就能有效地提高檢測的靈敏度。

圖1 磁化裝置

2.3 各部功能

2.3.1 床身構架

整體床身構架是由型鋼、鋼板焊接而成的，具有足夠的剛性和強度。在油漆之前，全結構都要作拋丸除銹防腐處理。

2.3.2 升降緩沖裝置

升降緩沖裝置主要是由構架、升降氣缸和緩沖升降托板組成的。它能起到緩沖的作用，使滾動支撐輪和設備在吊裝時，抗砸、經久耐用，所以說，該裝置是探傷機中必不可少的組成部分。

2.3.3 支撐、滾動驅動機構

合理、創新的設計是將滾動機構與支撐機構設計為一體，由減速器、4個滾輪和通軸等組成。支撐滾輪與整個設備和車軸是絕緣分開的，其材料為聚甲醛，支撐部位為車軸的輪座部位，滾動順暢、平穩。在檢測車軸時，它可以對車軸檢測面進行全面的磁懸液噴淋滾動，并能方便地滾動觀察檢測面的情況。

2.3.4 產生車軸周向磁場的電極機構

周向磁化電極機構是由導電板（通過加大直徑來兼容直徑大小不同的車軸）、電極體和電極夾緊推動氣缸組成。周向電極采用的是內置氣缸結構，通過加大行程來提高夾持的長短兼顧性。它主要是把磁化變壓器輸出的電流通過電極夾持方式傳導到車軸，并在車軸上形成周向磁場，以完成車軸縱向方向裂紋（缺陷）檢測。導電銅板與電極體連接在一起便有了自動萬向調整功能的球頭，它可以保證電極與車軸端面密貼接觸。電極夾緊傳動機構采用的是氣動傳動方式（氣動系統主件選用臺灣Airtac），

在保證最大夾持力的前提下，又能節約能耗，保護環境。

2.3.5 產生車軸縱向磁場的線圈機構

縱向線圈機構是由滾動驅動氣缸、滾動軸、基座、開合線圈、卡夫和鎖緊風缸等組成的。為縱向開合線圈加大直徑，直到能包容抱軸箱，且在齒輪對稱兩側位置放寬線圈間距，以滿足磁化工藝的要求?？v向開合線圈為我公司獨有的專利。

2.3.6 磁懸液噴淋機構

磁懸液噴淋機構主要是由磁懸液箱、污水泵、管系、氣動控制閥、噴淋頭、擋板和回流槽等組成的。噴淋管和噴頭分布并固定在磁化線圈的兩邊。噴淋系統可控制噴灑壓力和覆蓋面，能做到緩流、均勻、全面覆蓋。

2.3.7 紫光燈具

為了便于操作者觀察檢測結果，在距車軸檢測面460 mm左右的側面水平安裝了2組紫外線燈（每組各安裝6支60 W的紫外線燈）。燈具采用冷光源和反光罩，既增加了輻照度，又有效避免了紫外光對操作者造成的輻射和散發的熱量。

2.3.8 暗室

暗室主要是由鋁合金骨架、門簾、門簾傳動機構、白光照明燈具和排風扇等組成。設計科學、結構合理的暗室便于工件的進出和設備維修，并能準確、清晰地觀察檢測結果。

3 主要技術指標

該設備適用于對國產鐵路機車分解后車軸（動齒輪、抱軸箱）的濕法熒光磁粉檢測作業。它適合單機使用或與檢修流水線配套使用。

3.1 輸入電源

電源電壓為三相交流380 V±10%，50 Hz；輸入電流的額定電流為120 A；配電功率為45 kW。

3.2 輸出電源

周向磁化電流為0～5 000 A（有效值）；縱向磁化電流為0～3 000 A（有效值）；縱向磁化磁勢為0～24 Kat（有效值）。

3.3 檢測靈敏度

檢測靈敏度的判定標準是其能清晰地顯示A1型15/50標準試片存在的缺陷。

3.4 退磁方式

退磁方式是自動衰減的，由縱向最大值變為零；退磁效果（剩磁）≤0.2 mT。

3.5 工作效率

該設備的工作效率≤5 min/件。

3.6 工作面輻照度

熒光燈直接照射觀察工作面的輻照度，其輻照度≥800 μw/cm2。

3.7 風源

風源的壓力≥0.45 Mpa；容量≥2 m3/h。

3.8 整機絕緣電阻

整機的絕緣電阻>2 MΩ。

3.9 設備的外形尺寸

設備的外形尺寸（長×寬×高）為4 500 mm×1 200 mm×1 600 mm。

3.10 質量

該設備的質量為2 000 kg。

4 試驗

4.1 試片試驗

按照TB/T 3256.3—2011《機車在役零部件無損檢測第3部分：輪對磁粉檢測》中提出的，將A1-15/50型標準試片分別粘貼在車軸的軸頸、軸身、齒輪齒面和齒輪側面，經過噴淋磁化觀察試片，多次調整電流和相續，直至試片人工缺陷清晰顯示出來。A型試片顯示完整、清晰，反復擦掉試片上磁痕多次噴淋磁化，綜合考核其穩定性。

4.2 磁場強度試驗

用特斯拉計測量車軸檢測各部位的磁場強度，磁場強度達到了2 840 A/m。

4.3 軟件測試

測試微機控制系統實時采集探傷機的工作電壓、磁化等主要技術參數的準確性。同時，它還測試并打印探傷機日常、季度性能檢查記錄和探傷結果。其中，主要包括操作者編號、探傷日期、周向磁化電流、縱向磁化電流和探傷結果，查看其是否能按時間或按工件編號模糊地查詢探傷記錄。

5 關鍵技術和創新點

車軸磁化原理采用的是二路復合磁化技術。利用車軸軸向直接通電法可產生車軸周向磁場，沿軸向分布的線圈法會產生車軸縱向磁場，以滿足不同部位的檢測要求。采用工件在磁化的原位置交流自動衰減方式的退磁，其性能穩定，效果良好。在軸端部檢測剩磁量≤0.2 mT。為了便于操作者觀察檢測結果，在距車軸檢測面460 mm左右的側面安裝紫外線燈。燈具采用了冷光源和反光罩，既增加了輻照度，又避免了紫外光對操作者造成的輻射和散發大量的熱量。

6 結論

HXD1型大功率交流機車車軸探傷作業順利完成，原來探傷一條車軸需要2 h，但現在只需8 min，極大地提高了工作效率。設備采用了多種先進、成熟的技術，與其他同類產品相比，它具有一定的技術領先優勢，完全滿足HXD1型大功率交流電力機車車軸磁粉探傷。它不僅能對各型機車光軸進行探傷，還能對HXD1大功率交流機車不退齒輪和抱軸箱組裝狀態進行探傷。由于機車車軸尺寸大、型號多、結構復雜，齒輪箱位置、抱軸箱幾何形狀和尺寸多樣化，為了兼顧眾多型號機車車軸的磁粉檢測，周向電極采用內置氣缸結構，用加大行程的方法來提高夾持的長短兼顧性；縱向磁化采用傳統的軸向等距環形分布式開合線圈，無法滿足磁粉檢測工藝的要求。加大縱向采用開合線圈的直徑，直到其能包容抱軸箱，并且在齒輪對稱兩側位置放寬線圈的間距，以滿足磁化工藝。微機與PLC可編程序控制器聯合控制，微機控制系統與PLC 系統組成上、下位機形式，工作全過程在PLC控制系統下能夠通過操作面板獨立運行，也可以通過微機操作來實現。微機系統的操作界面為中文的，具有良好的人機對話功能。微機控制系統能實時采集探傷機的工作電壓、磁化等主要技術參數，并能以報表的形式輸出打印和存儲探傷機的日常性能校驗、季度性能校驗、檢查記錄和探傷作業者編號、探傷日期、周向磁化電流、縱向磁化參數、探傷結果等內容。

參考文獻

[1]宋志哲.磁粉檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2007.

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作者簡介：楊春（1974—），女，山西大同人，工程師，主要從事機車技術管理工作。

〔編輯：白潔〕