火车轮轴轮箍超声探伤工艺

1、火车轮轴轮箍超声探伤工艺    摘 要:目前,超声波探伤工艺在无损检测中具有广泛的应用,超声波探伤工艺对超声检测技术的发展起到至关重要的作用。通过分析火车轮轴、轮箍的疲劳裂纹及各种缺陷的特点,采用不同的超声探头和探伤工艺来针对不同的裂纹和缺陷进行探伤,并对缺陷进行了定性和定量的评价。结果表明,超声波探伤存在一定的优势,它减少了检测的时间,提高了检测的精度,且所需探头数目比常规探伤大大减少,具有很大的发展前景。 关键词:超声检测; 超声探伤工艺; 轮轴; 疲劳裂纹 中图分类号:TP29 文献标识码:A 文章编号: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 无损检测(NDT)是现代工业领域中保证产品质量与性能、稳定生产

6、工艺的重要手段。超声检测是一种重要的无损检测技术,在铁路领域有着广泛的应用。我国铁路机务车辆部门对各型车轮的磨耗限度均有明确的规定。在检修车轮时,主要通过测量轮缘踏面外形的几何参数来判断车轮的磨耗程度1。这些数据包括车轮直径、轮缘厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等,其中以轮缘厚度最为关键。 车轮踏面及轮缘是应力最高的区域,采用超声波技术正是为了检测这些区域。为了检测车轮的疲劳裂纹,对车轮的检测提出了三大任务2:检测车轮中的宏观冶金缺陷;检测车轮运行中产生的疲劳裂纹;检测车轮中的残余应力。 1 机车轮轴的组成3 机车轮轴的组成如图1所示。 图1 机车轮轴组成示意图 在役车轮的超声探伤主要是检测发现车轮中

7、的危害性缺陷。轮箍探伤指大角度组合探头横波探伤主要针对轮箍的径向裂纹和缺陷;双晶直探头纵波探伤主要针对轮辋部位的周(轴)向裂纹和缺陷。在用直探头及双晶探头探伤时,轮箍内部缺陷大于或2平底孔当量且深度大于7 mm为不合格;深度为47 mm,箍厚大于50 mm,应列为“跟踪探”;深度为47 mm,箍厚小于50 mm为不合格6。 标准的火车轴长约为22.4 m,轴承座、车轮座或齿轮座的轴径视车轴的负载而异。由于机车运行中受往复弯曲应力的作用,在压合部位内侧和外侧环状带、车轴最容易产生呈一定角度的疲劳裂纹,因此在役车轴是超声波检测时检测的重点4。 2 超声波探伤工艺 超声检测的方法有很多种,每种检测技

8、术在实施过程中都要考虑其特殊情况。总体来说,可以有以下几个步骤: (1) 试件的准备; (2) 检测条件的确定,包括仪器、探头、试块的选择; (3) 检测仪器的调整; (4) 扫查、核查; (5) 缺陷的评定; (6) 结果的记录和报告的编写5。 由于机车轮轴探伤检测技术复杂,对工作环境要求比较细致,所以在不同的应用场合,使用不同的检测方法,达到的效果有所区别。对于不同的探测缺陷,有不同的工艺要求和技术要求,以便达到探伤的最终目的。 机车轮箍、轮轴手工超声波探伤: (1) 仪器及工艺装备 超声波探伤仪:超声探伤仪应具备表1所示技术指标,并符合JB/T10061-1999A型脉冲反射式超声探伤仪

9、通用技术条件和有关数字探伤仪的国家或专业标准,显示器是亮度可调的6。 表1 超声波探伤仪的性能指标 增益或衰减器控制总量灵敏度余量分辨率动态范围 80 dB46 dB (2.5 MHz钢中纵波)26 dB(2.5 MHz钢中纵波)26 dB 垂直线性误差水平线性误差放大器带宽探测深度 6%2%18 MHz3 (2) 探头、试块和耦合剂7 超声波探头性能测试方法按JB/T10062-1999执行,探头采用纵波直探头、分割式纵波探头和单(多)晶斜探头,探头回波频率为2.5 MHz,误差小于等于15%。 标准试块主要为CS-1-5,CSK-(IIW)或CSK-A,TS-1或TS-1W和TZS-R系列

10、,LG-9。车轴的实物试块以RD2型为例,车轮用实物试块。 耦合剂可选机油,在校验探伤灵敏度和探伤作业时,应使用相同的耦合剂。 轮轴超声探伤8见表2,轮轴、车轴挫伤时各型探头、探测面和探测部位示意图如图2所示,轮箍探伤选择见表3。 表2 轮轴超声探伤 探测部位频率 /MHz探测面型号探头角度、类型 全轴2.5轴两端面各型2.5P20Z直探头 轴颈根部45轴端面RD223°25°小角度探头 镶入部外侧 2.5 45 轴身RD255°横波斜探头 轴颈RD252°横波斜探头 轴端面RD217°小角度纵波探头 镶入部内侧2.5轴身RD245°

11、横波斜探头 图2 轮轴、车轴探伤时各型探头探测面和探测部位示意图  表3 轮箍探伤选择 类型探测面试块多晶片组合探头双晶直探头 轮箍轮箍和车轮轮辋的内侧面及踏面车轮实物试块、LG-9>65 mm时:为62°74° 5565 mm时:为64°72° <55 mm时:为67°74°2.5PFG30 2.5PFG20 (3) 质量标准 超声波探伤仪和直探头系统灵敏度在探测最大声程处2平底孔时至少应有30 dB的余量。 超声波探伤仪和分割式纵波探头系统灵敏度在探测最大声程处2平底孔时至少应有20 dB的余量。 采用纵波直

12、探头探伤盲区应小于等于30 mm,采用分割式纵波探头探伤盲区应小于10 mm。 (4) 探伤过程 灵敏度校验包括扫查灵敏度校验、核查灵敏度校验。 根据轮轴和车轮的不同探伤区域,选择超声探头的不同,可采用不同的对比试块和校验试块对探伤灵敏度进行校验,以达到最佳的探伤灵敏度。 扫查 确定探伤灵敏度后,在实际探测轮轴、轮箍时,只允许调节增益或衰减量,其他按键及参数均不得调整。其扫查分为两个过程: 轮轴扫查:全轴穿透扫查应分别在车轴两端面进行,转轮器应停止转动。扫查时,探伤灵敏度可适当提高,另外,在以不出现干扰杂波为准。扫查时,一面沿轴端面径向前后移动探头,一面沿圆周方向移动,并同时观察回波的变化。探

13、头扫查范围应遍及轴端面的可移动区域。横波斜探头从轴身、轴颈扫查,小角度纵波探头从轴端面扫查。轮轴轴颈根部或卸荷槽部位的探伤检查,采用小角度纵波探伤方法,在车轴两端面进行探测。 轮箍扫查8:轮箍和车轮轮辋的内侧面及踏面为探测面,由此入射的超声波能达到轮箍和车轮轮辋的内部区域为超声波探伤区域。轮箍也可以从内径面进行径向探伤,移动速度不大于50 mm/s,探头扫查重叠率应大于10%。 核查 当扫查过程中发现缺陷波,不能直接判断其性质时则应对该缺陷区域进行进一步核查。轮箍检查时优先采用斜探头进行核查,核查时移动速度不大于30 mm/s。核查应采取两种及两种以上的核查方式进行验证。 缺陷的评定8 确定缺

14、陷存在的位置:根据缺陷波在荧光屏水平线上所处的格数,即可按照线性比例关系,计算缺陷所处的位置。 判定缺陷的性质:根据缺陷的位置采取不同的判定方法。在可疑缺陷处于轴身外露部位时,必须用磁粉探伤9方法确认;在可疑缺陷处于镶入部时,必须用横波或小角度纵波探伤方法判定,最终判定应以退卸车轮后的磁粉探伤检查结果为准。缺陷在车轮中的埋藏深度用缺陷距踏面的距离表示,必要时可用直探头从内侧面探测缺陷的埋藏深度。小于声束截面的缺陷可用人工缺陷直径±dB来表示,大于声束截面的缺陷可用6 dB测长法测长,用指示度*指示宽度表示。 探后处理 每条轮箍、车轴探测完毕后,均应在车轮辐板内侧面或车轴轴身上画出明显

15、的超声波探伤检查标记。在发现车轴有缺陷时,应使用白铅油做出标记,注明缺陷性质和位置。在发现车轮中有大于或等于人工缺陷直径的缺陷时,做报废处理。在缺陷当量小于人工缺陷直径时,做好实物标记,便于日后跟踪。 之后,清理现场场地,检查仪器设备情况,进行日常保养,并做探伤记录与报告。 3 结 语 超声波探伤在火车车轮和轮轴方面的应用越来越广,对超声波探伤工艺的要求也越来越高。在完全不退轮情况下(在役运行检测),采用小角度纵波探伤工艺方法可以分别检测出内、外侧疲劳裂纹。在半退轮情况下(工厂大修检测),退轮部位轮座采用磁粉探伤,由于不退轮部位空心轴和轴箱都已退出,采用斜探头探伤可以分别检测出内、外侧疲劳裂纹

16、。探伤时调整水平距离和探伤灵敏度可以直接在实物车轴试块上进行近似调节,也可以在TZS-R试块上进行调节,但探伤灵敏度以实物车轴试块上的调节为准。 参考文献 1山下守,姚懋许.轮轴超声波探伤装置的更新J.国外机车车辆工艺,2001,32(11):34-35. 2范弘,孙邦明,沈明珠.火车车轮超声探伤技术与开发J.2000,35(12):9-12. 3Wuestenberg H,周贤全.铁路车轮车轴超声波探伤的最新进展J.国外机车车辆工艺,2002,3(3):1-3. 4郑中兴.关于火车轴的超声波探伤J.无损探伤,2008,32(5):11-13. 5史亦韦.超声检测M.北京:机械工业出版社,2006. 6T