空心軸輪對輪座拉傷檢測方法的研究

高 鵬

（智奇鐵路設備有限公司，山西 太原 030032）

1 空心軸輪對輪座拉傷缺陷的產生

空心軸輪對的組成是在空心車軸上以冷壓方式壓裝車輪及盤座，采用過盈的配合尺寸，壓裝工藝的關鍵控制項點：車軸、輪轂孔的過盈量，表面的粗糙度，組裝時的油潤狀態、輪轂與軸的中心線重合度等。從T3B動車輪對檢查報告中可以看到，壓裝完好的輪對，可接受的壓裝噸位為673.2~1 148.0 kN，其壓裝應力曲線如圖1。某一項發生問題，都會造成壓裝應力過高，使輪軸表面摩擦阻力和塑性變形增大，使車軸壓裝部位表面和轂孔內表面相對位移方向啃傷，造成車軸及轂孔內表面被拉傷，具體見圖2。

圖1 壓裝應力曲線圖

從圖2看出，拉傷處有明顯的橫向尖角，這些橫向的尖角是產生橫向裂紋的裂紋源，尤其是處于輪座疲勞區域的拉傷，在交變應力的作用下，更容易萌生和擴展成為疲勞裂紋，使車軸的使用壽命被極大地縮短，甚至這類缺陷對行車安全構成了極大的威脅。

圖2 壓裝過高造成的拉傷

2 空心軸輪對輪座拉傷缺陷的檢測方法

查閱了大量的文獻和資料，也對現場的拉傷車軸進行了統計，同時走訪了多個動車段，對現場情況進行了了解，對拉傷形態進行了系統的分析，車軸拉傷部位主要有輪座部位，具有以下特點：

1）大多發生在輪座外側疲勞帶并向內側延伸，有一定的長度，方向與軸線平行。

2）周向拉傷缺陷有一定的寬度，其拉傷面參差不起，盤跌起伏，大多與軸線方向垂直，近似為魚鱗狀。

依據資料的積累和現場車軸拉傷的具體現狀，設計了研發的途徑：收集拉傷車軸；并在空心軸表面進行刻槽，模擬人工缺陷，實物對比制作校驗試塊；采用不同探頭、不同尺寸、不同頻率的雙晶及單晶直探頭、斜探頭，使用便攜式超聲波探傷儀、人工模擬缺陷試塊進行對比研究，找出最有效的方法與探頭組合；在模擬試塊上研究探傷靈敏度標定方法與參數，研究儀器特性及不同參數設置對檢測結果的影響，研究探測方法對檢測結果的影響。

2.1 設計制作拉傷模擬試塊

通過對空心車軸表面拉傷狀態的分析，加工設計了不同孔徑的空心軸模擬試塊。采用銑床加工方法，90°V型銑刀，在每組試塊表面刻槽，槽深0.5 mm及1.0 mm，形成鋸齒形人工缺陷，模擬拉傷缺陷。試塊采用與實際空心車軸相同的材料。為了便于移動探頭，自軸半徑1/2處分開，具體見下頁圖3。

圖3 空心軸模擬試塊

2.2 探傷掃查

采用手工方式，將孔兩端堵塞，注耦合液油，手持組合式探頭在孔形成的凹槽內轉動，觀察波形變化，（見圖4）找出有缺陷處和無缺陷處的波形形態及形態變化，分析和統計形態變化規律，進而總結規律。

圖4 試塊

使用便攜式超聲波探傷儀器，通過采用不同探頭、不同尺寸、不同頻率的雙晶及單晶直探頭、斜探頭，不同探傷方式進行試驗，尋找可靠的檢測方法。最后確定采用0°縱波直探頭和50°斜探頭同時對拉傷人工缺陷進行探傷是較其他探頭有較好的檢測效果。采用4 MHz雙晶0°直探頭、8 MHz高頻探頭和50°斜探頭的組合和高分辨率的BLC-2000型多通道超聲波探傷儀，見圖5、圖6。

圖5 探頭

圖6 BLC-2000型多通道超探

2.2.1 采用0°雙晶探頭研究的方法

空心軸表面拉傷后，深度位置將發生變化，用雙晶探頭檢測時，由于拉傷缺陷的存在，一部分聲束在拉傷缺陷處反射回來，底波高度將發生變化。識別和捕捉波形動態的變化來實現超聲波自動探傷檢測拉傷缺陷的目的。采用雙晶探頭檢測時，可清晰的分辨出底波和0.5 mm的拉傷缺陷反射波及1.0 mm的拉傷缺陷反射波，見圖7、圖8。

圖7 0.5 mm的拉傷缺陷波

圖8 1.0 mm的拉傷缺陷波

2.2.2 采用50°橫波斜探頭研究的方法

空心軸表面拉傷后，空心軸表面將出現棱角和尖銳的臺階，用斜探頭檢測時，有較高的靈敏度，尤其是折射角為50°時，有更高的靈敏度。當聲束掃查到尖角和臺階邊楞時，會造成折射和反射，被探頭接收，在儀器熒光屏出現缺陷回波。捕捉這種缺陷回波，實現拉傷缺陷的檢測。采用50°橫波斜探頭檢測時，可清晰的出現0.5 mm的拉傷缺陷反射回波及1.0 mm的拉傷缺陷反射回波，具體見圖9、圖10、圖11。

圖9 1.0 mm的拉傷缺陷波

圖10 0.5 mm的拉傷缺陷波

圖11 無拉傷缺陷波

通過手工試驗得出，雙晶探頭檢測時，波形的特征變化需要設置多層判據，進行捕捉和識別。而50°斜探頭有非常明顯的缺陷反射回波。統計了從現場索取的探傷記錄，從94根車軸共檢測188端的探傷結果中，有11端沒有應力回波，其余全部有應力回波，應力回波的位置與缺陷回波同一位置。這就給50°斜探頭檢測帶來了難度。是否出現拉傷后會有應力波的存在，還要在今后探傷實際中進行觀察和試驗。因此，必須采用雙晶探頭和50°斜探頭的組合對空心軸拉傷缺陷進行檢測，才能保證探傷結果的準確性。

2.3 超聲波檢測裝置必須具備的條件

總結摸索及在實驗結果的基礎上，需要有效地實現空心軸拉傷的檢測，研制超聲波檢測裝置必須具備以下條件：

1）檢測裝置需用于空心軸壓裝、退卸的工作現場?？梢苿硬⑶铱晒潭ㄔ谌我馕恢?，實現不同車輪直徑及不同的軸型。

2）必須采用雙晶探頭和50°斜探頭的組合對空心軸拉傷缺陷進行檢測。

3）可在空心車軸孔內，實現對空心車軸自動探傷掃查。

4）有校驗靈敏度的實物輪對試塊，對探傷靈敏度進行校驗，并對設定的探傷參數、校驗結果進行記錄和保存。

5）通過軟件，對拉傷波形的形態及變化規律進行捕捉，實現探傷掃查過程中對拉傷缺陷波形的自動識別和判斷，自動確定拉傷的位置、模擬當量深度，并自動記錄到設計的探傷記錄和報告中，對探傷記錄和報告進行打印、存儲和查閱。

6）通過軟件，建立拉傷缺陷的C掃描圖形顯示，直觀描繪拉傷缺陷的位置和分布狀態。

3 探傷裝置中動態探傷方法的實現

依據上述的實驗，探頭架采用內嵌式探頭結構，彈性置中環使探頭始終處于孔中心位置，橡膠0形圈保持住油耦合層，中心孔定位，油膜層均勻，獲得了非常好的耦合效果。其中Ф30 mm探頭架安裝3個探頭：2個50°斜探頭，頻率為4 MHz、聲束方向為＋軸向和－軸向，檢測外表面拉傷缺陷；1個0°雙晶聚焦探頭，頻率為4 MHz，聲束方向為徑向，檢測外表面拉傷缺陷。采用50°橫波斜探頭，探頭頻率為4 MHz，檢測外表面輪座鑲入部拉傷缺陷，見圖12，例如：輪對、軸承壓裝時的拉傷及裂紋。

圖12 50°橫波斜探頭

探頭掃查模式：

1）探頭架在空心軸孔內軸向移動步距在0~10 mm之間連續可調，周向掃查1%~100%之間連續可調。掃查方式采用旋轉步進式：圓周0~360°正向；0~360°反向。通常軸向5 mm步進，也可將步進距離設置2 mm，為精確掃查。

2）圓周掃描速度為60 r/min。

3）軸向移動精度0.1 mm；圓周運動：0.1°。

4）5 mm步進時，探頭主聲速掃查覆蓋率不小于130%。

5）100%掃查探傷區域，無盲區。

4 結論

1）車軸拉傷部位主要有輪座部位，具有以下特點：

2）大多發生在輪座外側疲勞帶并向內側延伸，有一定的長度，方向與軸線平行。

3）周向拉傷缺陷有一定的寬度，其拉傷面參差不起，盤跌起伏，大多與軸線方向垂直，近似為魚鱗狀。

4）采用雙晶探頭和50°斜探頭同時對拉傷缺陷進行探傷是較其他探頭有較好的檢測效果。

5）探頭采用嵌入式安裝，形成了均勻的油膜，油膜耦合需要高性能的探傷電路、高質量的探傷系統，從而保證了高的探傷靈敏度。

6）探傷過程中，能夠自動的對拉傷缺陷反射回波進行識別，記錄、存儲，生成探傷記錄和報告。

7）實際探傷中，拉傷缺陷的深度不會像實物試塊上的人工拉傷缺陷一樣，有均勻的深度。掃查過程中，探頭主聲束會同時掃查到多個不同深度的層面，對深度距離的變化敏感性差，檢測時回波特征信號很弱，需作進一步的探傷實驗。

8）面積型缺陷的定義有待于在今后的實際檢測過程中，更加完善。