雙軌式鋼軌超聲波探傷儀車軸缺陷檢測的應用研究

朱興俊 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

1 概述

雙軌式鋼軌超聲波探傷儀是能夠同時對兩股鋼軌進行超聲波探傷的檢測儀器，它能在自行走過程中，對鋼軌軌頭、軌腰和軌底的裂紋及各種缺陷進行檢測。檢測系統有A掃和B掃兩種模式，B掃是實際檢測時使用的掃描模式。B掃描以編碼器驅動，連續采集并記錄相應信息。編碼器每3 mm產生一個脈沖，探傷儀根據脈沖信號，實時采集左右兩軌上的探頭檢測信號。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀為了保證探傷系統能對鋼軌進行全面可靠的檢測，避免高速運動對探頭的損耗而采用輪式設計，每個探輪裝有9個探頭，每根鋼軌使用一個探輪進行采集，雙軌共有18個通道，小車實物如圖1所示。其相比傳統手推式鋼軌探傷儀，具有效率高、人工操作簡單和傷損識別率高等特點，近年來逐步在鐵路工務領域大量推廣使用。

雙軌式鋼軌超聲波探傷儀是超聲波檢測技術和自動化技術的有機結合，其對傷損的識別率嚴重依賴小車行車的平穩性。車軸是小車的主要機械結構，它承擔著車體的承重和小車運行時的滾動摩擦，因此，隨著時間的推移不可避免的在其表面或內部產生肉眼不可見的缺陷，需要一種能對車軸缺陷進行識別的無損檢測系統，以便探傷小車的使用者對車軸的狀態進行評估和分析。

圖1 雙軌式鋼軌超聲波探傷儀

2 車軸缺陷超聲波檢測原理

經統計，探傷小車在使用過程中，車軸故障以內部缺陷為主，這些缺陷的取向往往沿軸向延伸，特別是裂紋在橫截面上呈徑向擴展，成為最危險的缺陷。超聲波檢測技術是檢測非金屬材料內部缺陷的有效無損檢測方法，因此本文研究超聲波檢測在探傷小車車軸缺陷上的應用研究。主要原理：超聲波以入射角α從探頭發出進入車軸內部，遇到缺陷或者被車軸內外壁多次反射，波會沿原途徑返回被探頭接收，通過探傷儀處理獲得缺陷回波或其他反射波，并由此給出定量的缺陷指示，如圖2所示。

圖2 車軸缺陷檢測示意圖

3 檢測工藝設計的主要考慮因素

雙軌式鋼軌超聲波探傷儀所用車軸為空心軸，主體材料是軸承鋼，橫截面尺寸如圖3所示。橫波由于其對小缺陷檢測具有更高的檢測靈敏度，因此，本文所述檢測系統采用周面弦向入射的純橫波脈沖反射式檢測。

圖3 車軸橫截面尺寸

3.1 檢測頻率

在軸缺陷檢測中，為了避免激發的超聲波在軸內部傳播時產生諧振干涉影響，應選取合適的超聲波檢測頻率，工業上通常采用的超聲波檢測頻率范圍為2.5 MHz～10 MHz，壁厚越薄，采用的檢測頻率應該也越高。經過反復的試驗研究，本文所述搭建的檢測系統在具體檢測過程采用的檢測頻率為5 MHz。

3.2 探頭入射角

為了保證在軸中激發純橫波檢測，而且折射橫波的聲軸線應能掃查到軸內壁，如圖4所示，因此要求入射角α大于第一臨界角，并且有：

或

式中：Cl1為斜楔中縱波聲速，Cs2為軸中橫波聲速，r為軸內徑，R為軸外徑。另外設管材中縱波聲速Cl2，綜合考慮上述兩個條件可以得出車軸純橫波檢測時入射角α的范圍：

根據選用探頭晶片和小車車軸材質，可以計算得到第一臨界角αi≈27°和第二臨界角為αii≈57°，因此本文選用入射角α=38°的探頭，理論上符合要求。而由式（3）可知，入射角α的變動范圍，只有當Δα＞＞0時，車軸才能實現折射橫波聲軸線掃查到軸內壁的純橫波檢測，此時有：

式中，t為軸壁厚，D為軸的直徑，即只有軸的尺寸符合式（4）才能進行純橫波檢測，而本文所述探傷小車的軸完全符合要求。

3.3 耦合方式

由于探傷小車所用軸的長度達1 620 mm，直徑達30 mm，若采用水浸法檢測，則會導致機械裝置太大且軸不易轉動，因此本檢測系統采用接觸法檢測。為了保證探頭與軸的良好耦合性，我們將探頭斜楔平底面經過加工磨成與軸圓周面吻合的凹圓柱面。

圖4 車軸缺陷純橫波檢測

3.4 對比試樣

對比試塊主要用于檢測系統的調試、綜合性能測試和檢測過程中的定時校驗，在制作時采用與實際探傷小車上的軸具有相同材質和尺寸的完好車軸。對比試塊上的人工缺陷是實際檢測時評定自然缺陷的依據。圖5即為對比試塊的設計圖，在上面設計了3個縱向缺陷和3個橫向缺陷，每種類型的缺陷都包含2個V形槽和1個矩形槽，V形槽的夾角為60°。

圖5 對比試塊

3.5 探傷儀

探傷儀的選擇應考慮脈沖反射式多通道或者單通道超聲波探傷儀，性能符合JB/T 10061的規定，其衰減精度、垂直線性和動態范圍等在檢測前需校準合格，重復評率和可調范圍要滿足實際檢測需要，還應有自動報警或缺陷信號檢出功能。本文所述檢測系統采用汕頭超聲電子的CTS-1010型超聲波探傷儀，其主要技術指標如表1所示。

表1 CTS-1010型探傷儀主要指標

4 檢測步驟

4.1 系統調試

每次對軸進行檢測前，檢測系統都要先在對比試塊上進行調試，以便設置合適的參數和檢測靈敏度。調試的標準應使對比試塊上同一個人工缺陷在圓周方向上不同位置的信號幅度接近一致。經反復試驗，確定了實際檢測過程中采用的參數如圖6所示。

圖6 儀器參數設置界面

在系統調試完成后進行了系統的周向靈敏度差和內外壁靈敏度差測試，結果符合相關標準規定，測試時軸的運轉速度和實際檢測時保持一致，圖7顯示了對比試塊上某缺陷的波形，后續采用調試時確定的檢測靈敏度開展對探傷小車車軸的檢測。

圖7 缺陷波形

4.2 檢測過程

在對比試塊上調試好設備后，為了檢測出車軸上的縱向和橫向缺陷，探頭與車軸作圓周移動的同時也做縱向移動，即探頭呈螺旋形運動，移動過程需保持勻速且耦合良好?？紤]到軸中缺陷取向變化可能性，檢測在軸的兩個相反方向進行，檢測過程如圖8所示。

圖8 檢測過程

4.3 結果評定

結果的評定遵循以下原則：

（1）若軸經過檢測未產生缺陷信號或者信號幅度低于預先設定的報警電平，則認為檢測合格。

（2）若產生大于或等于預先設定的報警電平，則認為軸可能產生缺陷，此時應在可疑部位反復試驗，確定缺陷存在時標識位置和大小。

5 結論

本文設計了一套用于雙軌式鋼軌超聲波探傷儀車軸缺陷的超聲波檢測系統，通過在對比試樣上加工一系列缺陷用于確定檢測靈敏度，然后探傷小車車軸進行純橫波接觸式檢測。經在對比試塊上驗證，檢測系統可以有效檢出小車車軸上的縱向和橫向缺陷，檢測精度達到深度不小于0.4 mm、寬度不小于0.8 mm，在現場車軸檢測時也能有效檢出自然傷損，對于探傷小車的安全應用起到了非常重要的意義。