国产化动车组空心车轴超声波探伤的分析与应用

国产化动车组空心车轴超声波探伤的分析与应用

阚宝杰徐祥庆

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000

摘要：根据动车组空心车轴超声波探伤作业实际情况，文章提出了两种超声波缺陷定量方法，即等波幅对比增益法和等增益对比波幅法，并对这两种方法的优缺点进行了详细讨论，总结出在单轴探伤时宜采用等波幅对比增益法，在批量探伤时宜采用等增益对比波幅法。

关键词：动车组；空心车轴；超声波探伤

随着国内外动车组的不断提速,受生产工艺的影响,空心车轴的内部缺陷给动车组的安全运行带来了严重的潜在威胁,同时也制约着我国轨道交通的发展。本文研究的动车组空心车轴内部缺陷检测技术,具有重大的经济价值、工程意义和科研价值。该系统主要由硬件和软件两大部分构成。其中硬件部分主要包括:基于Power PC和FPGA双核超声波检测(UT)模块、基于CAN总线的EPOS电机控制模块、由多通道不同类型的探头组成探头模块、油泵系统。在对国内外探伤设备进行了性能的分析后,研究了探伤数据的采集、超声波的补偿、基于TCP和UDP协议的数据通信等技术,改进了国内外设备的精度低、操作复杂、兼容性差、集成度不高的缺点。在此情况下发现疑似缺陷后，如何采取有效、准确而又不漏探的缺陷当量计算方法，对减少误判和提高作业效率显得尤为重要。

1、车轴超声相控阵探伤

1.1 车轴探伤原理

车轴的超声探伤主要基于脉冲反射法探测原理，超声波束在传播路径上遇到缺陷时会产生反射，通过对反射超声波或透射超声波进行检测，可检测工件的缺陷。由于车轴内部无空洞，用常规超声探伤很难做到全面检查，而利用相控阵超声探头的收发一体和收发分离工作模式，就可实现大角度范围的扫查，即可实现车轴缺陷的探伤，同时检测效率也得到适当的提高。

1.2 车轴相控阵超声探伤方法

现有的超声波探伤法是将探头接触在车轴的端面或表面上，或是没有拆卸的重要部件上，向车轴中入射超声波，观察并分析各反射波。分为垂直探伤、小角度探伤和斜角探伤三种方法。

（1）垂直探伤。垂直探伤是由车轴端面垂直射入超声波，检测车轴在全长方向是否有损伤及一些材质性缺陷。垂直探伤的探伤范围最广，可以扫查到整个车轴纵向。

（2）小角度探伤。在不退轮的情况下，针对车轴可能损伤的某些部位，用小角度探头的纵波在车轴端面进行探伤。超声波进入车轴后，除了发生折射外，还会发生波型转换，出现纵波和横波，小角度探伤利用其中的纵波进行探伤，由于横波声速比纵波慢，因此不会干扰对缺陷的判断。小角度探伤比垂直探伤精度高，但声束不能覆盖车轴全体。因此，小角度探伤检测车轴需要多个探头。

（3）斜角探伤。斜角探伤一般使用较大角度从有车轴表面斜方向射入的横波超声波。斜角探伤可检查到齿轮座、制动盘等部位的损伤。斜角探伤比小角度探伤更能检测出细小的缺陷，但是探伤前需保持车轴表面平整洁净。

上述三种方法扫查的范围和检测精度各有利弊，在设计车轴探伤系统中，需按照特定的需求选用合理的探伤方法，也可以综合各方法优点，组合探伤，提高探伤的精度。

2、等增益对比波幅法

2.1 实轴检测

首先确定缺陷的轴向位置、周向角度和深度。再根据缺陷的位置和周向角度，进行缺陷手工复核，通过调整轴向位置和周向角度，找出缺陷A型显示的最高反射波形图后，记录疑似缺陷波高为H1。

2.2 对比试样轴基准缺陷检测

记录开工校验和完工校验波中最低波为H2。比如同类型探头开工校验为80%、完工校验为85%，则H2=80%。完工校验时，转动试样轴、调整基本缺陷的周向角度与疑似缺陷一致。

2.3 缺陷当量计算

根据当量计算公式：△N=20lg（H1/H2），平底孔缺陷当量应为N平=Φ2mm+△N，表面横向缺陷当量为N横=1mm+△N。

2.4 判定处理

（1）内部材质缺陷达到或超过Φ2mm平底孔当量时，车轴判废，否则继续跟踪观察处理。（2）表面横向缺陷达到或超过1mm深度当量时，车轴判废，否则须进一步验证是否为表面疲劳裂纹，对于无法判断是否是表面疲劳裂纹的，一律落轮，判废处理。

3、等波幅对比增益法

3.1 空心车轴实车检测

通过实轴探伤波形图，首先确定缺陷的轴向位置、深度和周向角度ω，再根据缺陷的位置和深度，进行缺陷手工复核，通过调整轴向位置和周向角度，找出缺陷A型显示的最高、最佳反射波型图，将缺陷反射波幅调整至满幅的80%，记录增益值为a。

3.2 对比试样轴平底孔缺陷检测

首先确定疑似缺陷在被检测实车轴中的周向角度位置ω，观察0°SE探头的角度位置。再调整试样轴上Φ2mm平底孔的周向角度与疑似缺陷周向角度ω相一致，找出Φ2mm平底孔缺陷A型显示的最高、最佳反射波型图。最后调整增益值，将Φ2mm平底孔缺陷A型显示反射波幅调整至满幅的80%，记录增益值为b。

缺陷当量计算及判定：比较增益值a、b的大小，当a>b时，判定该疑似缺陷存在，但未达到Φ2mm平底孔人工缺陷当量，缺陷当量大小为Φ2m+（b-a），建议继续运行并跟踪观察；当a≤b时，判定该内部材质缺陷存在，已达到或超过Φ2mm平底孔人工缺陷当量，缺陷当量大小为Φ2m+（b-a），判定空心车轴报废。

3.3 表面横向缺陷检测

首先要确定疑似缺陷的位置、深度，仔细观察是否在轴上，横向疑似缺陷的波幅读取增益调整与内部缺陷一样，记录增益为a。确定疑似缺陷在被检测实轴中的周向角度位置，调整对应车型试样轴上相应的缺陷（位置、深度相似）的周向角度位置与疑似缺陷相一致。找出横向轴上相应缺陷A型显示的最高、最佳反射波型图后，调整增益值，将试样轴横向基准缺陷A型显示反射波幅调整至满幅的80%，记录增益为b。缺陷当量计算及判定：与内部材质缺陷评定比较方法一样，比较增益值a、b的大小，当a>b时，判定该疑似缺陷存在，但未达到1mm深度当量，缺陷当量为1mm+（b-a），通过其它手段确认是否为疲劳缺陷，确认疑似缺陷属于疲劳缺陷后，车轴报废；当a≤b时，判定该横向表面缺陷存在，已达到或超过1mm深度当量，缺陷当量为1mm+（b-a），判定车轴报废。

4、两种方法对比

4.1 等波幅对比增益法缺点

（1）存在误操作导致缺陷漏探风险。实际进行探伤作业时往往是安排一整组车或多轴进行批量探伤，若发现缺陷后在现场调整增益，后续再对其它空心车轴检测时，又不得不调整回来，这样很容易造成后续设备基础增益与前面基础增益的不同。（2）操作复杂，耗时较长。该方法需要在被检测实车轴和对比试样轴上调整轴向长度和周向角度查找最高波时后，再调整增益，操作相对复杂，耗时较长，不利于缺陷的快速定位查找。

4.2 等波幅对比增益法优点

（1）缺陷定量相对准确，最接近真实情况。在手动探伤作业时，疑似缺陷波和基准缺陷波全部都能找到最高波，即完全达到了疑似缺陷理论化要求的计算条件，即缺陷定量计算的前置条件都是相对最真实的完整再现。（2）缺陷定量計算直观简单。因波幅不变，只是调整增益，只需要进行简单的加减计算就可直观的计算出缺陷当量，相比等增益对比波幅法则需要代入波幅当量计算公式计算缺陷当量来说算是最简单的了。

4.3 等增益对比波幅法缺点

（1）波幅反馈不明显，查找困难。因增益不变，若缺陷不是很大，波幅反馈就不会很明显，特别是手动查找缺陷最高波时，操作设备前进后退1mm或旋转一个角度，缺陷最高波往往不会有很明显的变化，不利于缺陷的快速定位判断。（2）方法简略，争议较多。因做计算的基准缺陷波高是采取的自动探伤时开工和完工校验波高，一个是手动一个是自动，获得波高对比方法不一致，与等波幅对比增益法相比，导致最终计算出的疑似缺陷当量不能最接近实际情况，与车轴供应商进行缺陷讨论时，争议较多。

4.4 等增益对比波幅法优点

（1）判伤迅速。因直接采纳了自动探伤的数据，省去了手工查找最大基本缺陷的步骤，步骤少，判伤迅速。（2）对后续探伤没有影响。因不需要改变增益，杜绝了探伤工误操作的可能，对后续探伤没有影响。

5、结束语

（1）当对单轴进行缺陷复核定量或对争议车轴复核确认时，推荐优先使用等波幅对比增益法。（2）当探伤任务较多或批次探伤时，益采用等增益对比波幅法。

参考文献

[1]中国机械工程学会无损检测分会.超声波检测[J]机械工业出版社，2020.

[2]关于动车组空心车轴超声波探伤中对缺陷定量计算方法及优劣的讨论 [J] . 杜新伟 . 科技创新与应用 . 2017,第005期

[3]CRH380A/AL型动车组制动对空心车轴的影响分析[J]QU Minghe ,HUA Sha . 河南科技 . 2018,第032期