安　萍(北京机务段技术科天津技术组,天津300011)

　　摘要:从探伤原理方面即灵敏度、声场覆盖情况、聚焦效果等进行了分析,并以常见的特例加工缺陷的曲线图说明大角度横波探伤不但有较高的灵敏度,而且能探测到各种形式的缺陷。重要的是,车轮在日常探伤中最常出现的危害性缺陷,均能利用大角度超声横波探伤方法探测出来。还通过几年的实践经验总结出利用该方法探伤时必须遵循的原则。

　　关键词:大角度;超声横波;探伤;机车;车轮;可靠性;分析

　　中图分类号:U260.331+.1　　文献标识码: B　　文章编号: 1003-1820(2010)03-0045-04

　　1　问题的提出

　　运装机检(2000)335号《轮箍不动车超声波探伤技术条件》于2000年开始下发试行,但据笔者所知,有的铁路局和机务段到目前为止仍然未采用该技术条件中涉及的横波探伤方法对机车车轮进行探伤。其原因是认为这种方法灵敏度高,出现的杂波多,有的缺陷不能被发现,尤其是对整体轮的内部缺陷、表面剥离更不能被有效发现。据了解,自1998年4月起,昆明机务段SS7型机车在1年内发生崩箍故障10余次。最少的仅走行19 324 km,最多的也不过20万km左右。曾使用纵波法检查,投入巨大,但收效甚微。因为纵波探伤法有一定的局限性,主要是对径向缺陷的检测灵敏度低,径向缺陷又恰恰是可能导致轮箍崩裂的致命缺陷,而采用大角度横波法后检查出多例缺陷轮。目前机车采用整体轮的数量越来赿多,而整体轮内部也出乎意料地出现了径向裂纹,只能依靠大角度横波探伤出来。笔者通过多年的应用及总结发现,大角度横波探伤法是不动车探伤车轮的最可靠方法。它不但能检测出轮箍的内部缺陷,而且能检测出整体轮内部有危害性的周向缺陷、径向缺陷,尤其是对径向缺陷具有较高的检测灵敏度,能提高工作效率,改善工作条件。

　　基于以上情况,现就多年来应用该方法的情况分析其可靠性。

　　2　探伤原理

　　(1)灵敏度高。利用大角度横波探伤,相当于声波绕车轮的圆心旋转,探测到的是踏面下一连续的壳层。此时声波只入射至车轮的外圆凹面,内圆凸面对声波不起作用,故没有发散损失,传播距离大大增加,四次以上声程仍有足够高的灵敏度。在1个跨度内扫查,就可实现对轮箍的全部探测,如图1所示。

　　(2)超声场覆盖范围大。由于我们使用的大角度探头为组合角度的探头,能同时发出3组主声束,而且各主声束又伴有副瓣声束发出,所以车轮踏面下几乎所有位置都充满声束,也就是声场覆盖范围很大,如图2所示。

　　(3)聚焦效果明显。探头发出的3组主声束有明显的聚焦效果,扫查过程中,声波在圆周面上反射后多次聚焦,会产生汇聚点(如图2所示中的各点)。

　　(4)缺陷能被探测两次。由图3可见,当探头从A移动到B时,车轮内部的点状缺陷在1次扫查过程中能被探测到两次,也就是有两个位置可探测到缺陷。

　　3　常见缺陷的试验曲线分析

　　为分析径向平面缺陷的反射规律,我们对下述缺陷进行了试验。测试时仪器处于补偿状态,探头为62°~74°的组合探头。

　　3.1　平面人工缺陷

　　在轮箍的字头“甲”的竖笔处,铲下深约8 mm、面积接近100 mm2的平面状缺陷。采集数据后作出如图4所示的平面人工缺陷反射规律曲线。

　　3.2　模拟字头处径向裂纹

　　模拟自然裂纹,在字头处作径向裂纹,长约25mm。采集数据后作出如图5所示的径向自然裂纹反射规律曲线。

　　由图4、5可知,在平面状缺陷上,即使对于轮箍内侧靠近内圆处缺陷,也具有很高的探伤灵敏度。

　　无论对于径向裂纹、周向裂纹还是斜裂纹,由于组合探头声场宽,又由于声波在裂纹上的入射角会发生变化,车轮内到处都充满声波,或各个方向都有声波传播,所以扫查1个跨度后,任何一个缺陷,不管处于什么部位,总会有1束声波与其相垂直,最终缺陷会被扫查到。

　　4　实际应用效果与分析

　　4.1　轮缘缺陷的探测

　　轮缘部位的裂纹是十分常见和十分危险的裂纹,也是最难探测的缺陷之一。采用常用的纵波探伤法,不管是直探头还是双晶探头,都几乎无法探测轮缘裂纹;而大角度横波探伤法却能很好地探测这些缺陷。北京铁路局某段发生的轮缘掉块、裂纹很有代表性,其轮缘锯口、掉块、裂纹反射波形图分别如图6、7、8所示。

　　为使声波扫查到轮缘全部,探头需至少摆动到能使声波与轮缘相切的位置。反之,只要探头能够摆动到可使声波与轮缘相切,声波就可扫查到轮缘全部。或者说,只要探头能够位于轮缘与踏面构成的夹角外面,声波就可扫查到轮缘全部。从探测轮缘后的波形图可见,轮缘上的缺陷能完全被发现。

　　4.2　径向裂纹的探测

　　最典型的整体轮径向裂损发生在SS9型0120号机车上,该整体轮的径向裂损是北京铁路局首例。该轮于2006年7月26日小修时通过不动车大角度超声波探伤发现了缺陷波形,而采用其他方式复查时均不能出现缺陷波形。经研究,决定对其监探使用,半年后横波探伤的缺陷波形明显发展,裂纹已发展到踏面表面。该轮裂纹如图9所示,其对应的大角度一次声程、四次声程探伤出现的波形如图10、11所示。其径向裂纹波形的特征是:波形尖细,无杂波,随缺陷距探头越来越远,其波形根部的开口明显变宽。如果不采用不动车大角度横波探伤方法,这种缺陷将无法被发现。当裂纹发展到表面时危害性已很大。

　　4.3　周向大裂纹的探测

　　图12所示为DF4D型0155号机车整体轮的周向裂纹,横波大角度探头从一次声程到四次声程均出现缺陷波形。而周向裂纹的波形特征是:波形根部有杂波,当面积较大时会同时出现两个波形,其位置恰好为周向裂纹的两个端点。如图13所示,闸门处所显示的波形是周向缺陷的一个端点,其后的波形显示位置为另一个端点。从踏面上测量两个端点相距的周向长度与两波形显示位置吻合。

　　4.4　周向小缺陷的探测

　　利用大角度横波探伤小修修程的DF11型0061号机车的整体轮时,发现在一次声程处出现单次缺陷波形,如图14所示。继续移动探头,波形随之移动,一直到三次声程,如图15所示。确定内部存在小缺陷后,用双晶片探头复查,果然出现波形(见图16),在踏面下34·4 mm处存在周向小缺陷。

　　从实际应用效果可见,采用大角度横波探头探伤时,如果车轮内部存在危害性缺陷,从一次到四次声程均可出现很高的波形。对于径向缺陷、周向缺陷均有很高的检测灵敏度。

　　5　结论

　　大角度不动车横波探伤车轮内部缺陷的方法很可靠,建议各机务段广泛采用此方法。还建议各车轮生产厂家在采用纵波探伤的同时,也配合采用该方法,这有助于径向缺陷的检测。通过对几年来的实践经验的总结,笔者认为探伤时必须遵循以下原则。

　　(1)整体轮探伤时大角度探头在车轮踏面上要有一个±15°的摆动,这有助于发现各个部位的缺陷。

　　(2)探伤时尽量在车轮上对应180°的位置进行两次探测。

　　(3)探头应放置在踏面与轮轨接触的位置,即滚动圆位置,否则探头与车轮踏面位置耦合不良。

　　(4)发现缺陷波形后,一定要采用一次声程核查,并采用多种方法复查。

　　(5)尽量使用带有底波反射的晶片,因为底波出现的情况有助于缺陷的判定。例如:底波不出现,有可能车轮内部存在大缺陷;如果底波出现但较低,有可能车轮材质不良或存在小缺陷等,此时应采取复查手段。

　　(6)要注意识别采用大角度探头探伤出现的波形,对于整体轮探伤时出现的大于基准15 dB以上的异常波形,必须引起关注,要采用大角度斜探头复查,并注意跟踪监探。

　　(7)从近几年的车轮裂损看,裂纹多出现在原形轮或接近于原形轮中。因此,探伤中一定要关注原形轮或接近于原形的车轮。

　　参考文献:

　　[1]　李家伟,陈积懋.无损检测手册[M].北京:机械工业出版社,2004.

　　[2]　黎连修.轮箍超声横波探伤研究[J].无损检测,2000,(6).31

　　作者简介:安萍(1972—),女,天津人,工程师。

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