火車輪軸輪箍超聲探傷工藝

1、火車輪軸輪箍超聲探傷工藝    摘 要:目前,超聲波探傷工藝在無(wú)損檢測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用,超聲波探傷工藝對(duì)超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。通過(guò)分析火車輪軸、輪箍的疲勞裂紋及各種缺陷的特點(diǎn),采用不同的超聲探頭和探傷工藝來(lái)針對(duì)不同的裂紋和缺陷進(jìn)行探傷,并對(duì)缺陷進(jìn)行了定性和定量的評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,超聲波探傷存在一定的優(yōu)勢(shì),它減少了檢測(cè)的時(shí)間,提高了檢測(cè)的精度,且所需探頭數(shù)目比常規(guī)探傷大大減少,具有很大的發(fā)展前景。 關(guān)鍵詞:超聲檢測(cè); 超聲探傷工藝; 輪軸; 疲勞裂紋 中圖分類號(hào):TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004-373X(2010)07-0205

2、-03 Ultrasonic Flaw Detection Technique of Wheel Axles and Hoops of Trains YAN Rui1, SHI Peng-yan2, PENG Jian-ping2, WANG Li2 (1. Department of Equipments and Devices, China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. Ltd., Wuhan 430063, China; 2. Photoelectric Engineering Institute, Southwest Jiaoto

3、ng University, Chengdu 610031, China) Abstract: At present, the ultrasonic flaw detection technique is widely used in non-destructive detection. It plays an important part in the development of ultrasonic detecting technology. After analyzing the characteristics of various defects and fatigue cracks

4、 in wheel axles and hoops of trains, different ultrasonic probe and the detection techniques were applied to diffe-rent cracks and gaps, and the qualitative and quantitative assessment on the defects was adopted. The result shows that the ultrasonic flaw detection has certain advantages, reduces the

5、 detection time and improves the detection accuracy. Comparing with the conventional detection methods, it needs a few probes and has a great prospect for development. Keywords: ultrasonic detection; ultrasonic flaw detection technique; wheel axle; fatigue crack 0 引 言 無(wú)損檢測(cè)(NDT)是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中保證產(chǎn)品質(zhì)量與性能、穩(wěn)定生產(chǎn)

6、工藝的重要手段。超聲檢測(cè)是一種重要的無(wú)損檢測(cè)技術(shù),在鐵路領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。我國(guó)鐵路機(jī)務(wù)車輛部門對(duì)各型車輪的磨耗限度均有明確的規(guī)定。在檢修車輪時(shí),主要通過(guò)測(cè)量輪緣踏面外形的幾何參數(shù)來(lái)判斷車輪的磨耗程度1。這些數(shù)據(jù)包括車輪直徑、輪緣厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等,其中以輪緣厚度最為關(guān)鍵。 車輪踏面及輪緣是應(yīng)力最高的區(qū)域,采用超聲波技術(shù)正是為了檢測(cè)這些區(qū)域。為了檢測(cè)車輪的疲勞裂紋,對(duì)車輪的檢測(cè)提出了三大任務(wù)2:檢測(cè)車輪中的宏觀冶金缺陷;檢測(cè)車輪運(yùn)行中產(chǎn)生的疲勞裂紋;檢測(cè)車輪中的殘余應(yīng)力。 1 機(jī)車輪軸的組成3 機(jī)車輪軸的組成如圖1所示。 圖1 機(jī)車輪軸組成示意圖 在役車輪的超聲探傷主要是檢測(cè)發(fā)現(xiàn)車輪中

7、的危害性缺陷。輪箍探傷指大角度組合探頭橫波探傷主要針對(duì)輪箍的徑向裂紋和缺陷;雙晶直探頭縱波探傷主要針對(duì)輪輞部位的周(軸)向裂紋和缺陷。在用直探頭及雙晶探頭探傷時(shí),輪箍?jī)?nèi)部缺陷大于或2平底孔當(dāng)量且深度大于7 mm為不合格;深度為47 mm,箍厚大于50 mm,應(yīng)列為“跟蹤探”;深度為47 mm,箍厚小于50 mm為不合格6。 標(biāo)準(zhǔn)的火車軸長(zhǎng)約為22.4 m,軸承座、車輪座或齒輪座的軸徑視車軸的負(fù)載而異。由于機(jī)車運(yùn)行中受往復(fù)彎曲應(yīng)力的作用,在壓合部位內(nèi)側(cè)和外側(cè)環(huán)狀帶、車軸最容易產(chǎn)生呈一定角度的疲勞裂紋,因此在役車軸是超聲波檢測(cè)時(shí)檢測(cè)的重點(diǎn)4。 2 超聲波探傷工藝 超聲檢測(cè)的方法有很多種,每種檢測(cè)技

8、術(shù)在實(shí)施過(guò)程中都要考慮其特殊情況。總體來(lái)說(shuō),可以有以下幾個(gè)步驟: (1) 試件的準(zhǔn)備; (2) 檢測(cè)條件的確定,包括儀器、探頭、試塊的選擇; (3) 檢測(cè)儀器的調(diào)整; (4) 掃查、核查; (5) 缺陷的評(píng)定; (6) 結(jié)果的記錄和報(bào)告的編寫5。 由于機(jī)車輪軸探傷檢測(cè)技術(shù)復(fù)雜,對(duì)工作環(huán)境要求比較細(xì)致,所以在不同的應(yīng)用場(chǎng)合,使用不同的檢測(cè)方法,達(dá)到的效果有所區(qū)別。對(duì)于不同的探測(cè)缺陷,有不同的工藝要求和技術(shù)要求,以便達(dá)到探傷的最終目的。 機(jī)車輪箍、輪軸手工超聲波探傷: (1) 儀器及工藝裝備 超聲波探傷儀:超聲探傷儀應(yīng)具備表1所示技術(shù)指標(biāo),并符合JB/T10061-1999A型脈沖反射式超聲探傷儀

9、通用技術(shù)條件和有關(guān)數(shù)字探傷儀的國(guó)家或?qū)I(yè)標(biāo)準(zhǔn),顯示器是亮度可調(diào)的6。 表1 超聲波探傷儀的性能指標(biāo) 增益或衰減器控制總量靈敏度余量分辨率動(dòng)態(tài)范圍 80 dB46 dB (2.5 MHz鋼中縱波)26 dB(2.5 MHz鋼中縱波)26 dB 垂直線性誤差水平線性誤差放大器帶寬探測(cè)深度 6%2%18 MHz3 (2) 探頭、試塊和耦合劑7 超聲波探頭性能測(cè)試方法按JB/T10062-1999執(zhí)行,探頭采用縱波直探頭、分割式縱波探頭和單(多)晶斜探頭,探頭回波頻率為2.5 MHz,誤差小于等于15%。 標(biāo)準(zhǔn)試塊主要為CS-1-5,CSK-(IIW)或CSK-A,TS-1或TS-1W和TZS-R系列

10、,LG-9。車軸的實(shí)物試塊以RD2型為例,車輪用實(shí)物試塊。 耦合劑可選機(jī)油,在校驗(yàn)探傷靈敏度和探傷作業(yè)時(shí),應(yīng)使用相同的耦合劑。 輪軸超聲探傷8見(jiàn)表2,輪軸、車軸挫傷時(shí)各型探頭、探測(cè)面和探測(cè)部位示意圖如圖2所示,輪箍探傷選擇見(jiàn)表3。 表2 輪軸超聲探傷 探測(cè)部位頻率 /MHz探測(cè)面型號(hào)探頭角度、類型 全軸2.5軸兩端面各型2.5P20Z直探頭 軸頸根部45軸端面RD223°25°小角度探頭 鑲?cè)氩客鈧?cè) 2.5 45 軸身RD255°橫波斜探頭 軸頸RD252°橫波斜探頭 軸端面RD217°小角度縱波探頭 鑲?cè)氩績(jī)?nèi)側(cè)2.5軸身RD245°

11、橫波斜探頭 圖2 輪軸、車軸探傷時(shí)各型探頭探測(cè)面和探測(cè)部位示意圖  表3 輪箍探傷選擇 類型探測(cè)面試塊多晶片組合探頭雙晶直探頭 輪箍輪箍和車輪輪輞的內(nèi)側(cè)面及踏面車輪實(shí)物試塊、LG-9>65 mm時(shí):為62°74° 5565 mm時(shí):為64°72° <55 mm時(shí):為67°74°2.5PFG30 2.5PFG20 (3) 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 超聲波探傷儀和直探頭系統(tǒng)靈敏度在探測(cè)最大聲程處2平底孔時(shí)至少應(yīng)有30 dB的余量。 超聲波探傷儀和分割式縱波探頭系統(tǒng)靈敏度在探測(cè)最大聲程處2平底孔時(shí)至少應(yīng)有20 dB的余量。 采用縱波直

12、探頭探傷盲區(qū)應(yīng)小于等于30 mm,采用分割式縱波探頭探傷盲區(qū)應(yīng)小于10 mm。 (4) 探傷過(guò)程 靈敏度校驗(yàn)包括掃查靈敏度校驗(yàn)、核查靈敏度校驗(yàn)。 根據(jù)輪軸和車輪的不同探傷區(qū)域,選擇超聲探頭的不同,可采用不同的對(duì)比試塊和校驗(yàn)試塊對(duì)探傷靈敏度進(jìn)行校驗(yàn),以達(dá)到最佳的探傷靈敏度。 掃查 確定探傷靈敏度后,在實(shí)際探測(cè)輪軸、輪箍時(shí),只允許調(diào)節(jié)增益或衰減量,其他按鍵及參數(shù)均不得調(diào)整。其掃查分為兩個(gè)過(guò)程: 輪軸掃查:全軸穿透掃查應(yīng)分別在車軸兩端面進(jìn)行,轉(zhuǎn)輪器應(yīng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。掃查時(shí),探傷靈敏度可適當(dāng)提高,另外,在以不出現(xiàn)干擾雜波為準(zhǔn)。掃查時(shí),一面沿軸端面徑向前后移動(dòng)探頭,一面沿圓周方向移動(dòng),并同時(shí)觀察回波的變化。探

13、頭掃查范圍應(yīng)遍及軸端面的可移動(dòng)區(qū)域。橫波斜探頭從軸身、軸頸掃查,小角度縱波探頭從軸端面掃查。輪軸軸頸根部或卸荷槽部位的探傷檢查,采用小角度縱波探傷方法,在車軸兩端面進(jìn)行探測(cè)。 輪箍掃查8:輪箍和車輪輪輞的內(nèi)側(cè)面及踏面為探測(cè)面,由此入射的超聲波能達(dá)到輪箍和車輪輪輞的內(nèi)部區(qū)域?yàn)槌暡ㄌ絺麉^(qū)域。輪箍也可以從內(nèi)徑面進(jìn)行徑向探傷,移動(dòng)速度不大于50 mm/s,探頭掃查重疊率應(yīng)大于10%。 核查 當(dāng)掃查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)缺陷波,不能直接判斷其性質(zhì)時(shí)則應(yīng)對(duì)該缺陷區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步核查。輪箍檢查時(shí)優(yōu)先采用斜探頭進(jìn)行核查,核查時(shí)移動(dòng)速度不大于30 mm/s。核查應(yīng)采取兩種及兩種以上的核查方式進(jìn)行驗(yàn)證。 缺陷的評(píng)定8 確定缺

14、陷存在的位置:根據(jù)缺陷波在熒光屏水平線上所處的格數(shù),即可按照線性比例關(guān)系,計(jì)算缺陷所處的位置。 判定缺陷的性質(zhì):根據(jù)缺陷的位置采取不同的判定方法。在可疑缺陷處于軸身外露部位時(shí),必須用磁粉探傷9方法確認(rèn);在可疑缺陷處于鑲?cè)氩繒r(shí),必須用橫波或小角度縱波探傷方法判定,最終判定應(yīng)以退卸車輪后的磁粉探傷檢查結(jié)果為準(zhǔn)。缺陷在車輪中的埋藏深度用缺陷距踏面的距離表示,必要時(shí)可用直探頭從內(nèi)側(cè)面探測(cè)缺陷的埋藏深度。小于聲束截面的缺陷可用人工缺陷直徑±dB來(lái)表示,大于聲束截面的缺陷可用6 dB測(cè)長(zhǎng)法測(cè)長(zhǎng),用指示度*指示寬度表示。 探后處理 每條輪箍、車軸探測(cè)完畢后,均應(yīng)在車輪輻板內(nèi)側(cè)面或車軸軸身上畫(huà)出明顯

15、的超聲波探傷檢查標(biāo)記。在發(fā)現(xiàn)車軸有缺陷時(shí),應(yīng)使用白鉛油做出標(biāo)記,注明缺陷性質(zhì)和位置。在發(fā)現(xiàn)車輪中有大于或等于人工缺陷直徑的缺陷時(shí),做報(bào)廢處理。在缺陷當(dāng)量小于人工缺陷直徑時(shí),做好實(shí)物標(biāo)記,便于日后跟蹤。 之后,清理現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地,檢查儀器設(shè)備情況,進(jìn)行日常保養(yǎng),并做探傷記錄與報(bào)告。 3 結(jié) 語(yǔ) 超聲波探傷在火車車輪和輪軸方面的應(yīng)用越來(lái)越廣,對(duì)超聲波探傷工藝的要求也越來(lái)越高。在完全不退輪情況下(在役運(yùn)行檢測(cè)),采用小角度縱波探傷工藝方法可以分別檢測(cè)出內(nèi)、外側(cè)疲勞裂紋。在半退輪情況下(工廠大修檢測(cè)),退輪部位輪座采用磁粉探傷,由于不退輪部位空心軸和軸箱都已退出,采用斜探頭探傷可以分別檢測(cè)出內(nèi)、外側(cè)疲勞裂紋

16、。探傷時(shí)調(diào)整水平距離和探傷靈敏度可以直接在實(shí)物車軸試塊上進(jìn)行近似調(diào)節(jié),也可以在TZS-R試塊上進(jìn)行調(diào)節(jié),但探傷靈敏度以實(shí)物車軸試塊上的調(diào)節(jié)為準(zhǔn)。 參考文獻(xiàn) 1山下守,姚懋許.輪軸超聲波探傷裝置的更新J.國(guó)外機(jī)車車輛工藝,2001,32(11):34-35. 2范弘,孫邦明,沈明珠.火車車輪超聲探傷技術(shù)與開(kāi)發(fā)J.2000,35(12):9-12. 3Wuestenberg H,周賢全.鐵路車輪車軸超聲波探傷的最新進(jìn)展J.國(guó)外機(jī)車車輛工藝,2002,3(3):1-3. 4鄭中興.關(guān)于火車軸的超聲波探傷J.無(wú)損探傷,2008,32(5):11-13. 5史亦韋.超聲檢測(cè)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006. 6T