朱興俊 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

1 概述

雙軌式鋼軌超聲波探傷儀是能夠同時(shí)對(duì)兩股鋼軌進(jìn)行超聲波探傷的檢測(cè)儀器，它能在自行走過程中，對(duì)鋼軌軌頭、軌腰和軌底的裂紋及各種缺陷進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)有A掃和B掃兩種模式，B掃是實(shí)際檢測(cè)時(shí)使用的掃描模式。B掃描以編碼器驅(qū)動(dòng)，連續(xù)采集并記錄相應(yīng)信息。編碼器每3 mm產(chǎn)生一個(gè)脈沖，探傷儀根據(jù)脈沖信號(hào)，實(shí)時(shí)采集左右兩軌上的探頭檢測(cè)信號(hào)。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀為了保證探傷系統(tǒng)能對(duì)鋼軌進(jìn)行全面可靠的檢測(cè)，避免高速運(yùn)動(dòng)對(duì)探頭的損耗而采用輪式設(shè)計(jì)，每個(gè)探輪裝有9個(gè)探頭，每根鋼軌使用一個(gè)探輪進(jìn)行采集，雙軌共有18個(gè)通道，小車實(shí)物如圖1所示。其相比傳統(tǒng)手推式鋼軌探傷儀，具有效率高、人工操作簡(jiǎn)單和傷損識(shí)別率高等特點(diǎn)，近年來逐步在鐵路工務(wù)領(lǐng)域大量推廣使用。

雙軌式鋼軌超聲波探傷儀是超聲波檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，其對(duì)傷損的識(shí)別率嚴(yán)重依賴小車行車的平穩(wěn)性。車軸是小車的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)，它承擔(dān)著車體的承重和小車運(yùn)行時(shí)的滾動(dòng)摩擦，因此，隨著時(shí)間的推移不可避免的在其表面或內(nèi)部產(chǎn)生肉眼不可見的缺陷，需要一種能對(duì)車軸缺陷進(jìn)行識(shí)別的無損檢測(cè)系統(tǒng)，以便探傷小車的使用者對(duì)車軸的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和分析。

圖1 雙軌式鋼軌超聲波探傷儀

2 車軸缺陷超聲波檢測(cè)原理

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，探傷小車在使用過程中，車軸故障以內(nèi)部缺陷為主，這些缺陷的取向往往沿軸向延伸，特別是裂紋在橫截面上呈徑向擴(kuò)展，成為最危險(xiǎn)的缺陷。超聲波檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)非金屬材料內(nèi)部缺陷的有效無損檢測(cè)方法，因此本文研究超聲波檢測(cè)在探傷小車車軸缺陷上的應(yīng)用研究。主要原理：超聲波以入射角α從探頭發(fā)出進(jìn)入車軸內(nèi)部，遇到缺陷或者被車軸內(nèi)外壁多次反射，波會(huì)沿原途徑返回被探頭接收，通過探傷儀處理獲得缺陷回波或其他反射波，并由此給出定量的缺陷指示，如圖2所示。

圖2 車軸缺陷檢測(cè)示意圖

3 檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)的主要考慮因素

雙軌式鋼軌超聲波探傷儀所用車軸為空心軸，主體材料是軸承鋼，橫截面尺寸如圖3所示。橫波由于其對(duì)小缺陷檢測(cè)具有更高的檢測(cè)靈敏度，因此，本文所述檢測(cè)系統(tǒng)采用周面弦向入射的純橫波脈沖反射式檢測(cè)。

圖3 車軸橫截面尺寸

3.1 檢測(cè)頻率

在軸缺陷檢測(cè)中，為了避免激發(fā)的超聲波在軸內(nèi)部傳播時(shí)產(chǎn)生諧振干涉影響，應(yīng)選取合適的超聲波檢測(cè)頻率，工業(yè)上通常采用的超聲波檢測(cè)頻率范圍為2.5 MHz～10 MHz，壁厚越薄，采用的檢測(cè)頻率應(yīng)該也越高。經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)研究，本文所述搭建的檢測(cè)系統(tǒng)在具體檢測(cè)過程采用的檢測(cè)頻率為5 MHz。

3.2 探頭入射角

為了保證在軸中激發(fā)純橫波檢測(cè)，而且折射橫波的聲軸線應(yīng)能掃查到軸內(nèi)壁，如圖4所示，因此要求入射角α大于第一臨界角，并且有：

或

式中：Cl1為斜楔中縱波聲速，Cs2為軸中橫波聲速，r為軸內(nèi)徑，R為軸外徑。另外設(shè)管材中縱波聲速Cl2，綜合考慮上述兩個(gè)條件可以得出車軸純橫波檢測(cè)時(shí)入射角α的范圍：

根據(jù)選用探頭晶片和小車車軸材質(zhì)，可以計(jì)算得到第一臨界角αi≈27°和第二臨界角為αii≈57°，因此本文選用入射角α=38°的探頭，理論上符合要求。而由式（3）可知，入射角α的變動(dòng)范圍，只有當(dāng)Δα＞＞0時(shí)，車軸才能實(shí)現(xiàn)折射橫波聲軸線掃查到軸內(nèi)壁的純橫波檢測(cè)，此時(shí)有：

式中，t為軸壁厚，D為軸的直徑，即只有軸的尺寸符合式（4）才能進(jìn)行純橫波檢測(cè)，而本文所述探傷小車的軸完全符合要求。

3.3 耦合方式

由于探傷小車所用軸的長(zhǎng)度達(dá)1 620 mm，直徑達(dá)30 mm，若采用水浸法檢測(cè)，則會(huì)導(dǎo)致機(jī)械裝置太大且軸不易轉(zhuǎn)動(dòng)，因此本檢測(cè)系統(tǒng)采用接觸法檢測(cè)。為了保證探頭與軸的良好耦合性，我們將探頭斜楔平底面經(jīng)過加工磨成與軸圓周面吻合的凹圓柱面。

圖4 車軸缺陷純橫波檢測(cè)

3.4 對(duì)比試樣

對(duì)比試塊主要用于檢測(cè)系統(tǒng)的調(diào)試、綜合性能測(cè)試和檢測(cè)過程中的定時(shí)校驗(yàn)，在制作時(shí)采用與實(shí)際探傷小車上的軸具有相同材質(zhì)和尺寸的完好車軸。對(duì)比試塊上的人工缺陷是實(shí)際檢測(cè)時(shí)評(píng)定自然缺陷的依據(jù)。圖5即為對(duì)比試塊的設(shè)計(jì)圖，在上面設(shè)計(jì)了3個(gè)縱向缺陷和3個(gè)橫向缺陷，每種類型的缺陷都包含2個(gè)V形槽和1個(gè)矩形槽，V形槽的夾角為60°。

圖5 對(duì)比試塊

3.5 探傷儀

探傷儀的選擇應(yīng)考慮脈沖反射式多通道或者單通道超聲波探傷儀，性能符合JB/T 10061的規(guī)定，其衰減精度、垂直線性和動(dòng)態(tài)范圍等在檢測(cè)前需校準(zhǔn)合格，重復(fù)評(píng)率和可調(diào)范圍要滿足實(shí)際檢測(cè)需要，還應(yīng)有自動(dòng)報(bào)警或缺陷信號(hào)檢出功能。本文所述檢測(cè)系統(tǒng)采用汕頭超聲電子的CTS-1010型超聲波探傷儀，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 CTS-1010型探傷儀主要指標(biāo)

4 檢測(cè)步驟

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

每次對(duì)軸進(jìn)行檢測(cè)前，檢測(cè)系統(tǒng)都要先在對(duì)比試塊上進(jìn)行調(diào)試，以便設(shè)置合適的參數(shù)和檢測(cè)靈敏度。調(diào)試的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)使對(duì)比試塊上同一個(gè)人工缺陷在圓周方向上不同位置的信號(hào)幅度接近一致。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，確定了實(shí)際檢測(cè)過程中采用的參數(shù)如圖6所示。

圖6 儀器參數(shù)設(shè)置界面

在系統(tǒng)調(diào)試完成后進(jìn)行了系統(tǒng)的周向靈敏度差和內(nèi)外壁靈敏度差測(cè)試，結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測(cè)試時(shí)軸的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和實(shí)際檢測(cè)時(shí)保持一致，圖7顯示了對(duì)比試塊上某缺陷的波形，后續(xù)采用調(diào)試時(shí)確定的檢測(cè)靈敏度開展對(duì)探傷小車車軸的檢測(cè)。

圖7 缺陷波形

4.2 檢測(cè)過程

在對(duì)比試塊上調(diào)試好設(shè)備后，為了檢測(cè)出車軸上的縱向和橫向缺陷，探頭與車軸作圓周移動(dòng)的同時(shí)也做縱向移動(dòng)，即探頭呈螺旋形運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)過程需保持勻速且耦合良好?？紤]到軸中缺陷取向變化可能性，檢測(cè)在軸的兩個(gè)相反方向進(jìn)行，檢測(cè)過程如圖8所示。

圖8 檢測(cè)過程

4.3 結(jié)果評(píng)定

結(jié)果的評(píng)定遵循以下原則：

（1）若軸經(jīng)過檢測(cè)未產(chǎn)生缺陷信號(hào)或者信號(hào)幅度低于預(yù)先設(shè)定的報(bào)警電平，則認(rèn)為檢測(cè)合格。

（2）若產(chǎn)生大于或等于預(yù)先設(shè)定的報(bào)警電平，則認(rèn)為軸可能產(chǎn)生缺陷，此時(shí)應(yīng)在可疑部位反復(fù)試驗(yàn)，確定缺陷存在時(shí)標(biāo)識(shí)位置和大小。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套用于雙軌式鋼軌超聲波探傷儀車軸缺陷的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，通過在對(duì)比試樣上加工一系列缺陷用于確定檢測(cè)靈敏度，然后探傷小車車軸進(jìn)行純橫波接觸式檢測(cè)。經(jīng)在對(duì)比試塊上驗(yàn)證，檢測(cè)系統(tǒng)可以有效檢出小車車軸上的縱向和橫向缺陷，檢測(cè)精度達(dá)到深度不小于0.4 mm、寬度不小于0.8 mm，在現(xiàn)場(chǎng)車軸檢測(cè)時(shí)也能有效檢出自然傷損，對(duì)于探傷小車的安全應(yīng)用起到了非常重要的意義。