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模块二轮对轴箱装置的

认知与检修

项目三轮对的检修理论(二)

任务三无损探伤知识任务三无损探伤知识一、电磁探伤(一)电磁探伤的基本原理(二)电磁探伤器(三)电磁探伤的操作方法二、超声波探伤(一)超声波及特性(二)超声波探伤简介(三)超声波探伤工艺(一)电磁探伤的基本原理1.基本原理

电磁探伤是利用电磁原理来发现金属缺陷的检查方法。这种探伤方法是将铁磁材料的零件磁化,零件缺陷处的磁阻就会增大,利来发现缺陷。如果有铁磁材料所制成的零件组织均匀,没有任何缺陷,则各处的导磁率均相同,磁化后磁力线的分布也将是均匀的。如果零件中存在缺陷,由于缺陷(空气、其它气体、真空、非磁性材料等)的导磁率较低,则磁力线通过这些地方时将遇到较大的磁阻,磁力线的分布发生变化。

一、电磁探伤如右图所示,在缺陷部分磁力线会穿出零件的表面而外泄,形成所谓的漏散磁场。散逸的磁力线向外逸出,而后又重新穿入零件,因此在缺陷两侧磁力线出入处形成磁极,这些磁极吸引铁磁物质聚集。而没有缺陷的零件,则没有漏散磁场。电磁探伤的基本原理2.显示方法漏磁场存在的显示方法,一般是将磁粉均匀散布于零件表面,如有缺陷,则所产生的漏磁通能吸引磁粉,造成磁粉的聚集。由于裂纹的长度与深度不同,其磁力线的漏泄也不同,磁粉聚集时各处的粗细就不一样。因此从聚集的磁粉形状便可以大致判断出裂纹的深度和长度。用磁粉显示缺陷的方法有干法和湿法(磁悬液)两种:干法——是将干磁粉撒在被磁化的零件上来发现缺陷;湿法——是用磁粉和油、水、活性剂、防锈剂配置成磁悬液,把磁悬液喷撒在被探伤零件的表面或把零件浸入磁悬液中进行探伤检查。湿法对于小型零件或空心零件使用比较方便。湿法所用磁粉粒度较细,在液体中更易流动,其灵敏度也高。湿法还有使用荧光磁粉显示的,在暗室中用长波紫外线灯光照射,聚集在缺陷处的磁粉发生黄绿色的光带,更易发现缺陷。3.磁粉裂纹或缺陷的显示是否清晰和作为媒质的磁粉有很大的关系。如果磁粉没有良好的导磁率,或者粒度过大,就不易或不能被漏磁通所吸引,因此,显示就不清晰。所以对探伤的磁粉要求是:导磁率高,质地纯净,粒度适中,不混合粘土和固定碳等非磁性氧化物质。常用磁粉的化学成分为可溶铁含量68%~73%,化合碳含量小于0.20%。干法探伤时,磁粉粒度为100~200目(使用标准铜丝筛筛选)。湿法探伤时,磁粉粒度为小于320目。4.零件磁化在电磁探伤时,当磁力线的方向与裂纹或缺陷方向垂直时,最容易发现裂纹。如果磁力线的方向和裂纹的方向一致,那么裂纹并没有阻碍磁力线通过,因此磁力线不弯曲也不漏泄,磁粉也不会集中,也没有探伤效果。所以必须根据零件的受力情况,采用纵向的磁场或横向的磁场,分别检验横裂纹和纵裂纹。右图a为周向磁化;图b为纵向磁化。圆套状零件中心插入铜管后,当铜管上通过强电流,则磁力线沿圆套周向形成回路,圆套被周向磁化。4.零件磁化车轴总是受到由弯曲而引起的拉应力,最危险的裂纹是横裂纹,因此车轴的探伤检查是采用纵向磁化的方法。无论是纵向磁化或者周向磁化,均可采用直流或交流电源。车辆零件磁化方法根据零件的磁化和探伤是否同时进行,把零件的磁化方法分为两类,即外加磁场法和剩余磁场法。外加磁场法——是在对零件磁化的同时,把磁粉撒在零件上进行探伤。车轴及其它大型零件多用此法。剩余磁场法——是先加外磁场使零件磁化,撤销外磁场后,利用零件的剩磁进行探伤。剩余磁场法适用于矫顽力大的钢材制作的零件,其剩余磁感应强度必须大于0.8T,否则磁粉聚集所形成的磁痕不明显。在用交流电建立磁场时,必须考虑到断电的相位,否则不能保证剩磁的强度。滚动轴承的探伤常用剩磁法。轴承探伤机用交流电对零件充磁时,电路中设有断电相位控制器,使充磁电流最后的波形与充磁过程中电流波形一致,避免剩磁强度不稳定。轴承零件探伤后必须退磁。5.电磁探伤的不足之处对于金属内部较深的裂纹与缺陷,采用电磁探伤是不大容易发现的。这时虽然磁力线遇到缺陷而弯曲,但由于缺陷与外表的距离较远,磁力线不可能泄漏到外表面,以致工件表面各处的磁力线密度相差不大,磁粉不会集中。但在离表面3~4mm以内的裂纹,也有少许磁力线外泄,因此有较微弱和不太清晰的磁粉集中,需要仔细辨认才能看出。(二)电磁探伤器1、闭合环型电磁探伤器这种探伤器的构造比较简单,是由直径4mm两根并排的裸铜线包以绝缘材料(白布带)绕成,闭合环直径为240~300mm,圈数为10~15圈,绕好以后扎紧,外面再包白布带,浸以绝缘漆,然后烘干,装上一个手柄和两个接线铜螺丝而成。如右图所示。闭合环型电磁探伤器可用直流电源,也可用交流电源。其输入电压为4.5v,电流为150~160A,保证车轴探伤的灵敏度。闭合环型电磁探伤器的特点1.轻便,使用时在距离探伤器中心两侧50mm范围以内的裂纹都可以清晰地显示出来。它专门用以检查车轴轴颈。2.这种探伤器采用纵向磁化法,故只能检查横裂纹。如检查纵裂纹,需要用其它探伤器进行周向磁化法检查;也可在闭合环型探伤器沿车轴轴线移动时,将它绕成竖轴摆动,使磁场方向与车轴轴线成一夹角,以便发现斜裂纹和纵裂纹。3.但对于车轴来说纵裂纹对它的损伤并不严重,因此闭合环型探伤器使用较为广泛。例如在车辆段和车辆工厂,当车轴加工后,或轮对向车辆上安装时,采用这种探伤器进行第二次复探,既简便又不会划伤轴颈。它是车辆部门常用的一种多用途电磁探伤器,如图2-69所示。这种探伤器的外形既与卡钳相似,又与马蹄相似。是由两个圆弧形的铁臂组成,铁心断面为20×30平方毫米,两臂上均绕有线圈,系用2.3平方毫米的双砂包线绕120圈;臂的一端有一个支点(枢轴),臂头制成与铅垂线成32°的斜坡,使臂头与被探工件成58°,电源为24v或36v,交、直流均可,电流约为15A,功率为300W;在探伤器上有的还装有24V照明灯及电源开关。2、开合马蹄型电磁探伤器开合马蹄型电磁探伤器的特点这种探伤器可为局部纵向磁化探伤,也可为局部周向磁化探伤。过去常用它检查车轴、车轮、拱板等,现在主要用它检查车钩零件和客车转向架的摇枕吊、摇枕吊轴及吊销等。目前,轮对的探伤已全部使用TYC-3000型荧光磁粉探伤机。

3、TYC—3000型荧光磁粉探伤机

它是一种车辆轮对车轴表面探伤的专用设备。它设置了纵向和横向联合磁化装置,采用磁悬液荧光磁粉显示,在操作机械化和探伤灵敏度等方面比较先进,并便于实现流水作业。工作原理磁化装置:

其主要结构示意图如右图所示,铁心3设置在轮对上部,下部与轴端对应处有探头4,磁化时探头与轴端夹紧,构成闭合的磁路,在铁心上部绕有直流纵向磁化线圈1,可使车轴纵向磁化。在铁心两侧设置了交流周向磁化变压器2。铁心3和探头4既是直流纵向磁化的磁回路,也是周向磁化的电流回路,相当于交流周向磁化变压器2的次级线圈。当初极线圈接通交流电时,铁心、探头和车轴组成的回路中产生强大的交流电流,使车轴表面得到周向磁化。在直流和交流对应中各安设有退磁控制电路。TYC探伤机磁化机构1-纵向磁化线圈;2-周向磁化装置;3-铁心;4-探头。显示装置:

其主要结构示意图如右图所示。显示装置和磁化装置都安设在暗幕里面。输液泵1将磁悬液槽8中的磁悬液经过管路3输送至换向阀7,再经管路到喷头5,向车轴喷洒磁悬液,由车轴流下的磁悬液经轮对下部的回收装置6流回磁悬液槽。暂时不向车轴喷洒磁悬液时,可通过控制装置使换向阀7变换位置,使输液泵来的磁悬液直接流回贮液槽。在轮对上方安设有紫外线灯,在轮对下方还设有运送轮对和使轮对定位回转的装置。TYC探伤机磁悬液喷洒、回收装置

1-液泵;2-搅拌器;3-输液管;

4-输液管;5-喷头;6-回收槽;7-换向阀8-贮液槽操作过程:当轮对进入暗幕后,操作可分为三个步骤:第一步,使轮对定位回转,同时喷液,使磁悬液均匀覆盖全车轴;第二步,停止车轮回转,探头夹紧车轴通电磁化。这时如果车轴有裂纹等缺陷,产生的漏磁将把磁悬液中的磁粉吸引到缺陷的缝隙和表面,然后停止喷液,退磁,探头松开,这时磁粉仍吸附在缺陷处;第三步,轮对重新回转,紫外线灯照射车轴,操作者目视检查车轴表面的缺陷。检查完毕后将轮对送出暗幕。目前,现场还有一种HTK-T90型黑磁粉湿法探伤机,只在显示方式上与TYC-3000型不同,其他方面基本相同。(三)电磁探伤的操作方法

它是一种车辆轮对车轴表面探伤的专用设备。它设置了纵向和横向联合磁化装置,采用磁悬液荧光磁粉显示,在操作机械化和探伤灵敏度等方面比较先进,并便于实现流水作业。轮对探伤的一般操作应按如下顺序进行:1.每日探伤之前,应先检查探伤器的灵敏度及性能。确认探伤器良好后,再进行探伤操作。(1)进行常规检查:

全面检查探伤器各部技术状态,须做到配件齐全电器连接线无破损、折断、松动,电流、电压表鉴定不过期,灯光照度或辐射度符合规定标准,设备各部动作性能良好无故障。(2)检验磁粉及磁悬液:

干法探伤时须检查磁粉的干燥程度,不得有潮湿现象,流动性要好,磁粉烘干时的温度不得超过100°C。湿法探伤时须检查磁悬液的浓度,取样检查前应先对磁悬液进行充分搅拌,然后用梨型沉淀管接取从喷嘴喷出的磁悬液100ml,进行沉淀试验,时间不得少于30min。观察梨型沉淀管中的磁粉,浓度不符合规定时必须重新调配,荧光磁悬液浓度应为0.1~0.6ml/100ml,非荧光磁悬液应为1.2~2.4ml/100ml(采用体积浓度)。配制车轴荧光磁悬液时,还应按规定比例添加乳化剂、消泡剂、防腐剂和防锈剂,推荐配制比例为:乳化剂(JFC)5g/L;消泡剂(28号)0.5~1.0g/L;亚硝酸钠15g/L;三乙醇胺5g/L。轮轴磁粉探伤所用磁粉,必须是经过铁道部认证的专业生产厂家的产品,经检验合格后方可投入使用。通常采用标准灵敏度试片来检验。标准试片是用软铁等铁磁材料制成。为适应不同工件的形状和探伤灵敏度的要求,标准试片有不同的规格。右图是我国金江机械厂生产的Ala型试片。试片中央刻有圆圈槽沟,试片右下脚刻有15/50A字样,其分母表示试片的厚度(µm);分子表示圆圈槽深(µm);A表示圆圈;槽中间有“+”沟槽,图中其余尺寸单位为(mm)。

标准试片(3)进行综合灵敏度校验:使用时须将车轴粘贴试片的部位擦拭干净,无锈蚀、油污及灰尘,露出基本金属面并保持干燥;试片表面也要擦拭干净;粘贴试片时,应将试片带沟槽面与车轴表面密贴,带有“+”沟槽的试片,“+”线中须有一条与车轴轴线平行,并用胶带纸将试片四周封闭,粘贴应平整、牢固,胶带纸不得遮盖试片沟槽部位。对车轴进行磁化,在试片上洒干磁粉或浇磁悬液。如果车轴磁化强度符合要求时,试片上即可显示出刻槽的磁粉痕迹。刻槽的磁粉痕迹清晰就证明探伤器(机)灵敏度良好。2.必须将轮对表面的锈垢、油污、灰尘及水分清除干净,露出基本金属面。因为锈垢、油污都是磁的不良导体,影响工作物磁化,使显示不够清晰,也不便于检查裂纹。清理工作物表面的同时和清理以后,应作外观检查,找出肉眼可以看到的缺陷及可疑的地方,作为探伤的重点。根据一般的规律,锈迹较厚的地方容易产生裂纹。目前统一要求轮对探伤必须配备轮对冲洗除锈机;车轴探伤应配备专用除锈机。3.干法探伤时,必须使用洒粉器向车轴表面均匀抛洒磁粉,不宜过多或过少。探伤器及变压器的通电时间一般以不发烫为限。湿法探伤时,须在全轴磁化前,对车轴被探测部位表面(不退轴承内圈时包括内圈表面)喷洒磁悬液,进行充分湿润;严格控制磁悬液的喷洒压力和覆盖面。应做到缓流、均匀、全面。探伤机探头夹紧轮对车轴时,磁轭与轴端面(或轴承前盖、密封座)接触必须严密。磁化时,周向磁化电流一般为700~1500A,纵向磁化电流一般在2.0~4.0A范围内,纵向磁化磁势的选择范围为NI=0~24000(安匝)。4.使用环形探伤器时,线圈内径面距车轴探测面的距离不大于50mm,探伤器的移动速度不大于150mm/s,分段探伤每段长度不得超过300mm,并往复施深2~3次。

为了检查车轴各个方向的裂纹,探伤器应以其中线为中心,在可能的范围内作往复摆动,以产生纵向磁化与周向磁化两种效果,以便发现斜裂纹。但摆动与移动都不宜过快,应有一些短暂的停留,目的是使磁力线稳定,促使漏磁通稳定,有利于磁粉集中。5.在探伤过程中车轴出现磁粉聚集即缺陷磁痕时,须用标记笔在车轴上划出缺陷磁痕出现位置的范围,详细记录缺陷磁痕位置、尺寸和形状。然后抹除缺陷磁痕,重新磁化车轴(磁悬液探伤的车轴,先退磁,后磁化),进行重复确认,当缺陷磁痕再次显示,且其位置、尺寸和形状与第一次显示的磁痕相同是,方可判定为缺陷车轴。缺陷磁痕的判断方法如下:裂纹的磁痕特征一般为锯齿形,两端呈尖角状,磁粉聚集的图像不规则,清晰、密集。发纹的磁痕特征呈直的或微弯的细线,磁粉聚集图像呈细长、平直。伪磁痕的磁痕特征是绝大部分的磁粉聚集图像都比较散乱,再次磁化检查时,一般复现状况不好或完全不复现。6.发现缺陷车轴时,须由有关人员共同参加鉴定并签章。7.每个轮对或车轴探测结束后,均应使用标记笔在车轮辐板内侧面或轴身上划出明显的磁粉探伤检查标记;发现车轴有缺陷时,必须使用白铅油做出标记,注明缺陷性质和位置。8.每个轮对或车轴探测结束后,探伤人员须分探测部位按规定格式详细填写轮对卡片(车统-51A、车统-51B、车统-51C)并签章。凡发现缺陷车轴,均须详细填写车辆轮对(车轴)超声波(磁粉)探伤发现缺陷记录卡(车统-52A),注明车轴缺陷性质、缺陷程度、缺陷位置及发现手段,并做出分析。参加鉴定人员须在卡片上签章。除了对轴颈、防尘板座、轴身探伤外,车辆上的其他零件,如钩舌、摇枕吊、摇枕吊轴、吊销等的探伤也可比照上述顺序进行。

二、超声波探伤

(一)超声波及特性

超声波探伤的基本原理是:用超声波发生器向工件内发射超声波,超声波遇到缺陷时受阻,检测缺陷反射回来的超声波和超声波通过工件后衰减的程度,即可发现缺陷及位置。下面对超声波的性质、超声波探伤仪和轮对的超声波探伤工艺分别进行说明。

1.声波和超声波

2.超声波的特性:超声波的绕射、反射、折射、反射率与穿透率超声波的波型超声波在介质中的衰减

3.超声波探伤的物理原理1.声波和超声波声波——振动的物体形成声源,声源通过弹性介质(如车轴等金属部件)将这种振动以波动的形式由近及远的传播出去,这就是声波。人的耳朵能够听到的最高频率的声音是16~20000Hz的声波。超声波——超过20000Hz的声波。超声波的频率、波长、波速三者之间的关系可用下式代表,即:2.超声波的特性超声波的绕射声波在传播中遇到障碍物时,它的传播方向和声强都要受到影响而有所改变。如果声波在其传播途径中遇到障碍物,而障碍物和波长相比不甚大时,声波能绕过障碍物向后面继续传播,这叫做声波的绕射。当障碍物远小于声波的波长时,绕射现象十分显著。如果障碍物尺寸比波长大得多,那么在它的后面将有一块没有声振动的区域叫声影。超声波由于它的波长甚短,容易受障碍物的阻挡和反射。所以可以利用这个特点对物体进行探伤。但绕射现象的存在对探伤工艺是不利的。为了能发现工件中极小的缺陷,避免超声波在缺陷上产生绕射,就必须选择波长极短的超声波。超声波的反射、折射、反射率与透过率反射——当超声波从一种介质向另一种介质传播时,在两种介质的分界面上,一部分能量入射到第二种介质中,另一部分能量将反射回来。折射——超声波由第一种介质进入第二种介质时,其方向也发生改变,叫做折射。反射和折射的方向符合光学定律。反射率——反射波的声强度和入射波的声强度之比称为反射系数(反射率),以K表示。透射系数(又叫透过率)以b表示,即:两种介质的密度和其传播超声波的速度相差越大,透射系数越小。声源和工件之间有空气层时,超声波很难透过,为了使超声波能够更好地向工件内部发射,要在探头和工件之间涂上一层耦合剂,耦合剂可以使用水和各种油类。超声波的波型超声波在介质中传播时,根据质点振动方向和声波传播方向的状况可分为纵波、横波等波型。不同波型的传播速度不同,如纵波在钢内的传播速度为5810m/s,横波的波速为3230m/s,在其他介质中横波的速度也约为纵波速度的1/2。只有纵波一种波型的超声波由一种介质向另一种介质传播时,在后一介质中除有纵波超声波外也将产生横波等形式的超声波,这种现象叫做波型的转换。当纵波超声波由有机玻璃向钢内发射时,如果入射角大于28°时,纵波被全反射,只有横波折射到钢中去。所以一般用入射角较大的斜探头探伤时,是用横波探伤,用小角度斜探头和直探头时,是用纵波探伤。超声波在介质中的衰减超声波在介质中传播时,会因散射和能量被介质吸收而逐渐衰减,传播距离受到限制。如果介质的弹性好,晶粒细密,超声波就衰减较小,则透声性能良好。若介质弹性差,晶粒粗大,超声波就衰减大,则透声不良。同种介质中,超声波的频率高则衰减大;频率降低时衰减就小,可使探测深度加大。3.超声波探伤的物理原理根据上述超声波的性质,可以利用超声波对金属或其他材料进行探伤。由于超声波会被两种介质的界面反射(金属零件内的缺陷,如裂纹、气泡等常存在金属与空气的界面)根据反射波的情况可确定有无缺陷。利用超声波折射的性质可以确定缺陷与探头的方位关系。各种介质传播超声波有特定的波速,可由超声波反射回来所用的时间确定缺陷与探头的距离。根据工件的透声性能和缺陷的尺寸,可以恰当选择超声波的频率,以保证一定的探测深度和灵敏度。(二)超声波探伤简介1.脉冲反射式超声波探伤仪原理图

如右图所示。超声波探伤仪方框原理1-同步电路2-时基电路3-辉度调节

4-灯丝5-阴极6-控制栅板7-第一阳极8-聚焦调节9-水平偏转板10-垂直调节板11-荧光屏12-试块13-直探头14-放大电路15-高频脉冲发生器脉冲反射式超声波探伤仪原理由于超声波在钢中的传播速度很快,而且探测深度一般不大,超声波由探头发射至反射回探头的时间不超过2×10-3s。探伤仪在工作过程中,每秒钟可向工件发射几百次超声波,荧光屏也重复显示发射脉冲和反射脉冲几百次。荧光屏上可出现较亮的图象。由图2-51中可看出,荧光屏上最左面的竖线是发射的超声波图象叫做始波。超声波从工件底面反射回探头,荧光屏上的反射脉冲叫做底波。工件中如果有缺陷,则有超声波被缺陷反射回探头,因这部分超声波往返路程较短,在荧光屏上显示的反射脉冲(叫做伤波)则出现在发射脉冲(又叫始波)与底波之间。2.探头(1)探头的声电转换原理探头能在高频脉冲电压激发下产生超声波,并在反射超声波的作用下产生高频信号,主要靠探头内部的晶片起作用。晶片由压晶体制成,它可以产生压电效应,即在一定晶面间施加交变电压时,晶面间会发生相应频率的收缩和膨胀,这种振动频率很高,从而发出超声波;而沿一定晶面受到超声波的振动时,晶面间会产生相应频率的交变电压。晶片产生超声波的频率与晶片的材质和几何尺寸有密切关系。最常用的晶片材质是钛酸钡。直探头直探头的晶片下面是金属保护膜,同时作接地的电极;晶片上面连有导线,接到接触座的电极。晶片上面吸收块用电木或有机玻璃等做成,对超声波的吸收能力强,使晶片振动受到一定的阻力,当触发脉冲停止后,晶片立即停止振动而形成非常短促的超声波。弹簧的作用是使晶片与吸收块和保护膜紧密接触。直探头发射超声波的方向与工件表面垂直,它适合探测工件中与工件表面平行的缺陷。当缺陷表面与工件表面垂直时,则不宜用直探头。1-接触座2-探头体3-吸收块4-弹簧圈5-保护圈6-弹簧7-晶片8-保护膜斜探头斜探头与直探头的原理相同,主要不同的是晶片下面安装了有机玻璃块,以改变超声波对工件表面的发射方向。为了安装有机玻璃块,其余零件的结构作了相应的变化。有机玻璃块做成一定形状是为了保证从有机玻璃与工件分界面反射回来的超声波不致回到晶片引起干扰。

斜探头1-接触顶2-塑料压块3-弹簧4-探头插座5-铜压板6-石棉

7-绝缘圈8-晶片9-塑料块斜探头塑料块外形

注意:使用斜探头时,超声波要经过有机玻璃块,还要被有机玻璃表面发射,其强度要削弱很多,灵敏度要有所下降,所以只有在不能用直探头时才用斜探头。对车轴轮座部分探伤时,可采用入射角为7°、8°、9°的斜探头在轴端探测,也可用入射角为30°、40°、50°的斜探头在轴颈或轴身上探测。如右图所示。用斜探头对轮座探伤的方式A-用小角度斜探头在轴端探测B-用30°~50°斜探头在轴颈或轴身探测(三)超声波探伤工艺对轮对进行超声波探伤的目的,主要是发现轮座被轮毂包围部分的裂纹、轮座与车轮轮毂孔接触不良及车轴透声不良等故障,还有检查不退轴承或轴承内圈时滚动轴承车轴轴颈卸荷槽部位有无裂纹。1.探伤操作在轴端用小角度探头或直探头探伤时,探头应沿轴端面半径方向往复运动,同时轮对缓慢转动。探头在轴端移动的轨迹参照右图所示的情况。

探头在轴端移动轨迹示意图1.探伤操作用大角度探头探伤时,探头应沿轴颈或轴身表面母线往复运动,同时轮对缓慢转动。探头移动的区域按轴型如右图(a)、(b)两种情况所示。探头沿轴颈或轴身表面往复移动轨迹(a)退下轴承(或内圈)的滚动轴承轮对斜探头移动区域及轨迹(b)不退下轴承的滚动轴承轮对斜探头移动区域及轨迹注:在探测时探头应与车轴表面密贴,互相之间应有1.96~4.9N的均匀压力,探头移动速度为20~50m/s。探头移动时应密切注意荧光屏上的图像,发现疑点时应反复探测或改变探测方式和探头角度

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