李兵祖，趙 波，王 禎，李 曦，溫嬌玲

(1.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000； 2.北京主導(dǎo)時(shí)代科技有限公司，北京 100070)

0 引言

隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸向高速、重載以及軌道結(jié)構(gòu)重型化方向發(fā)展，大型養(yǎng)路機(jī)械已經(jīng)成為鐵路線路維修的重要施工設(shè)備，在改善線路質(zhì)量、提速擴(kuò)能和保證行車安全等方面發(fā)揮著日益重要的作用。

車軸作為大型養(yǎng)路機(jī)械走行部的重要配件，使用工況惡劣，長(zhǎng)期在復(fù)雜的交變應(yīng)力條件下使用，其質(zhì)量好壞與鐵路運(yùn)輸安全密切相關(guān)。因此要在大型養(yǎng)路機(jī)械車軸疲勞區(qū)域進(jìn)行超聲波檢測(cè)，以便發(fā)現(xiàn)車軸是否產(chǎn)生疲勞裂紋及其發(fā)展情況，及時(shí)掌握車軸狀態(tài)并采取措施，確保鐵路行車安全。大型養(yǎng)路機(jī)械車車軸具有車型多、軸型雜的特點(diǎn)，目前主要以常規(guī)六通道超聲波探傷儀段為主要檢測(cè)手段，對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械車軸探傷，但既有檢測(cè)手段存在以下問(wèn)題(見(jiàn)圖1)：不同車軸須頻繁更換探頭，軸型適應(yīng)性低；檢測(cè)結(jié)果不直觀，探傷工難以識(shí)別缺陷；檢測(cè)結(jié)果依賴人工經(jīng)驗(yàn)，智能化程度低；無(wú)法滿足庫(kù)外檢測(cè)需求。

本文針對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械實(shí)心車軸檢修作業(yè)自動(dòng)化探傷需求，采用相控陣超聲波、多通道數(shù)據(jù)分析、電磁吸合等技術(shù)，研發(fā)了一種自適應(yīng)不同軸型、自動(dòng)化檢測(cè)、智能化判傷、直觀化線上、兼容庫(kù)內(nèi)及室外不同工況的相控陣大型養(yǎng)路機(jī)械車實(shí)心車軸探傷裝置(以下簡(jiǎn)稱：大機(jī)車軸相控陣探傷裝置)，為大型養(yǎng)路機(jī)械檢修作業(yè)提供更加高效、快捷、智能的檢測(cè)手段，提高檢測(cè)作業(yè)效率，減少人力管理成本，降低安全管理壓力，實(shí)現(xiàn)大型養(yǎng)路機(jī)械車車軸探傷作業(yè)自動(dòng)化、智能化及高效化，保障大型養(yǎng)路機(jī)械車行車安全。

1 大機(jī)實(shí)心車軸自動(dòng)探傷新技術(shù)探索

1.1 相控陣超聲技術(shù)

常規(guī)超聲波檢測(cè)通常采用一個(gè)壓電晶片來(lái)產(chǎn)生超聲波，并通過(guò)角度楔塊實(shí)現(xiàn)波束的偏轉(zhuǎn)(見(jiàn)圖3～6)，且只能產(chǎn)生一個(gè)固定的波束，其波形是預(yù)先設(shè)計(jì)且不能更改的。

圖1 常規(guī)超聲探頭波束控制發(fā)射與接收

相控陣超聲波探頭是由多個(gè)小的壓電晶片按照一定規(guī)律分布排列，形成陣列探頭(見(jiàn)圖2)。其中每個(gè)壓電晶片可獨(dú)立工作，然后逐次按預(yù)先規(guī)定的延遲時(shí)間激發(fā)各個(gè)晶片，所有晶片發(fā)射的超聲波相互干涉疊加形成一個(gè)整體波陣面。通過(guò)改變激勵(lì)各個(gè)陣元的延遲時(shí)間可靈活有效地控制陣列主波束的偏轉(zhuǎn)方向、聚焦位置和焦點(diǎn)尺寸等[1]。

圖2 相控陣超聲探頭波束控制發(fā)射與接收

與傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)技術(shù)相比，相控陣超聲探傷技術(shù)具有2個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，即超聲波束的方向可控以及超聲波束的聚焦可控。除此之外，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)還具有檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)效率高、檢測(cè)結(jié)果直觀可視化、通過(guò)聲束偏轉(zhuǎn)增大聲場(chǎng)覆蓋性等優(yōu)勢(shì)。

圖3 無(wú)時(shí)間延遲 圖4 偏轉(zhuǎn)+聚焦

圖5 聚焦 圖6 偏轉(zhuǎn)

1.2 車軸相控陣檢測(cè)原理

現(xiàn)有的大型養(yǎng)路機(jī)械實(shí)心車軸檢測(cè)在不退輪芯的情況下，多采用超聲波檢測(cè)的方法，從車軸兩端面對(duì)軸頸、防塵板座、軸身和輪座及齒輪箱座鑲?cè)氩康热S外圓面橫向裂紋進(jìn)行超聲波探傷檢查。

車軸相控陣檢測(cè)原理是在車軸端面適當(dāng)?shù)奈恢锰幏胖孟嗫仃囂筋^，通過(guò)設(shè)置多組不同角度的超聲波束覆蓋實(shí)心車軸關(guān)鍵部位的檢測(cè)，同時(shí)將相控陣探頭相對(duì)軸中心孔旋轉(zhuǎn)移動(dòng)一周，實(shí)現(xiàn)對(duì)車軸360°全周向掃查。

大型養(yǎng)路機(jī)械實(shí)心車軸軸型種類多且軸徑變化范圍大，而查器探頭位置需要考慮2個(gè)因素：第一，探頭晶片避開(kāi)軸端螺栓孔遮擋，保證最大超聲能量入射到軸內(nèi)部檢測(cè)；第二，相控陣探頭超聲入射點(diǎn)往軸端面邊緣處靠攏，最大限度減少輪座外側(cè)檢測(cè)盲區(qū)。根據(jù)以上原則，通過(guò)大量的聲場(chǎng)放樣確定掃查器相控陣探頭距離軸端面中心位置分布情況，仿真放樣結(jié)果如圖7所示。

(a)DC-32 120 mm實(shí)心軸聲場(chǎng)放樣示意圖

(b)SPZ350 130 mm實(shí)心車軸聲場(chǎng)放樣示意圖

(c)CDC-16 140 mm實(shí)心車軸聲場(chǎng)放樣示意圖

(d)QS-650×150 mm實(shí)心車軸聲場(chǎng)放樣示意圖

(e)YHG-1 200×160 mm實(shí)心車軸聲場(chǎng)放樣示意圖

1.3 基于相控陣技術(shù)的車軸探傷仿真研究

超聲檢測(cè)工藝包括探頭參數(shù)的設(shè)計(jì)和檢測(cè)參數(shù)配置的確定，而從經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本上考慮﹐使用所有探頭來(lái)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證是不現(xiàn)實(shí)的，因此采用模擬仿真軟件來(lái)進(jìn)行檢測(cè)仿真、確定工藝并最終進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證[3]。本文使用CIVA聲學(xué)仿真軟件，通過(guò)模擬樣板軸上真實(shí)缺陷分布及當(dāng)量大小驗(yàn)證相控陣超聲探頭參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性以及對(duì)于傷損的檢出能力；另一方面通過(guò)減小缺陷當(dāng)量來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)于1 mm深刻槽的檢出能力。

1.3.1 CDC-16 1、2驅(qū)動(dòng)軸仿真

在無(wú)損檢測(cè)中實(shí)物試塊用來(lái)確保檢測(cè)結(jié)果更加精確，評(píng)判缺陷更加方便，是根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工況，而設(shè)計(jì)的試塊，是調(diào)節(jié)探傷靈敏度、評(píng)定缺陷當(dāng)量大小的依據(jù)[4]。大型養(yǎng)路機(jī)械實(shí)心車軸半軸試塊在車軸軸徑過(guò)渡圓弧處、輪座內(nèi)外側(cè)、軸身和齒輪座內(nèi)外側(cè)分別設(shè)計(jì)了不同深度的環(huán)形刻槽缺陷，用以方便探傷靈敏度標(biāo)定，加快檢測(cè)速度，提高檢測(cè)精度。缺陷設(shè)計(jì)原理圖及缺陷當(dāng)量大小如圖8所示。

圖8 半軸試塊原理圖

CIVA仿真實(shí)心車軸傷損設(shè)計(jì)參照半軸試塊人工缺陷分布及當(dāng)量設(shè)計(jì)。以CDC-16 1、2驅(qū)動(dòng)軸工件為例子進(jìn)行模擬仿真，缺陷設(shè)計(jì)如下：軸徑過(guò)渡圓弧處裂紋設(shè)置于軸徑，距離軸端距離176 mm，環(huán)形刻槽缺陷深度1.5 mm(見(jiàn)圖9)；輪座處裂紋于輪座外側(cè)和內(nèi)側(cè)，距離軸端距離分別為289 mm和414 mm，環(huán)形刻槽缺陷深度分別為2.0 mm和3.0 mm(見(jiàn)圖10)；軸身處裂紋于輪座和齒輪座之間，距離軸端距離為530 mm，環(huán)形刻槽缺陷深度為4.0 mm；齒輪座處裂紋于輪座外側(cè)和內(nèi)側(cè)，距離軸端距離分別為1 004 mm和1 074 mm，環(huán)形刻槽缺陷深度為5.0 mm(見(jiàn)圖12～13)。

相控陣探頭位于軸端中心孔和螺栓孔之間，頻率5 MHz，陣元數(shù)量32，陣元間距為0.6 mm。檢測(cè)的角度為0°～20°，正向旋轉(zhuǎn)移動(dòng)一周。以樣板軸上距離軸端距離176 mm，環(huán)形刻槽缺陷深度1.5 mm的軸徑缺陷反射波幅計(jì)為0 dB，各位置缺陷反射波幅如圖9～13所示。

圖9 CDC-16 1、2驅(qū)動(dòng)軸軸徑缺陷檢測(cè)

圖10 CDC-16 1、2驅(qū)動(dòng)軸軸輪座內(nèi)側(cè)缺陷檢測(cè)

圖11 CDC-16 1、2驅(qū)動(dòng)軸軸身缺陷檢測(cè)

圖12 CDC-16 1、2驅(qū)動(dòng)軸齒輪座外側(cè)缺陷檢測(cè)

圖13 CDC-16 1、2驅(qū)動(dòng)軸齒輪座內(nèi)側(cè)缺陷檢測(cè)

基于CIVA軟件仿真計(jì)算CDC-16 1、2驅(qū)動(dòng)軸聲束傳播和聲束與裂紋缺陷之間的相互作用結(jié)果表明，利用相控陣探頭的方式進(jìn)行實(shí)心軸軸身缺陷檢查，能有效檢出軸徑、輪座內(nèi)外側(cè)、軸身和齒輪座內(nèi)外側(cè)等不同距離位置、尺寸的缺陷。

1.3.2 YHG-1200X驅(qū)動(dòng)軸仿真

為了驗(yàn)證相控陣超聲檢測(cè)實(shí)心車軸遠(yuǎn)距離1 mm深環(huán)形刻槽缺陷能力，以YHG-1200X軸為例(見(jiàn)圖14)，分別在軸身597 mm處(見(jiàn)圖15)和齒輪座外側(cè)1 032 mm處(見(jiàn)圖16)布置深度為1.0 mm和2.0 mm環(huán)形刻槽缺陷。相控陣探頭位于軸端中心孔和螺栓孔之間，頻率5 MHz，陣元數(shù)量32，陣元間距為0.6 mm。檢測(cè)的角度為0～20°，正向旋轉(zhuǎn)移動(dòng)一周。

圖14 YHG-1200X軸位置缺陷反射波幅

圖15 YHG-1200X軸身裂紋檢測(cè)

圖16 YHG-1200X軸齒輪座外側(cè)裂紋檢測(cè)

仿真結(jié)果如下：相控陣超聲對(duì)于實(shí)心車軸遠(yuǎn)距離1.0 mm深表面裂紋依舊具有很強(qiáng)的檢出能力。但位于車軸中心附近位置的1.0 mm環(huán)形刻槽缺陷仿真檢測(cè)靈敏度較軸徑處1.5 mm環(huán)形刻槽缺陷檢測(cè)靈敏度有9 dB左右下降。而軸身中央?yún)^(qū)域2.0 mm深表面裂紋檢出靈敏度較軸徑1.0 mm深表面裂紋檢測(cè)靈敏度只下降了1.8 dB，可以正常檢出。

1.4 實(shí)心車軸樣板軸相控陣檢測(cè)測(cè)試

利用樣板車軸具有車軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜缺陷數(shù)量多、尺寸小、聲程遠(yuǎn)等特點(diǎn)，將相控陣超聲探頭放置于軸端中心孔與螺栓孔之間區(qū)域，檢測(cè)該樣板軸I端所有缺陷。通過(guò)對(duì)樣板軸的手工測(cè)試(見(jiàn)圖17)，樣板軸上20個(gè)缺陷全部檢出，且透聲性能良好，驗(yàn)證了相控陣超聲波探頭的布局及檢測(cè)能力。

圖17 樣板軸缺陷相控陣檢測(cè)驗(yàn)證

2 設(shè)備組成及功能

2.1 設(shè)備組成

大機(jī)車軸相控陣探傷裝置由移動(dòng)式小車平臺(tái)、便攜式主機(jī)和掃查器(見(jiàn)圖18)組成，其中移動(dòng)式小車(見(jiàn)圖19)主要由小車驅(qū)動(dòng)裝置、小車運(yùn)動(dòng)控制器、供電電源、報(bào)警指示燈組成；便攜式主機(jī)包括超聲主機(jī)、掃擦器控制器、電源模塊、超聲航插等組成；掃查器主要由相控陣超聲波探頭和電磁自動(dòng)吸合單元、掃查器吸合復(fù)位按鈕燈組成。

圖18 掃查器 圖19 移動(dòng)式小車平臺(tái)

2.2 設(shè)備功能

1)在線全自動(dòng)檢測(cè)實(shí)心車軸缺陷，無(wú)需拆解輪對(duì)，無(wú)需更換探頭。

2)電動(dòng)檢測(cè)小車平臺(tái)，滿足庫(kù)內(nèi)檢測(cè)工況。

3)相控陣超聲全覆蓋掃查、檢測(cè)效率高，兼容性好。

4)探頭載體轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向可調(diào)。

5)具備A掃、B掃、車軸展開(kāi)圖等多視圖自動(dòng)關(guān)聯(lián)顯示、存儲(chǔ)及回放功能。

6)自動(dòng)生成缺陷檢測(cè)報(bào)告，自動(dòng)繪制缺陷分布圖。

7)掃查器自動(dòng)貼合軸端面，探頭夾具自適應(yīng)耦合。

8)檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、對(duì)比、打印以及數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)管理功能。

3 大型養(yǎng)路機(jī)械車軸探傷應(yīng)用實(shí)踐

3.1 樣板軸探傷應(yīng)用效果

大機(jī)車軸相控陣探傷裝置對(duì)常見(jiàn)的DCL32、DWL48(見(jiàn)圖20)、CDC16、WD320、DCL32、WY100III(見(jiàn)圖21)等大型養(yǎng)路機(jī)械實(shí)心車軸開(kāi)展了樣板軸測(cè)試，各樣板軸缺陷全部正常檢出，無(wú)漏檢，且缺陷檢測(cè)信噪比均大于12 dB，充分驗(yàn)證了設(shè)備超聲探測(cè)實(shí)心軸領(lǐng)域內(nèi)的種類覆蓋范圍、缺陷檢測(cè)能力等設(shè)備性能。

圖20 DCL32-1/2、DWL48兩種半軸試塊測(cè)試結(jié)果

圖21 WD320、WY100III兩種半軸試塊測(cè)試結(jié)果

3.2 實(shí)車車軸探傷應(yīng)用效果

設(shè)備在大型養(yǎng)路機(jī)械段現(xiàn)場(chǎng)已累計(jì)檢測(cè)DCL-32、WD320、CDC16、WY100III、DC32(見(jiàn)圖22～23)等實(shí)心軸20余種996批次，設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性、超聲覆蓋范圍、缺陷檢測(cè)能力、探傷效率等得到現(xiàn)場(chǎng)充分的驗(yàn)證。

圖22 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)大型養(yǎng)路機(jī)械實(shí)心車軸案例

圖23 DC32、WD320實(shí)心車軸探傷效果

4 結(jié)語(yǔ)

大機(jī)車軸相控陣探傷裝置采用相控陣超聲探頭布局，設(shè)備自動(dòng)化程度高、性能穩(wěn)定、超聲覆蓋范圍廣，檢測(cè)能力優(yōu)于鐵路既有探傷規(guī)程的要求，可避免手工探傷帶來(lái)的漏檢、漏判，設(shè)備相較于當(dāng)前手工探傷具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。