動車組軸裝制動盤盤轂連接座裂紋的超聲波檢測

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(中車唐山機車車輛有限公司，唐山 063035)

動車組軸裝制動盤盤轂連接座裂紋的超聲波檢測

徐偉，張香然

(中車唐山機車車輛有限公司，唐山 063035)

介紹了一種采用A型脈沖反射法手工超聲波在軸裝制動盤盤轂連接座裂紋檢測中的應用案例，針對特定工件的特點，確定了其相關檢測工藝參數及工藝驗證的方法，如：探頭入射角度、晶片面積、波型和探頭頻率、掃查區域、探頭自身尺寸的選取、實物試塊制作、靈敏度的標定、參考波的設置。現場檢測應用表明，該方法能對動車組軸裝制動盤盤轂連接座裂紋實施有效檢測。

動車組；超聲波；制動盤；連接座；疲勞裂紋

動車組制動盤與車軸通過軸裝制動盤盤轂進行連接，每個拖車輪對有3個制動盤盤轂，每個盤轂上有9個連接座與制動盤通過螺栓連接。連接座根部易產生疲勞裂紋(見圖1)繼而發生斷裂，從而導致制動失效，同時此部位沒有預警機制，因此，如何在現役動車組上進行檢測并第一時間發現該類型疲勞裂紋，對動車組的安全行車至關重要。

圖1 制動盤盤轂連接座裂紋示例

圖2 軸裝制動盤外觀

1 檢測方法的確定

經過對軸裝制動盤(見圖2)的材料(E45C)、結構以及裂紋產生位置的分析，確定采用超聲波方法進行檢測。采用超聲波檢測時，需要確定如下幾個主要參數：探頭入射角度，晶片面積，探頭頻率，掃查區域，探頭自身尺寸，靈敏度。

2 檢測參數的確定

對已斷裂的盤轂連接座斷口進行分析，確定裂紋源區及其擴展方向，如圖3所示。裂紋源區位于連接座直角結構根部的中間位置區域，如圖3(a)所示。裂紋擴展方向為先沿連接座橫向深入，然后沿縱向呈大致45°角延伸，結束于變截面最窄區域。

圖3 裂紋源區及其擴展方向

2.1 探頭角度的選擇

裂紋的擴展方向，決定了如何選取超聲波束的入射方向，即選取與裂紋擴展初期的斷面相垂直的方向為超聲波主聲束的入射方向[1]。探測位置(聲束入射點)至裂紋源區的位置決定了探頭入射角度。經過計算，確定主聲束折射角在28°左右(見圖4)。

圖4 聲束入射角度

2.2 探頭晶片面積的選擇

由于連接座中部存在螺栓孔，阻礙超聲波聲束的入射，所以超聲波的入射面被限定在兩個10 mm×10 mm(長×寬)的小區域內，考慮到對探頭外殼、近場區的要求，以及要盡量減少螺栓孔壁反射雜波的要求，晶片尺寸選擇6 mm×6 mm。

2.3 波型和探頭頻率的選擇

為確保掃查范圍內疲勞小裂紋能夠被檢出，而橫波波長短，對小裂紋更敏感，故選用橫波探頭。同時，考慮此位置檢測對聲束指向性和近場區的要求，探頭頻率選取5 MHz。

2.4 掃查區域及探頭移動位置

掃查區域及探頭放置區域如圖5所示。掃查區域為裂紋源區，即連接座直角結構根部的中間位置，由于螺栓孔的存在會阻礙超聲波的入射，對于5P6×6探頭來說，鋼中橫波聲速取3 220 m·s-1，探頭橫向半擴散角近似按直探頭的公式計算(結果為6.1°)，橫向中間位置大約有14 mm的檢測盲區，如圖6所示。探頭在橫向和縱向上基本沒有移動距離，采用定點掃查方式，一旦移動距離過大就會影響有效入射聲束截面積，導致靈敏度降低。

圖5 掃查區域及探頭放置區域

圖6 探頭橫向掃查范圍

2.5 探頭自身尺寸

連接座處于裝車狀態，探頭的放置受到空間限制，探測面距離制動盤內面距離在13 mm左右，此限制決定了探頭自身的高度不能超過13 mm。也即對探頭的高和寬有要求，高不能大于13 mm，寬不能大于10 mm。探頭的外形尺寸決定了手持探頭的拿捏方便程度，需要適當選取。

2.6 靈敏度

2.6.1 靈敏度對比試塊

制作實物靈敏度對比試塊(見圖7)，在連接座直角結構根部采用線切割的方法加工1 mm深的橫向人工槽，其寬度不大于0.5 mm。為了便于現場校驗，在實物上截取局部區域制作試塊，實物試塊及人工缺陷如圖8所示。

圖7 靈敏度試塊尺寸

圖8 靈敏度實物試塊及人工缺陷

2.6.2 靈敏度調整

在制動盤轂專用實物對比試塊上校核1 mm人工缺陷的反射波高，確認最高反射波在滿屏的80%以上，可在此基礎上增益2～6 dB作為掃查靈敏度，但是雜波不應超過滿屏的15%。同時核實人工缺陷波的位置。

3 波形分析

3.1 參考波

制動盤轂內表面存在注油環，該注油環在上述方案的掃查過程中位于入射聲束路徑上，其結構見圖9，所以完好盤轂連接座在深度60 mm，聲程65 mm位置處出現注油槽反射波(見圖10)，該波形是確認聲束透射良好的證明。確保該波的正常顯示，能夠避免傾斜大裂紋缺陷波的消失而導致漏檢的情況發生。

圖9 注油環槽結構圖

圖10 人工缺陷波與注油環槽反射波

3.2 人工缺陷波

通過對制動盤轂結構的分析，結合人工缺陷的制作位置，確定缺陷波位于聲程40 mm左右，深度35 mm處，如圖10所示(人工缺陷波與注油環槽反射波)。對人工缺陷波回波的圖形進行分析，聲程40 mm處的人工缺陷橫波反射波之前未出現由于縱波的存在造成的干擾反射波。

4 方案實施

截止2015年年底，采用該方案對在役的CRH動車組進行檢測，共檢測1 760根拖車車軸，共發現21根合計33個制動盤轂連接座存在裂紋，對這些連接座進行拆解后再進行磁粉檢測驗證試驗，試驗結果表明該方案實施的準確率達到100%。

5 結語

利用超聲波A掃方法檢測軸裝制動盤盤轂連接座裂紋，針對工件的特點，確定了相關工藝參數及工藝驗證的方法。現場檢測應用表明，該方法能對動車組軸裝制動盤盤轂連接座裂紋實施有效檢測。

另外，由于檢測盲區的存在，采用此方案檢測需要對動車組進行監控檢查。

UltrasonicTestingofCracksoftheHubConnectingPlateInstalledinCRHWheelAxleMountedBraker

XU Wei, ZHANG Xiangran

(CRRC Tangshan Co., Ltd., Tangshan 063035, China)

This paper introduces some application cases of using A-scan manual ultrasonic pulse reflection method in the testing of the shaft mount brake disc hub connection cracks. According to the characteristics of a particular artifact, the relevant process parameters and process validation of the method were determined, such as the incident angle and the frequency of the probe, the chip area, wave type, scanning area, probe size, physical block production, sensitivity calibration, and the setting of reference wave. The in-situ testing showed that this method could detect the cracks of train axle mounted brake disc hub connecting seat effectively.

CRH; ultrasonic; brake disc; fatigue crack

TG115.28

A

1000-6656(2017)12-0048-03

2017-05-17

徐 偉(1980-)，男，高級工程師,主要從事機車車輛部件的無損檢測工藝技術管理工作

張香然，13832975164@163.com

10.11973/wsjc201712011