貨車車鉤缺陷超聲檢測裝置研究*

朱榮華，占小紅

（1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210031；2.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210031）

1 車鉤構(gòu)造及現(xiàn)有缺陷檢測方法分析

隨著貨車運行速度的提高及列車載重、編組數(shù)量和牽引噸位的增加，鐵路貨運已進(jìn)入重載快速運輸時代。貨車運行過程中，車輛之間產(chǎn)生的縱向沖擊力也隨之加大，對車鉤的性能提出了更高要求。

車鉤作為列車的重要連接部件，用于車輛之間、機(jī)車或動車相互連掛，傳遞牽引力和制動力并緩和縱向沖擊力。其由鉤體、緩沖器、鉤尾框、從板等部件組成一個整體，安裝于車底架構(gòu)端的牽引梁內(nèi)，如圖1所示。貨車車鉤以13型和17型為主，其中13型車鉤主要用在載重60t級貨車上，17型車鉤多用在載重70t級及以上貨車。車鉤的制造主要采用鑄造工藝方法，由于鑄造過程中易產(chǎn)生縮孔、縮松等內(nèi)部缺陷，且鉤體、鉤舌在運用過程中受交變載荷作用，這些缺陷容易成為裂紋源，造成鉤體、鉤舌的裂損和牽引接觸面嚴(yán)重磨耗。從國內(nèi)外貨車主型車鉤的運用情況看，鉤體和鉤舌的損傷主要表現(xiàn)為裂紋和斷裂。造成裂紋損傷的主要原因是車鉤制造過程中的缺陷（氣孔、夾雜、縮孔、縮松等鑄造缺陷）和材料的機(jī)械性能指標(biāo)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是在材料的抗拉強(qiáng)度提高后，塑性和韌性指標(biāo)偏低，造成疲勞強(qiáng)度降低。此外，車鉤鉤體和鉤舌上、下牽引臺載荷的不均勻性較大，造成鉤舌上、下牽引臺根部因偏載，強(qiáng)度嚴(yán)重不足，易導(dǎo)致鉤舌斷裂。鉤舌結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖1 車鉤結(jié)構(gòu)圖

目前，車鉤運用過程的健康狀態(tài)主要通過列檢TFDS來檢查宏觀的折斷，磁粉檢測來檢查車鉤表面裂紋。趙耀等針對鐵路貨車故障軌邊圖像檢測系統(tǒng)采集的車鉤緩沖區(qū)域影像，提出一種基于DTW區(qū)域劃分的影像校正方法，從而實現(xiàn)車鉤緩沖部圖像的整體校正[1]。趙彩虹等應(yīng)用感應(yīng)電流法磁化原理，利用專用磁化裝置，實現(xiàn)車鉤鉤頸內(nèi)腔表面橫向缺陷的磁粉檢測[2-3]。祁三軍等采用射線和超聲波檢測對車鉤檢測進(jìn)行了比較，結(jié)果表明射線檢測可直觀反映車鉤內(nèi)部缺陷的形貌，且射線檢測能檢測出的最小缺陷尺寸要小于超聲波檢測。檢測區(qū)域比較厚，射線無法穿透，只能采用超聲波檢測[4-5]。萬升云等采用磁記憶檢測技術(shù)和磁粉探傷對鉤體、鉤舌、鉤尾框進(jìn)行了無損檢測對比，結(jié)果表明磁記憶檢測鑄鋼件時不需對其進(jìn)行表面處理。磁記憶檢測技術(shù)能夠檢測出鉤體、鉤舌、鉤尾框受力構(gòu)件已經(jīng)出現(xiàn)的缺陷，還能發(fā)現(xiàn)這些構(gòu)件上瀕臨損傷的區(qū)域[6-7]。澳大利亞BHP公司采用超聲波相控陣技術(shù)對鉤尾框后彎角部位進(jìn)行了檢測研究，探頭在掃描尾框后彎角時采用Z字形掃描，并采用在尾框?qū)嵨锴腥〉臉訅K預(yù)制缺陷的辦法，對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。與傳統(tǒng)掃描技術(shù)相比，超聲波相控陣檢測成像及缺陷識別更加直觀、準(zhǔn)確[8]。

超聲探傷是利用超聲波與工件相互作用，研究反射、透射和散射的波，并對工件進(jìn)行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測和表征，進(jìn)而對其特定應(yīng)用性進(jìn)行評價的技術(shù)，如圖3所示。聲源產(chǎn)生的脈沖波進(jìn)入到工件中，超聲波在工件中以一定方向和速度向前傳播，遇到兩側(cè)聲阻抗有差異的界面時部分聲波被反射，超聲檢測設(shè)備接收和顯示、分析聲波幅度和位置等信息，評估缺陷是否存在或存在缺陷的大小、位置等。兩側(cè)聲阻抗有差異的界面可能是材料中某種缺陷（不連續(xù)），如裂紋、氣孔、夾渣等，也可能是工件的外表面。聲波反射的程度取決于界面兩側(cè)聲阻抗差異的大小、入射角以及界面的面積等。通過測量入射聲波和接收聲波之間聲傳播的時間，可以得知反射點距入射點的距離。

通過分析可以看出，磁粉檢測和滲透檢測等方法只能檢測車鉤表面缺陷，這些檢測方法都無法對車鉤內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測，對控制車鉤的質(zhì)量狀態(tài)具有較大的局限性。此外射線檢測具有輻射污染、檢測效率低等缺點。超聲檢測技術(shù)具有穿透能力強(qiáng)，對面積型缺陷如裂紋、夾層等檢測靈敏度高，檢測成本低，易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，因此本研究基于超聲檢測技術(shù)，設(shè)計了一套車鉤內(nèi)部缺陷自動檢測裝置。

2 車鉤超聲自動檢測裝置

車鉤超聲自動檢測裝置包括鉤舌定位裝置、鉤舌超聲曲線運動機(jī)構(gòu)、鉤舌超聲z軸運動機(jī)構(gòu)、鉤舌超聲y軸運動機(jī)構(gòu)四大部分，如圖4所示。

圖4 鉤舌超聲檢測裝置圖

鉤舌定位裝置主要由底板、鉤舌定位支塊組成。鉤舌定位支塊安裝于底板上，鉤舌檢測時，鉤舌圓弧面與鉤舌定位支塊的兩個垂直面相接觸，鉤舌斜面與鉤舌定位支塊的前端斜面相接觸，鉤舌端面與鉤舌定位支塊的左頂塊相接觸，從而完成超聲檢測前鉤舌的定位。

鉤舌超聲y軸運動機(jī)構(gòu)主要由左右支撐板、滾珠絲杠、上下支撐桿、聯(lián)軸器和電機(jī)組成。電機(jī)通過聯(lián)軸器、滾珠絲杠，帶動鉤舌超聲z軸運動機(jī)構(gòu)，做水平y(tǒng)軸方向的超聲掃查運動。鉤舌超聲y軸運動機(jī)構(gòu)安裝于鉤舌超聲曲線運動機(jī)構(gòu)中左右支撐柱上，隨鉤舌超聲曲線運動機(jī)構(gòu)一起做曲線運動。

鉤舌超聲z軸運動機(jī)構(gòu)主要由固定板、滾珠絲杠、左右支撐桿、聯(lián)軸器和電機(jī)組成。電機(jī)通過聯(lián)軸器、滾珠絲杠，帶動超聲探頭桿，做z軸方向水層厚度的調(diào)節(jié)。鉤舌超聲z軸運動機(jī)構(gòu)安裝于鉤舌超聲y軸運動機(jī)構(gòu)中滾珠絲杠的螺母上，隨鉤舌超聲y軸運動機(jī)構(gòu)一起做直線運動。

鉤舌超聲曲線運動機(jī)構(gòu)主要由左右豎板、左右支撐柱、左右滾動軸承和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)組成。左右豎板上有與車鉤鉤舌弧面一樣曲面的溝槽，左支撐柱上安裝有軸承轉(zhuǎn)軸、軸承。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)由曲柄、搖桿、軸承和支座組成。曲柄在外部動力的帶動下做旋轉(zhuǎn)運動，帶動連桿運動，連桿通過鉸鏈帶動左支撐柱運動，使得左支撐柱上的軸承沿左豎板上曲面溝槽運動。

鉤舌超聲檢測裝置在檢測過程中，首先由鉤舌超聲曲線運動機(jī)構(gòu)帶動檢測系統(tǒng)做一次曲線運動，然后鉤舌超聲y軸運動機(jī)構(gòu)步進(jìn)一個檢測掃查間距，再由鉤舌超聲曲線運動機(jī)構(gòu)帶動檢測系統(tǒng)做一次曲線運動，這樣循環(huán)，從而完成鉤舌損傷曲面的超聲檢測。由于兩個軸承的連接桿為溝槽曲面的法向線，且連接桿與超聲探頭桿相平行，所以超聲探頭的聲場軸線始終垂直于鉤舌的檢測曲面。

3 結(jié)束語

由于我國經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的需要，鐵路運輸不斷向著高速和重載的方向發(fā)展。車鉤裝置作為鐵路車輛的關(guān)鍵部件，在運行過程中保障車輛的連掛與作用的傳遞。但是貨車車鉤高速重載運行時受交變載荷的作用，斷鉤事故經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重影響了鐵路的運行安全。為提高重載鐵路貨車的運行安全，本研究基于超聲檢測技術(shù)設(shè)計了車鉤損傷區(qū)域超聲自動檢測裝置，結(jié)果表明，該裝置可自動檢測車鉤內(nèi)部的缺陷，保障列車運行安全。