輪箍崩裂的探傷方法

輪箍崩裂的探傷方法

輪環(huán)是車輛的主要部件之一。在車輪的制造、安裝和使用過(guò)程中，經(jīng)常存在一些缺陷，如金屬腐敗和疲勞缺陷。這些缺陷的發(fā)生和發(fā)展,極大地威脅著機(jī)車的運(yùn)用安全。為消除輪箍缺陷帶來(lái)的安全隱患,機(jī)務(wù)部門近年來(lái)投入了大量人力、物力和財(cái)力開(kāi)展輪箍探傷,除規(guī)定在輪箍新造、組裝和機(jī)車大修、中修時(shí)要進(jìn)行探傷外,還要求在指定的小修、歷年的整修和機(jī)車鑒定時(shí)進(jìn)行探傷普查。目前采用的探傷法為縱波法,即用縱波直探頭或雙晶探頭從輪箍踏面、內(nèi)側(cè)面和內(nèi)徑面進(jìn)行探傷,掃查范圍須使聲波覆蓋整個(gè)輪箍?？v波探傷法有一定的局限性。首先是對(duì)徑向缺陷的檢測(cè)靈敏度低,而徑向缺陷恰恰是可能導(dǎo)致輪箍崩裂的致命缺陷;其次是操作過(guò)于復(fù)雜,尤其是在機(jī)車不解體的情況下,要對(duì)輪箍進(jìn)行全面掃查更是困難。由于輪箍大部分被其他部件所遮蓋,因而探傷只能分段進(jìn)行,即一邊動(dòng)車一邊探傷,有時(shí)1臺(tái)車須經(jīng)多次移動(dòng)方能完成探傷作業(yè),用時(shí)3～4h。不僅作業(yè)條件惡劣,而且也很不安全。1998年4月起,昆明機(jī)務(wù)段新配屬的SS7電力機(jī)車陸續(xù)發(fā)生輪箍崩裂10余次。導(dǎo)致輪箍崩裂的缺陷多發(fā)生在制造標(biāo)記處,呈平面狀,沿徑向迅速發(fā)展。從組裝到崩裂,走行最少的僅19324km,最多的也不過(guò)20萬(wàn)km左右。昆明機(jī)務(wù)段曾采用縱波法進(jìn)行過(guò)多次探傷檢查,投入很大,但收效甚微。本文研究的超聲橫波探傷法,可在機(jī)車不解體情況下,對(duì)輪箍進(jìn)行不動(dòng)車探傷。實(shí)踐證明,該法能有效快速地檢測(cè)輪箍徑向及其他缺陷,是一種新的輪箍探傷方法。1輪再波聲程的檢測(cè)在不動(dòng)車的情況下對(duì)輪箍進(jìn)行探傷,使用的是超聲橫波(一般折射角大于62°)。聲波在輪箍中傳播時(shí),會(huì)因圓周界面的制約而產(chǎn)生多次反射,沿圖1所示的折線方向傳播。探頭不動(dòng)時(shí),聲波軸線的路徑是幾段折線;探頭掃查時(shí),相當(dāng)于聲波圍繞輪箍圓心旋轉(zhuǎn)。聲波軸線檢測(cè)到的實(shí)際上是踏面下一層連續(xù)的殼層,其厚度為一次聲程的弦高h(yuǎn)0。這種方法的顯著特點(diǎn)之一是聲波只入射到具有聚焦作用的外圓凹面上,因而沒(méi)有發(fā)散損失,傳播距離大大增加,一般4次以上聲程仍有足夠高的探傷靈敏度,并且探頭只需在1個(gè)跨度內(nèi)掃查,就可實(shí)現(xiàn)對(duì)輪箍的全部檢測(cè)。從文獻(xiàn)得出如下結(jié)論。(1)1個(gè)跨距或1次反射波的聲程(弦長(zhǎng))W、跨度弧長(zhǎng)L0ue150ue151ue154L0?和最大檢測(cè)深度h0為:W=2RcosβL0ue150ue151ue154=90?β90?πRh0=R(1?sinβ)W=2RcosβL0?=90-β90?πRh0=R(1-sinβ)式中β——折射角,(°);R——輪箍外圓半徑,mm。(2)輪箍中的缺陷F在1個(gè)跨度內(nèi)能夠兩次被檢測(cè)到(見(jiàn)圖2中的A、B兩點(diǎn)),其聲程S1和S2分別為:式中X——缺陷F至圓心O的距離,mm?？梢?jiàn),S1、S2之和等于一次反射波聲程W。(3)設(shè)缺陷為一徑向小平面?zhèn)?聲波在缺陷上對(duì)應(yīng)聲程S1、S2的入射角α1和α2:α1=90°-(β+θ1)α2=-[90°-(β+θ2)]式中θ1——聲程S1對(duì)應(yīng)的圓心角,(°);θ2——聲程S2對(duì)應(yīng)的圓心角,(°)。當(dāng)聲波與缺陷垂直時(shí),入射角為0°,β+θ=90°,A、B兩點(diǎn)重合,此時(shí)缺陷處于一次聲程的中點(diǎn)。如果缺陷已擴(kuò)展到圓周表面,且下端點(diǎn)剛好處于h0處,則A、B兩處探頭掃查范圍重合,聲波在缺陷上的入射角從(90°-β)逐漸變小到0°,然后再逐漸變大直到(90°-β),在整個(gè)掃查過(guò)程中,入射角在±(90°-β)之間變化。(4)聲波在圓周面上反射后,會(huì)產(chǎn)生類似聚焦作用的匯聚現(xiàn)象,如圖3所示的匯聚點(diǎn)M。2車輪連接缺陷的探測(cè)試驗(yàn)2.1試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果試驗(yàn)采用電力機(jī)車輪箍(厚85mm),在其外側(cè)距踏面40mm處鉆一ue001φ3mm×25mm橫孔,使用不同角度的橫波探頭在不同聲程上對(duì)該孔進(jìn)行檢測(cè),圖4、圖5所示為采用(62°+67.5°+74°)組合探頭和67°單晶片探頭檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)曲線。以上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并非全由主聲束測(cè)得。由于輪箍材質(zhì)的衰減和多次反射波的損失均疊加在試驗(yàn)數(shù)據(jù)上,故試驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差。盡管如此,人工橫孔試驗(yàn)仍能定性地說(shuō)明以下3點(diǎn)。(1)反射波具有明顯的聚焦效果圖4、圖5中曲線的多個(gè)峰值,實(shí)際上對(duì)應(yīng)著聲波多次反射時(shí)的多次聚焦。(2)中毒的敏感性很高在1700mm左右聲程處檢測(cè)ue001φ3mm×25mm人工橫孔,反射波高仍具有20dB以上的余量。(3)聲音場(chǎng)的面積是很大的在1個(gè)跨度掃查范圍內(nèi)幾乎可以檢測(cè)到輪箍的所有位置,說(shuō)明橫波探傷法的檢測(cè)能力很強(qiáng)。2.2徑向平面缺陷為研究徑向平面缺陷的反射規(guī)律,對(duì)如下3種徑向平面缺陷進(jìn)行了試驗(yàn)。(1)單調(diào)乏味在厚80mm的輪箍上,沿制造標(biāo)記字號(hào)“甲”的豎筆劃人工鏟出一深約8mm、面積接近100mm2的平面狀缺陷,以模擬字號(hào)處的裂紋。(2)車輪蓋的圓的徑向裂紋輪箍厚84mm,自然裂紋位于輪箍外側(cè)字頭處,沿徑向發(fā)展,長(zhǎng)約25mm。(3)人工橫孔與自然徑向裂紋輪箍厚84mm,自然裂紋位于輪箍?jī)?nèi)側(cè)靠近內(nèi)圓處,沿徑向發(fā)展,長(zhǎng)度約40mm。用上述組合探頭和單晶片探頭對(duì)該3種缺陷進(jìn)行檢測(cè),得到了與人工橫孔相類似的反射規(guī)律。圖6、圖7所示為平面人工缺陷和自然徑向裂紋在儀器處于補(bǔ)償狀態(tài)下用組合探頭(62°+67.5°+74°)檢測(cè)的試驗(yàn)曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于平面狀自然徑向裂紋,橫波探傷法具有很高的檢測(cè)靈敏度,與人工橫孔相比平面狀缺陷在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)聲波擴(kuò)散得相對(duì)快一些。使用組合探頭探傷,輪箍?jī)?nèi)聲場(chǎng)范圍很寬,到處充滿聲波。因此當(dāng)探頭掃查1個(gè)跨度時(shí),任何一條徑向缺陷,不論處于什么部位,總會(huì)有一束聲波與其相垂直。2.3反射波的法線與徑向夾角輪箍疲勞缺陷,除了周向和徑向裂紋外,還經(jīng)常出現(xiàn)與徑向成一定角度的斜裂紋,橫波探傷法對(duì)斜裂紋同樣具有很強(qiáng)的檢測(cè)力。如上所述,探頭在輪箍踏面上掃查時(shí),聲波在裂紋上的入射角會(huì)發(fā)生變化,最大變化范圍為±(90°-β)。因此,對(duì)于靠近踏面的某一平面狀缺陷,即使其有±(90°-β)的傾角,也總對(duì)應(yīng)一個(gè)聲波垂直入射的掃查位置。對(duì)于傾斜45°的缺陷(裂紋),其法線與徑向夾角也為45°。當(dāng)一束與徑向垂直的聲波以45°入射到缺陷上并以45°反射后,剛好沿著半徑方向傳播,經(jīng)輪箍外圓或內(nèi)圓反射后沿原路返回,如圖8所示。不同的是,聲波在內(nèi)圓面上反射后,會(huì)有一定程度的發(fā)散,反射波波高相對(duì)要低一些。對(duì)于傾斜45°±Δ的裂紋(Δ=(90°-β)/2),其法線與徑向夾角為45°?Δ。當(dāng)一束與裂紋處徑向成90°±2Δ的聲波以45°?Δ入射裂紋,并以45°?Δ反射后,剛好沿徑向傳播(圖8),同樣經(jīng)輪箍?jī)?nèi)圓或外圓面的反射,聲波也會(huì)沿原路返回。當(dāng)使用組合探頭(62°+67.5°+74°)時(shí),有效聲場(chǎng)下限可達(dá)60°,此時(shí)Δ=15°。對(duì)于靠近輪箍踏面的缺陷,傾角在(-30°,30°)之間時(shí),聲波可直接垂直反射;傾角在(45°-15°,45°+15°)之間時(shí),聲波可借助輪箍?jī)?nèi)、外圓面間接垂直反射?？傊?裂紋傾角在(-60°,60°)之間變化時(shí),聲波均可按原路返回。如果能在輪箍上選擇相距180°的兩處進(jìn)行掃查,還可避免輪箍?jī)?nèi)圓反射時(shí)的發(fā)散損失,探傷效果會(huì)更好。3臂橫軸操作的要點(diǎn)和應(yīng)用3.1任務(wù)要點(diǎn)3.1.1高靈敏度輪箍外形相對(duì)簡(jiǎn)單,探傷時(shí)干擾信號(hào)較少,因此,掃查時(shí)可提高儀器靈敏度,以便發(fā)現(xiàn)缺陷。3.1.2次聲程內(nèi)檢測(cè)由于反射時(shí)的聚焦作用,遠(yuǎn)場(chǎng)的缺陷反射波幅度衰減不大,因此可在不動(dòng)車的情況下用多次聲程對(duì)輪箍進(jìn)行檢測(cè)。但若對(duì)缺陷的徑向位置和大小進(jìn)行精確測(cè)定,則最好在一次聲程內(nèi)進(jìn)行。因此,應(yīng)將多次聲程掃查和一次聲程核查結(jié)合起來(lái)進(jìn)行探傷。3.1.3組合接頭使用為提高探傷效率和對(duì)不同傾角裂紋的檢測(cè)能力,應(yīng)盡量使用寬聲束組合探頭,且其角度下限盡量小一些。另外,為便于觀察屏幕和兼顧不同位置缺陷的檢測(cè),應(yīng)使用帶有距離補(bǔ)償?shù)奶絺麅x。3.1.4聲束覆蓋輪重掃查部位、掃查方向和掃查范圍的選擇,應(yīng)能確保聲束覆蓋全部輪箍。一般掃查范圍不小于1個(gè)跨度,如果條件允許,最好選取相距半周的兩處進(jìn)行掃查,以提高斜裂紋的檢測(cè)靈敏度。3.2輪再探傷技術(shù)的應(yīng)用昆明機(jī)務(wù)段將橫波探傷法應(yīng)用在裝車輪箍上,取得了很好的效果。2000年以來(lái),該段對(duì)配屬的全部機(jī)車做過(guò)9次以上的探傷普查,每臺(tái)機(jī)車用時(shí)僅20～25min,提高工效近10倍,先后發(fā)現(xiàn)有較大裂紋的輪箍13件,及時(shí)進(jìn)行了更換,有效地遏止了機(jī)車輪箍在運(yùn)用中崩裂故障的發(fā)生,充分證明了輪箍橫波探傷技術(shù)的可靠性和有效性。4輪再探傷的檢測(cè)能力(1)用超