陳士華 劉仕遠 徐 云 朱 元 金志延

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

0 引言

制動盤是動車組制動部件，分為鍛鋼制動盤和鑄鋼制動盤兩種，其運行速度達到200～300 km/h。隨著列車制動與緩解，制動盤周期性地加熱和冷卻，摩擦面溫度忽而升高忽而降低，在長期交變熱應(yīng)力作用下，制動盤摩擦面會產(chǎn)生深度和長度不等的線狀疲勞裂紋[1]。此種疲勞裂紋屬于從制動盤摩擦面產(chǎn)生的、走向與摩擦面基本垂直的開口性疲勞裂紋。疲勞裂紋達到一定限度就屬于危害性缺陷，應(yīng)對疲勞裂紋長度和深度進行跟蹤測量和記錄，并按照標準對其危害性進行判斷[2]。疲勞裂紋長度可以采用目視加尺子測量，疲勞裂紋深度測量則需要借助儀器。最常用的是疲勞裂紋測深儀，具有測量精度高、結(jié)果可靠的特點。如果現(xiàn)場檢測時沒有疲勞裂紋測深儀，可以在單晶斜探頭端點衍射法、表面波雙探頭測量法基礎(chǔ)上進行改良并形成超聲檢測技術(shù)方案，對摩擦面疲勞裂紋深度進行測量。

1 單晶斜探頭端點衍射法測量缺陷自身高度

1.1 端點衍射法測量缺陷自身高度基本原理

超聲波在介質(zhì)中傳播時，如果遇到某一缺陷，根據(jù)惠更斯-菲涅爾原理，缺陷邊緣可以看作發(fā)射子波的波源，使波的傳播方向改變，圖1所示為衍射波產(chǎn)生示意圖，入射波源入射到缺陷面后，缺陷兩個端點作為新的波源向外發(fā)超聲波(即衍射波)。衍射波被探頭接收后，可以對缺陷端點深度進行測量。

圖1 端點衍射波產(chǎn)生示意圖

1.2 單晶探頭端點衍射法示意圖

制動盤摩擦面疲勞裂紋深度超聲測量的一個特殊情況是：由于兩片摩擦面之間散熱筋的存在，從摩擦面入射的超聲波有時可以正常反射到摩擦面，有時候也會通過散熱筋反射到別的區(qū)域，摩擦面接收不到反射波。因此，制動盤摩擦面疲勞裂紋深度測量時只能采用一次波(直射波)測量疲勞裂紋下端點的衍射波。

端點衍射法測量裂紋深度經(jīng)典做法是采用45°單晶斜探頭，單晶斜探頭端點衍射法測量缺陷自身高度示意圖如圖2所示，裂紋深度為ΔDW。

圖2 單晶探頭端點衍射法測量缺陷自身高度示意圖

1.3 單晶斜探頭端點衍射波法在單體試塊上測試結(jié)果

儀器型號：KW-4C數(shù)字式超聲波探傷儀；探頭規(guī)格：2.5P10×12K1、5P8×8K1；標準試塊：CSK-IA；對比試塊：壁厚22 mm的單體試塊，試塊尺寸150 mm×40 mm×22 mm，線切割槽長度均為40 mm，線切割槽深度為1 mm、3 mm、5 mm、7 mm、10 mm、13 mm、17 mm、21 mm；探頭入射點、前沿長度、折射角測試：在CSK-IA上測試；時基線設(shè)置：按深度設(shè)置，滿量程50 mm；測試方法：一次波端點衍射法；測試靈敏度：噪聲波高度5%～10%。

測試結(jié)果如表1所示。

表1 單晶斜探頭在壁厚22 mm單體試塊上端點衍射法測試結(jié)果 /mm

2 表面波雙探頭法測量裂紋自身高度

2.1 表面波測量裂紋深度基本性質(zhì)

表面波只在物體表面下幾個波長的范圍內(nèi)傳播，當其沿表面?zhèn)鞑サ倪^程中遇到表面裂紋時，表面波的傳播如圖3所示[3]:(1)一部分聲波在裂紋開口處仍以表面波(圖3中的R)的形式被反射，并沿物體表面返回；(2)一部分聲波仍以表面波的形式沿裂紋表面繼續(xù)向前傳播，傳播到裂紋下端點時，部分聲波被反射而返回(圖3中的R)，部分聲波繼續(xù)以表面波的形式沿裂紋表面繼續(xù)向前傳播；(3)一部分聲波在表面轉(zhuǎn)折處或裂紋頂端轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃慰v波(圖3中的L)和變形橫波(圖3中的T)，在物體內(nèi)部傳播。

圖3 表面波傳播到表面裂紋的情況圖

在表面波檢測中，主要利用表面波的上述特點來檢測表面和近表面裂紋。由于該方法測試淺表面裂紋深度需要較高的靈敏度，而較高的靈敏度會導(dǎo)致雜波的出現(xiàn)，使得檢測可靠性受到極大影響，測量效果不好。

2.2 表面波雙探頭法示意圖

制動盤摩擦面疲勞裂紋深度表面波雙探頭法示意圖如圖4所示，將2個相同的表面波探頭垂直于疲勞裂紋相對放置在疲勞裂紋兩側(cè)，T為發(fā)射探頭，R為接收探頭。τ1為部分聲波跨過疲勞裂紋直達接收探頭形成的直通波(試驗中把兩表面波探頭緊密對接在一起，在無疲勞裂紋部位有很強的直通波，但是遇到疲勞裂紋時直通波被疲勞裂紋開口阻斷，此時儀器屏幕上不會出現(xiàn)直通波)，τ2為部分聲波沿著疲勞裂紋下端點傳播到接收探頭形成的回波，τ3為聲波在疲勞裂紋下端點產(chǎn)生變形橫波，垂直傳播到工件背面再返回疲勞裂紋下端點，再轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻娌▊鞑サ浇邮仗筋^形成的波。疲勞裂紋深度h為(τ1τ2—τ1)/2。

圖4 表面波雙探頭測量裂紋深度示意圖

對于制動盤疲勞裂紋深度測量，實際應(yīng)用時最好把2個相同規(guī)格的表面波探頭緊密對接在一起，這樣疲勞裂紋深度可以直接從儀器屏幕上顯示的“L”數(shù)據(jù)讀取。另外，由于制動盤摩擦面疲勞裂紋基本垂直于摩擦面，表面波在疲勞裂紋面上傳播的長度與疲勞裂紋深度相等。

2.3 表面波雙探頭法在單體試塊上的測試結(jié)果

儀器和單體試塊與1.3節(jié)相同。探頭規(guī)格、數(shù)量：5P8×8BM表面波探頭2只；2.5P8×8BM表面波探頭2只；2個表面波探頭前端間距：緊密接觸放置；測試方法：將兩探頭放在疲勞裂紋兩側(cè)并垂直于疲勞裂紋放置，兩探頭連接處與疲勞裂紋位置重合；儀器時基線設(shè)置：按水平設(shè)置；測試靈敏度：以可探測最大深度線切割槽下端點回波80%作為測試靈敏度；測試結(jié)果如表2所示。

表2 表面波雙探頭法在壁厚22 mm單體試塊上的測試結(jié)果 /mm

線切割槽深度為儀器屏幕上“L”顯示的數(shù)值，即為表面波從線切割槽開口處向下端點傳播路程，也就是線切割槽深度。

3 數(shù)據(jù)分析

從表1可以看出，無論是5 MHz還是2.5 MHz的45°單晶斜探頭，在刻槽深度1 mm～5 mm范圍內(nèi)，測試結(jié)果準確度都不能令人滿意，最大誤差達到了2 mm，該區(qū)域這種方式基本不可用；在7 mm～21 mm深度范圍內(nèi)，2.5 MHz的45°單晶斜探頭測試結(jié)果誤差明顯小于5 MHz的45°單晶斜探頭，在該區(qū)域可用2.5 MHz的45°單晶斜探頭進行制動盤摩擦面疲勞裂紋深度測量。

從表2可以看出，對于5P8×8BM表面波探頭，在刻槽深度1 mm～10 mm范圍內(nèi)，最大測試誤差僅為0.1 mm，在該區(qū)域可用于摩擦面疲勞裂紋深度測量；在刻槽深度13 mm～21 mm范圍內(nèi)，如果不提高靈敏度，屏幕上看不到線切割槽下端點回波，也就無法測試出刻槽深度，因此在該區(qū)域不可用于摩擦面疲勞裂紋深度測量；對于2.5P8×8BM表面波探頭，在刻槽深度1 mm～7 mm范圍內(nèi)，1 mm線切割槽無法測出結(jié)果，其余三處線切割槽最大誤差達到0.4 mm，在該區(qū)域不可用于摩擦面疲勞裂紋深度測量；在刻槽深度10 mm～21 mm范圍內(nèi)，最大測試誤差為0.1 mm，因此在該區(qū)域可用于摩擦面疲勞裂紋深度測量。

上述看似不完美的兩種方法，如果取長補短，將不同頻率的表面波雙探頭法組合(構(gòu)成方案A)，或者把表面波雙探頭法和單晶斜探頭端點衍射法組合(構(gòu)成方案B)，則可以完美覆蓋制動盤摩擦面疲勞裂紋深度，兩種組合超探技術(shù)方案如表3所示。

表3 制動盤摩擦面疲勞裂紋深度測量組合超探方案

4 結(jié)論

(1)方案A(不同頻率的表面波雙探頭法組合)和方案B(把表面波雙探頭法和單晶斜探頭端點衍射法組合)兩種超聲檢測方案，均可對深度不小于1 mm的動車制動盤摩擦面的疲勞裂紋深度進行有效檢測。

(2)組合后的制動盤摩擦面疲勞裂紋測深技術(shù)，測試結(jié)果絕對誤差值較小。其中方案A操作更簡單，精度更高，重復(fù)性更好。