浅析大型养路机械车轴超声波探伤工艺

摘要 轴是大型养路机械的关键部件，实际运用中普遍采用超声波无损擦伤技术进行探伤。本文着重分析了超声波探伤技术在大型养路机械中的运用。

关键词 大型养路机械车轴； 超声波；探伤

中图分类号U216文献标识码A文章编号 1674-6708（2011）41-0122-02

1 无损检测的意义及大型养路机械车轴探伤的发展概况

1.1 无损检测的意义

在不损害材料或构件的情况下，采用某种技术，对被检对象内部与表面进行探测，从接收信号中提取出需要的信息，或者判断材料或构件的完整性，或者获得材料或构件的某些性质。而无损检测的最常用方法有超声波探伤（UT），适用于工件内部和表面缺陷的检测；磁粉探伤（MT），适用于铁磁性材料及表面和近表面缺陷的检测；渗透探伤（PT），适用于表面开口缺陷；涡流探伤（ET），适用于导体及表面和近表面缺陷的检测；射线探伤（RT），适用于内部缺陷的检测。其中超声波探伤适用范围较为广。

1.2 车轴超声波探伤的发展简介

我国车轴无损检测技术和设备的研究始于1952年，主要研究车辆车轴的手工探伤。采用的方法是用纵波反射法检测较大缺陷；1960年后使用斜入射横波检测轮座部位；1973年开展了斜入射纵波不解体探伤方法的研究1978年用于生产；1989年研发了机车车辆车轴自动化探伤设备；1998年北京铁路局开展了大型养路机械车轴探伤技术和六通道超声波探伤仪及专用组合探头的研究，首创了大型养路机械车轴超声波探伤新方法，这种方法可以检测出车轴轴颈≧1mm、轮座≧2mm、齿轮座≧5mm和轴身≧ф10平底孔当量缺陷及车轴透声性能。于2000年通过鉴定并用于生产；2001年北京铁路局开展了提速机车（DF11、SS9)车轴超声波成像技术的研究，2004年通过鉴定。

1.3 大型养路机械车轴探伤设备及方法

以往铁路用各种走行轴的超声波探伤都是采用”A型”显示的模拟机，它有对探伤参数、探伤结果不能存储和打印等缺点，探伤时操作者根据波形判断伤损，探伤结果受检测人员技术水平和责任心的影响因素较大，容易造成误判和漏探现象。目前，在六通道模拟机的基础上，应用计算机技术开发了智能化车轴超声波检测系统，实现大型养路机械车轴超声波探伤的图像化和自动按车轴质量标准评定探伤结果的新一代智能超声波探伤仪器。该系统采用A显和B显两种方式，能够更准确误地发现车轴各个部位的疲劳缺陷。 大型养路机械车轴超声波探伤主要有两种方法，一种使用单通道超声波探伤仪和单探头分别检测车轴各个部位；另一种方法是在不解体的情况下（打开轴箱盖），使用六通道超声波探伤仪和专用组合探头一次检测全轴各个应力区的超声波探伤方法。

2 大型养路机械车轴的结构及常产生缺陷的原因：

车轴是各种大型养路机械的重要部件，对各种大型养路机械车轴实施超声波探伤是保证铁路运输和作业安全、防止发生断裂事故的重要环节。大型养路机械车轴在运行和作业中承受着拉压、扭曲和冲击等交变应力，对大型养路机车轴应力集中部位实行超声波探伤是发现各种车轴内部缺陷及疲劳裂纹、防止断裂事故、确保行车安全的可靠措施。

大型养路机械车轴的基本结构包括轴颈、轴肩、车轮座、齿轮座和轴身等，其中齿轮座安装从动齿轮，接受来自动力源的牵引力，驱动车轴旋转。其常出现的缺陷原因包括：

1）车轴加工制作时由于原材料内部缺陷导致的缩孔（热加工）、缩松、疏松、夹杂，铸造裂纹、模锻裂纹等及热处理产生的热裂纹、晶粒粗大；

2）车轴在冷加工后完成后产生的车轴晶粒粗大、锻造裂纹等缺陷；

3） 在役车轴在使用过程中产生的疲劳裂纹缺陷。

3 在役大型养路机械车轴疲劳裂纹产生的应力集中区

大型养路机械车轴在运行和作业中，极易在轴颈、轮座内外侧、齿轮做内外侧、轴身部位产生疲劳裂纹，这些疲劳裂纹的一旦产生便会迅速扩展，继而导致车轴断裂事故，给铁路运输带来很大隐患。统计表明，近几年我国铁路用各种走行轴均有冷切事件发生。而大型养路机械的裂纹轴的发生率也有上升趋势，这不仅限制了铁路行车速度的提高，而且给人民生命财产造成极大的威胁。

4 大型养路机械车轴超声波探伤分类及方法

目前，大型养路机械车轴超声波探伤大体有三种方式，一种是在车轴不解体的情况下从轴端利用对车轴进行透声检查；二是在车轴不解体的情况下利用各种组合的小角度斜探头分别对轴颈、轮座内外侧、齿轮座内外侧、轴身及全轴透声进行纵波检测；三是在车轴解体的情况下利用K值斜探头对车轴轴身等裸露部位进行横波探伤。

1）车轴透声检查。该方法是利用0°直探头从车轴端面与车轴表面垂直的长度方面（轴向）射入纵波超声波的方法。该探伤的目的一是定性检查车轴晶粒是否粗大，测定超声波的衰减度以了解整个车轴的透声情况是否良好，二是检查车轴有无缺陷—大疲劳伤、弥散性夹杂，检测车轴在全长方向上是否有损伤；

2）利用小角度探头（一般为3°~14°）对车轴的主要应力集中区进行局部探伤。该方法是在车轴不解体的情况下，从车轴的端面用小角度探头斜向射入目标位置，该方法称之为纵波斜角探伤。它虽然具有与横波斜角探伤法相同的精度水平，但存在如下问题：在装有轴承的状态下，对车轴进行探伤时穿过轴承内圈产生的回波，与从裂纹来的回波难以识别，而不能保证检测精度；车轮更换时，在轴端打钢印的场合下会使探头与车轴接触不良，难以保证精度；不能像垂直探伤那样探伤车轴全体，一次仅以局部探伤检查车轴时，要多个探伤，作业过程繁杂；

3）K值斜探头探伤。在车轴解体的情况下从有曲率的车轴表面斜方向射入指向目标位置的横波探伤方法。横波斜探头探伤比纵波小角度探伤更能检测出细小的伤痕，更能精确定位缺陷位置，但是为便于探伤，必须把车轴表面打磨干净。在对大型养路机械车轴探伤时，应先用纵波小解度进行初探，若发现疑似缺陷再用横波斜探头进行复探伤，就能大大降低维修成本和提高工作效率。

5 超声波探伤的工艺参数选择

5.1 车轴超声波探伤探头的确定

连接在超声波探伤仪上的超声波探头，是探伤仪的核心部分，其尺寸形状及相关参数选择得是否合理，直接影响到探伤的精确度。为确保探伤时探头检测面与被测部位的良好接触，增加接触面积，改善耦合条件，提高透声效果，一般应在探测前将轴端面打磨加工成平面。若采用K值斜探头横波探伤，其折射角的选择也将影响探伤的效果，应保证所选探头的声束能扫查到整个探伤面，能发现主要缺陷且有足够的探伤灵敏度。折射角选择过大或过小，都会影响超声波的声程，从而影响到探伤灵敏度，使车轴上疲劳裂纹的检出率降低。

衰减与探伤频率的选择。超声波探头的频率选择也是一个相当关键的参数。众所周知λ=С/f，从频率与波长关系式可以知道探伤频率对波高的影响，超声波在介质中的散射的大小也与超声波的波长有关，波长越短散射越大，波长越长则由于绕射的增加散射越小也就是衰减小透声性能好。而介质中的波长由使用的探伤频率决定，使用的探伤频率越高则波长越短，探伤灵敏度越高；反之使用的频率低波长越大，则声波衰减越小，底波越高。在对大型养路机械车轴探伤时探头频率应保证在规定的最大距离上探测出要求发现的最小缺陷，而且能有效地阻止超声波能量的大幅衰减。因此若车轴的材质晶粒粗大或化学组成对超声衰减严重时，此时根据材质应合理选择低频、大直径的探头进行灵敏度标定。

5.2 耦合剂的选择

超声波在传播过程中，遇到不同介质时会发生反射和折射。为保证足够的折射率，排除探头和工件中的空气，超声波探伤需在介质的界面上涂耦合剂，实现探头与工件的声耦合，以尽量减少超声波能量的损失。耦合剂的种类很多，需要根据车轴材质和实际探伤状态恰当地选择，以保证良好的声耦合。一般耦合剂要求有以下性能：容易黏附，有足够的浸润性，对人体无害，对车轴无腐蚀性，易清除。因此，多选用各种型号的机油、齿轮油、润滑锂基脂及凡士林等。

5.3 超声波试块的选定

试块分为标准试块及对比试块（即实物试块），在对探头、仪器性能进行校验时一般用标准试块，为了确保超声波探伤具有足够的灵敏度一般采用与实际车轴具有似材质及外形尺寸的半轴实物试块进行灵敏度标定。

6 结论

综上所述，大型养路机械车轴作为关系行车安全的关键部件，在交付使用前和在役使用过程中，都必须进行无损探伤检查，而超声波探伤则是大型养路机械无损探伤的重要手段。在超声波探伤时应根据材质及环境因素合理选择探头、耦合剂、试块3个工艺参数，综合使用直探、小角度纵波探伤、K值斜角横波探伤3种方法，对车轴进行伤损检查。

参考文献

[1]中国机械工程学会无损检测分会编.超声波检测[M].机械工业出版社，2003.

[2]司万强，马兰童，余海军.机车车轴超声波探伤工艺.大同电力机车有限责任公司技术中心工艺开发部，2009.

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