宋全知 趙 揚(yáng) 劉 妍

(中車齊齊哈爾車輛有限公司 黑龍江 齊齊哈爾 161002)

車鉤是車輛最重要的基本部件之一，是鐵路貨車車鉤緩沖裝置的重要組成部分，用來實(shí)現(xiàn)機(jī)車和車輛或車輛和車輛之間連掛和傳遞列車在運(yùn)行或在調(diào)車作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的牽引力和沖擊力，并使車輛之間保持一定的距離。列車在運(yùn)行中車鉤除受到隨機(jī)的、交變的牽拉力和壓縮力外，由于車鉤連接中心線高度的偏差和線路的原因，車鉤還承受彎矩的作用。另外，貨車在調(diào)車作業(yè)時(shí)，車鉤還受到很大的沖擊力[1]。隨著列車的運(yùn)行速度、牽引總重和調(diào)車連掛速度的提高，作用在車鉤上的載荷也隨之加劇，而車鉤結(jié)構(gòu)屬于不規(guī)則的鑄鋼件，且各相鄰平面壁厚差異較大，相交處形成熱節(jié)，澆注時(shí)鑄件溫度場(chǎng)不均勻，既不能形成順序凝固，又不能實(shí)現(xiàn)同時(shí)凝固，由于各部位不能同時(shí)收縮，最后凝固部位收縮受阻，容易導(dǎo)致該部位熱裂紋、縮孔、縮松的生成，較嚴(yán)重的缺陷極有可能成為導(dǎo)致運(yùn)行事故的主要原因，因此，保證車鉤鑄造工藝穩(wěn)定，嚴(yán)格控制和減少關(guān)鍵部位鑄造缺陷是保證車鉤運(yùn)用安全的有效方法之一。

1 密實(shí)度解剖試驗(yàn)

目前，國內(nèi)車鉤制造和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要是TB/T 456《機(jī)車車輛用車鉤、鉤尾框》，國外車鉤制造和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)較多，AARM-211《AAR貨車車鉤、尾框采購和驗(yàn)收技術(shù)條件》是具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)之一，以上兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中均明確提出，在車鉤鉤體、鉤舌試制或是批量生產(chǎn)之初及過程中，應(yīng)定期對(duì)每種型號(hào)的鉤體、鉤舌在指定位置進(jìn)行密實(shí)度解剖(至少1件)，解剖后的鑄件斷面缺陷與標(biāo)準(zhǔn)中提供的鑄鋼件密實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)參考圖片進(jìn)行比較，通過對(duì)比鑄件內(nèi)部縮孔、縮松和疏松等缺陷的嚴(yán)重程度來衡量鑄造工藝質(zhì)量和穩(wěn)定性。目前車鉤鑄鋼件密實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)參考圖片普遍采用AARM-211中的附錄1。TB/T 456中鉤體、鉤舌密實(shí)度解剖位置如圖1所示。

圖1 鉤體、鉤舌密實(shí)度解剖位置

密實(shí)度解剖試驗(yàn)是車鉤制造標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)制性的檢驗(yàn)項(xiàng)目，不僅破壞工件消耗成本，而且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,更重要的是由于所采用的解剖方法及實(shí)際解剖位置的不確定，對(duì)密實(shí)度解剖試驗(yàn)結(jié)果影響較大，下面將介紹利用高能X射線數(shù)字化射線照相(以下簡(jiǎn)稱DR)和工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像(以下簡(jiǎn)稱工業(yè)CT)檢測(cè)技術(shù)完成鉤體、鉤舌的密實(shí)度虛擬解剖試驗(yàn)。

2 高能X射線工業(yè)CT和DR檢測(cè)系統(tǒng)及原理簡(jiǎn)介

高能X射線工業(yè)CT和DR檢測(cè)系統(tǒng)主要由射線源、探測(cè)采集傳輸、自動(dòng)控制、圖像處理、機(jī)械掃描及安全防護(hù)等多個(gè)子系統(tǒng)組成[2]，相互之間的聯(lián)系如圖2所示。

圖2 高能X射線工業(yè)CT和DR檢測(cè)系統(tǒng)組成

射線源在受控狀態(tài)下產(chǎn)生扇形高能X射線；X射線穿透待檢工件后發(fā)生衰減，不同的衰減程度反映了工件內(nèi)部信息；探測(cè)器及后續(xù)系統(tǒng)接收X射線并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

在DR掃描過程中，通過射線源和探測(cè)器的平移獲取整體投影數(shù)據(jù)，在CT掃描過程中，通過工件的旋轉(zhuǎn)從多個(gè)角度獲取投影數(shù)據(jù)；對(duì)所獲投影數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、重建，即獲得工件的透射和斷層圖像[3-4]。

3 鉤體和鉤舌虛擬解剖試驗(yàn)

3.1 鉤舌虛擬解剖試驗(yàn)

3.1.1鉤舌DR檢測(cè)

按照?qǐng)D3和圖4的透照方式分別完成鉤舌0°和90°的DR檢測(cè)，獲取的DR檢測(cè)圖像如圖5和圖6所示，在鉤舌90°DR檢測(cè)基礎(chǔ)上以舌銷孔為軸旋轉(zhuǎn)90°獲取如圖7所示的DR檢測(cè)圖像，通過以上3幅鉤舌DR檢測(cè)圖像對(duì)鉤舌內(nèi)部缺陷進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中密實(shí)度解剖位置在DR檢測(cè)圖像上確定虛擬解剖坐標(biāo)。

圖3 鉤舌0°DR檢測(cè) 圖4 鉤舌90°DR檢測(cè)

圖5 鉤舌0°DR檢測(cè)圖像

圖6 鉤舌90°DR檢測(cè)圖像

圖7 鉤舌DR檢測(cè)圖像

3.1.2鉤舌工業(yè)CT檢測(cè)

根據(jù)DR檢測(cè)圖像中確定的坐標(biāo)，分別在如圖6和圖7所示的狀態(tài)下完成鉤舌A剖、B剖和C剖的工業(yè)CT檢測(cè)，如圖8所示。利用工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)對(duì)鉤舌的虛擬解剖可以獲取與標(biāo)準(zhǔn)中要求完全一致的解剖結(jié)果，如圖9所示。

圖8 鉤舌工業(yè)CT檢測(cè)圖像

圖9 密實(shí)度解剖評(píng)定區(qū)域與工業(yè)CT檢測(cè)圖像對(duì)比

3.2 鉤體虛擬解剖試驗(yàn)

3.2.1鉤體DR檢測(cè)

按照如圖10和圖11所示的方式分別完成鉤體0°和90°的DR檢測(cè)，獲取鉤體0°和90°的DR檢測(cè)圖像，如圖12和圖13所示，通過DR檢測(cè)圖像對(duì)鉤體內(nèi)部缺陷進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中密實(shí)度解剖位置在DR檢測(cè)圖像上確定虛擬解剖坐標(biāo)。

圖10 鉤體0°DR檢測(cè)

圖11 鉤體90°DR檢測(cè)

圖12 鉤體0°DR檢測(cè)圖像

圖13 鉤體90°DR檢測(cè)圖像

3.2.2鉤體工業(yè)CT檢測(cè)

按照標(biāo)準(zhǔn)中要求的密實(shí)度解剖位置及DR圖像確定的解剖位置坐標(biāo)可以完成鉤體鉤頭A剖和E剖、鉤尾A剖的虛擬解剖，其工業(yè)CT檢測(cè)結(jié)果與密實(shí)度解剖效果完全一致，如圖14所示。

圖14 密實(shí)度解剖評(píng)定區(qū)域與工業(yè)CT檢測(cè)圖像對(duì)比

由于現(xiàn)有檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸及工件固定方式等因素限制，現(xiàn)有鉤體的其他8個(gè)剖面工業(yè)CT檢測(cè)無法實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)中要求的完全一致的虛擬解剖，但可以通過旋轉(zhuǎn)或偏擺角度的DR檢測(cè)和工業(yè)CT檢測(cè)綜合評(píng)價(jià)解剖部位缺陷尺寸。

圖15 鉤尾DR檢測(cè)圖像

3.2.3鉤尾工業(yè)CT檢測(cè)

如圖15所示，圖中粗線分別代表鉤尾部B剖、C剖和D剖的精確位置，通過DR圖像可以準(zhǔn)確判斷實(shí)際密實(shí)度解剖勢(shì)必會(huì)發(fā)現(xiàn)鉤體尾部缺陷，按照?qǐng)D中細(xì)線位置實(shí)施工業(yè)CT檢測(cè)，獲取檢測(cè)圖像由左到右如圖16所示。工藝或制造人員可以通過DR和工業(yè)CT檢測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)鉤體尾部鑄造工藝質(zhì)量。

圖16 尾部工業(yè)CT檢測(cè)圖像

3.2.4鉤頭工業(yè)CT檢測(cè)

鉤頭部位是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，密實(shí)度解剖位置較多的部位，這對(duì)密實(shí)度解剖和工業(yè)CT檢測(cè)虛擬解剖都是難題，但如果根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中解剖評(píng)定區(qū)仔細(xì)分析，確定密實(shí)度解剖所要評(píng)價(jià)的關(guān)鍵區(qū)域后，便能更好、更快地完成虛擬解剖試驗(yàn)，解剖評(píng)定區(qū)如圖17所示。其中，F(xiàn)剖和G剖均可通過與尾部相同的方法完成密實(shí)度解剖評(píng)定。B剖、C剖、D剖由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚度較大采用以上方法效果均不是很理想，綜合分析，其評(píng)價(jià)部位主要為鉤門和上下牽引臺(tái)位置鑄造質(zhì)量，所以可以實(shí)施間隔一定距離的連續(xù)工業(yè)CT檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該部位密實(shí)度的有效評(píng)價(jià)。由于射線源穿透能力有限，較厚部位的檢測(cè)結(jié)果清晰度略有降低，如圖18所示，但不影響該部位的密實(shí)度等級(jí)評(píng)價(jià)。

圖17 鉤頭密實(shí)度解剖評(píng)定區(qū)

圖18 間隔5 mm的工業(yè)CT檢測(cè)圖像

3.3 密實(shí)度虛擬解剖評(píng)定方法

DR和工業(yè)CT檢測(cè)圖像可實(shí)現(xiàn)一鍵還原實(shí)物尺寸，并按照標(biāo)準(zhǔn)要求的尺寸設(shè)置評(píng)定以及缺陷尺寸精確測(cè)量等方式協(xié)助工藝及檢測(cè)人員對(duì)密實(shí)度解剖面與標(biāo)準(zhǔn)底片進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，同時(shí)，能夠在DR圖像中發(fā)現(xiàn)非解剖位置的缺陷，對(duì)產(chǎn)品鑄造工藝質(zhì)量和穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)更加全面科學(xué)，有助于提高整體鑄造工藝水平。

另外，DR和工業(yè)CT檢測(cè)圖像可以保存為附有比例尺的圖片功能，方便檢測(cè)、工藝人員查閱和評(píng)定。

4 對(duì)比分析

利用DR和工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)在不破壞工件的前提下能夠高質(zhì)、高效地完成鉤體、鉤舌密實(shí)度虛擬解剖，而且對(duì)密實(shí)度評(píng)價(jià)更加全面，對(duì)鑄造工藝質(zhì)量和穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)更加科學(xué)合理，但由于鉤體部分解剖面工業(yè)CT檢測(cè)結(jié)果不能與標(biāo)準(zhǔn)要求完全一致，缺少標(biāo)準(zhǔn)支撐，現(xiàn)主要在產(chǎn)品研發(fā)、工藝改進(jìn)和試制過程中廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)束語

隨著我國鐵路運(yùn)輸客貨分線和客運(yùn)向高速、重載提速的深入發(fā)展，貨車牽引噸位、長度及車輛編組數(shù)量隨之增加。貨車運(yùn)行速度的提高、運(yùn)輸密度的增加、車輛周轉(zhuǎn)時(shí)間的縮短和使用頻率的提高，使貨車關(guān)鍵部件的運(yùn)用工況和使用條件均發(fā)生了顯著變化，對(duì)其穩(wěn)定性、安全可靠性及疲勞壽命提出了更高的要求。因此，可以將高能X射線DR和工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)在鐵路貨車車鉤、搖枕、側(cè)架等關(guān)鍵鑄鋼件密實(shí)度解剖及內(nèi)部缺陷檢測(cè)等方面廣泛推廣應(yīng)用，不僅有助于提高關(guān)鍵部件的鑄造工藝穩(wěn)定性和運(yùn)用安全可靠性，而且能夠提升整體鑄造工藝水平。