宋文濤, 王汝海， 劉 軍

(1.石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河北 石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學(xué)后勤管理服務(wù)中心,河北 石家莊 050043)

殘余應(yīng)力的影響貫穿輪對的全壽命周期。在輪對服役期間，殘余應(yīng)力分布是影響輪對服役狀態(tài)的重要因素。當(dāng)殘余應(yīng)力具有良好的分布時，車輪的疲勞壽命、尺寸穩(wěn)定性以及抗腐蝕能力都有所提高[1-3]。殘余應(yīng)力分布不均會導(dǎo)致應(yīng)力集中，車軸、輪箍處容易發(fā)生彎曲變形，甚至在服役期間發(fā)生斷裂，導(dǎo)致重大事故發(fā)生[4,5]。車輪踏面通常需要做滾壓強(qiáng)化處理以形成表層殘余壓應(yīng)力，然而服役中車輪頻繁制動會使得踏面表層壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變，由此導(dǎo)致疲勞裂紋萌生，產(chǎn)生剝離掉塊和多邊形磨耗等傷損問題[6]。因此，實(shí)現(xiàn)車輪踏面和車軸殘余應(yīng)力的無損檢測，對準(zhǔn)確評估輪對的強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性以及改善其性能具有重要意義。

國內(nèi)外對殘余應(yīng)力的檢測主要分為有損檢測與無損檢測兩種方法[7,8]。有損檢測主要有盲孔法，即在被測件上打上盲孔，以應(yīng)變片為敏感器件來測量。但是應(yīng)變片只能實(shí)現(xiàn)輪對表面殘余應(yīng)力的測量，對于輪對亞表面以下的殘余應(yīng)力層狀態(tài)無法獲得，而且這種方法對輪對造成破壞，檢測之后的輪對無法再次投入使用。無損檢測法主要包括：X射線衍射法、磁性法、中子衍射法及超聲法等[9]。X射線法受測頭尺寸的限制，且需要對車輪表面化學(xué)清洗露出晶格。磁性法受到外界磁場的干擾較大。中子衍射法穿透能力比X射線強(qiáng)得多，理論上可以用來測量輪對踏面深層殘余應(yīng)力值，然而設(shè)備操作復(fù)雜且昂貴，在實(shí)際應(yīng)用中存在許多困難。

超聲波法無損檢測殘余應(yīng)力，精度高，穿透能力較強(qiáng)，從實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場測試的可行性而言，設(shè)備體積小，重量輕，超聲波法測量輪對殘余應(yīng)力無疑是最優(yōu)的。本文依據(jù)聲彈性理論，選用有機(jī)玻璃作為超聲波入射前介質(zhì)，建立超聲應(yīng)力檢測試驗(yàn)系統(tǒng)，利用該試驗(yàn)系統(tǒng)對車輪踏面周向、車軸軸向的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)超聲波法對輪對殘余應(yīng)力分布的快速、準(zhǔn)確檢測。

1 殘余應(yīng)力超聲檢測原理

臨界折射縱波(Lcr波)是縱波以第一臨界角從聲速較慢介質(zhì)入射到較快介質(zhì)時產(chǎn)生的特殊模式縱波，該縱波沿被測件的次表面?zhèn)鞑?，可以測量表層下方一定深度的殘余應(yīng)力值[10,11]。Lcr波近些年主要應(yīng)用于應(yīng)力測量，因其在應(yīng)力測量方面表現(xiàn)出的優(yōu)越性，已經(jīng)在國內(nèi)外受到了廣泛重視。

超聲波法應(yīng)力測試的基本原理為超聲波(通過定制的楔塊)斜入射到界面時，采用一發(fā)一收模式，利用第一臨界角加工出有機(jī)玻璃透聲楔塊，激勵出的超聲Lcr波可檢測工件表面以下寬為W、長為L的三維區(qū)域應(yīng)力值，如圖1所示。

圖1 Lcr波的激勵與被測殘余應(yīng)力區(qū)域

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，縱波沿應(yīng)力方向傳播速度與應(yīng)力之間的關(guān)系[12]：

ρ0v2=λ+2μ+

(1)

式中：v為有應(yīng)力情況下Lcr波的傳播速度；ρ0為被測材料的密度；λ和μ為材料的二階彈性常數(shù)；l和m為三階彈性常數(shù)；σ為應(yīng)力值，正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。

對式(1)兩邊分別求導(dǎo)得出聲速變化量與應(yīng)力變化量之間的關(guān)系，通過轉(zhuǎn)化可得，在固定傳播距離內(nèi)，應(yīng)力與聲時的關(guān)系為[12]：

(2)

式中：K為應(yīng)力系數(shù)；t0為零應(yīng)力條件下Lcr波傳播固定距離所需要的時間。

由式(2)可知，通過精確測量Lcr波傳播的聲時參數(shù)，就可以計(jì)算得到對應(yīng)的應(yīng)力值。

利用臨界折射縱波檢測車輪應(yīng)力，只有超聲波從聲速較低的介質(zhì)傳入聲速較高的介質(zhì)中才能產(chǎn)生臨界折射縱波，縱波在鋼材中的速度為5 929 m/s，需要選用聲速慢的材料作為入射前的介質(zhì)，因超聲波在空氣中傳播的干擾和損耗較大，不能直接從空氣中射入，選擇聲速較小的有機(jī)玻璃作為入射前的介質(zhì)，有機(jī)玻璃聲速為2 730 m/s。根據(jù)Snell定理[13]：

v1sinθ2=v2sinθ1

(3)

式中：v1為有機(jī)玻璃聲速；v2為鋼材聲速；θ1為超聲波入射角；θ2為超聲波折射角，此時為產(chǎn)生Lcr波，取θ2=90°。計(jì)算可得：θ1≈27°，即以有機(jī)玻璃作為入射前的介質(zhì)時超聲波入射角為27°。

此外超聲波收發(fā)換能器間距數(shù)值L需要合理選取，間距太小會增加聲時精確測量的難度，降低檢測分辨率，間距太大又會降低接收到的Lcr波信噪比，使測量結(jié)果不穩(wěn)定。本文綜合考慮車輪踏面、車軸的尺寸與曲率半徑，選擇35 mm作為間距，該數(shù)值反映了應(yīng)力測試平均值的范圍。

2 超聲應(yīng)力檢測系統(tǒng)與原理

超聲應(yīng)力檢測系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括工控機(jī)、超聲收發(fā)卡、超聲換能器、有機(jī)玻璃楔塊；軟件系統(tǒng)是基于C++編譯的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，包括波形采集與顯示、參數(shù)設(shè)置、K值標(biāo)定、應(yīng)力值顯示與云圖生成等功能。

整個系統(tǒng)集成到工業(yè)控制機(jī)中，超聲收發(fā)卡發(fā)出特定電壓信號到發(fā)射換能器，使其發(fā)射2.5 MHz超聲波，通過特定角度的有機(jī)玻璃楔塊，超聲波以Lcr波形式傳播到接收端換能器。接收換能器將超聲信號轉(zhuǎn)換為電壓信號由工控機(jī)采集，進(jìn)而交由軟件系統(tǒng)進(jìn)行信號處理，即對殘余應(yīng)力檢測波形與零應(yīng)力波形進(jìn)行互相關(guān)分析，計(jì)算兩波形的聲時差。在相同的檢測距離內(nèi)，聲時差即反映超聲波的傳播速度，而不同應(yīng)力鋼材下的超聲波傳播速度不同，不同的傳播速度即代表不同的應(yīng)力。

3 材料應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定

試驗(yàn)獲取車輪車軸材質(zhì)的應(yīng)力系數(shù)K值，它反映了該材質(zhì)所受應(yīng)力與聲速的對應(yīng)關(guān)系。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備和參數(shù)說明

電子拉伸機(jī)能夠拉伸的最大噸位為16 t，拉伸試件的材質(zhì)分別取自機(jī)車車輪、車軸，試件尺寸與加工要求滿足《無損檢測 殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測方法》(GB/T 32073-2015)。

3.2 試驗(yàn)過程

將試件放到電子拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，如圖2所示。拉伸時以1 t為梯度，最大加載到9 t，每整噸拉伸時用超聲應(yīng)力檢測系統(tǒng)的K值標(biāo)定模塊進(jìn)行聲時差測量。

圖2 應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

每種試件重復(fù)加載5次，分別得到5組車輪與車軸材質(zhì)應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定數(shù)據(jù)，如表1所示。以拉伸力與試樣橫截面積的比值為施加應(yīng)力，線性擬合聲時差與施加應(yīng)力數(shù)據(jù)，得到方程的斜率倒數(shù)即為應(yīng)力系數(shù)K值，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如圖3所示。

圖3 車輪與車軸材質(zhì)應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 車輪與車軸材質(zhì)應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定重復(fù)加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，車輪應(yīng)力系數(shù)為10.95，車軸的應(yīng)力系數(shù)為10.26。從圖3可看出，車輪材質(zhì)試件的擬合直線較之車軸材質(zhì)偏離零點(diǎn)較多，這可能與試件殘余應(yīng)力消除不徹底有關(guān)，但不影響應(yīng)力系數(shù)K值的標(biāo)定。

4 輪對殘余應(yīng)力超聲檢測

4.1 車軸軸向殘余應(yīng)力檢測

對和諧D3型電力機(jī)車車軸進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測試驗(yàn)，選取車軸與車輪配合的區(qū)域，用砂紙打磨干凈。將檢測區(qū)域分為兩個圓周面，每個圓周面上等間距選取10個點(diǎn)為一組，探頭沿軸向放置。對零應(yīng)力基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定后進(jìn)行各點(diǎn)殘余應(yīng)力檢測，其中兩圓周面的第5點(diǎn)位置都有損傷劃痕，如圖4所示，記錄位置及檢測結(jié)果。

圖4 車軸殘余應(yīng)力檢測試驗(yàn)

車軸軸向殘余應(yīng)力的檢測數(shù)據(jù)如表2所示，表中將第1圓周面的殘余應(yīng)力表示為殘余應(yīng)力1，第2圓周面的殘余應(yīng)力表示為殘余應(yīng)力2。用Matlab軟件進(jìn)行繪圖分析，應(yīng)力分布云圖表征如圖5所示。

表2 車軸軸向殘余應(yīng)力檢測數(shù)據(jù) MPa

圖5 車軸軸向殘余應(yīng)力分布

通過分析檢測結(jié)果可得：①車軸軸向的殘余應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，且均勻分布，壓應(yīng)力值在160 MPa以內(nèi)，這主要是因?yàn)檐囕S加工采取了滾壓方式預(yù)置壓應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化，提高表面抗疲勞強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。②車軸有劃痕位置的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，這是因?yàn)槌暦y試的是表層殘余應(yīng)力，其深度約為一個波長，當(dāng)劃痕較大時候，一方面會引起表面壓應(yīng)力釋放，另一方面會影響超聲波在車軸內(nèi)的傳播路徑。

4.2 車輪踏面周向殘余應(yīng)力檢測

選一踏面未經(jīng)涂油刷漆的車輪，先用砂紙對踏面進(jìn)行打磨以去除銹蝕，露出光潔面。同樣在踏面圓周上選取兩個圓周面，每個圓周面上等間距選取25個點(diǎn)為一組，探頭沿周向放置，如圖6所示。

圖6 輪對踏面周向殘余應(yīng)力檢測

車輪踏面殘余應(yīng)力的檢測數(shù)據(jù)如表3所示，針對各個檢測位置的應(yīng)力值，采用計(jì)算機(jī)線性插值得到踏面應(yīng)力分布云圖表征如圖7所示。

表3 車輪踏面周向殘余應(yīng)力檢測數(shù)據(jù) MPa

圖7 車輪踏面周向殘余應(yīng)力分布

通過分析檢測結(jié)果可得：①車輪踏面周向的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力值在50～320 MPa之間，最大壓應(yīng)力為317.55 MPa，最小壓應(yīng)力為54.75 MPa，該檢測結(jié)果與文獻(xiàn)[14]中研究的輪軌循環(huán)滾動接觸下，鋼軌縱向殘余應(yīng)力分布較為吻合。②從殘余應(yīng)力云圖可看出，車輪踏面殘余應(yīng)力分布顯示出一定的間隔性，應(yīng)力大的區(qū)域和應(yīng)力較小的區(qū)域交替出現(xiàn)。

5 結(jié)束語

(1)依據(jù)聲彈性原理，采用臨界折射縱波對機(jī)車輪對關(guān)鍵部位進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測?？紤]檢測分辨率與信噪比，設(shè)計(jì)的超聲換能器收發(fā)角度為27°，間距為35 mm。

(2)編制K值標(biāo)定模塊對車輪、車軸材質(zhì)試樣進(jìn)行應(yīng)力系數(shù)獲取試驗(yàn)，分別得到車輪應(yīng)力系數(shù)為10.95，車軸的應(yīng)力系數(shù)為10.26。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，聲時差檢測精度在0.5 ns，則殘余應(yīng)力的理論檢測誤差約±5 MPa。

(3)從檢測到的車輪踏面周向、車軸軸向殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)可得，超聲法檢測值符合輪對制造與運(yùn)行過程中殘余應(yīng)力變化的一般規(guī)律。通過應(yīng)力云圖可更直觀反映應(yīng)力集中和分布不規(guī)則的區(qū)域，從而為評估輪對的可靠性提供一定依據(jù)，且超聲波法簡單易行，方便推廣使用。