既有線車輛用空心車軸探傷裝置的開(kāi)發(fā)

既有線車輛用空心車軸探傷裝置的開(kāi)發(fā)

1空心車軸的生產(chǎn)制備為了防止鐵路車輛結(jié)構(gòu)部件的損壞，鐵路部門按照一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了各種零件的檢查。特別是車軸的折斷,由于很可能導(dǎo)致重大事故,因此,必須每隔一定的周期實(shí)施檢查。新干線電動(dòng)車用車軸應(yīng)用于1992年投入運(yùn)營(yíng)的300系以后制造的車輛上,基于減輕車輛簧下質(zhì)量的目的,沿軸向?qū)囕S進(jìn)行《60mm的鏜孔加工,制成空心車軸。如圖1所示,由鏜孔的內(nèi)表面,用斜角探傷法實(shí)施自動(dòng)探傷。另一方面,既有線車輛的車軸雖然也有使用鏜孔直徑《60mm的空心車軸的實(shí)例,例如,JR北海道公司183系內(nèi)燃動(dòng)車組,JR四國(guó)公司200系內(nèi)燃動(dòng)車組等車型,但是,大部分內(nèi)燃動(dòng)車組使用實(shí)心車軸。近年來(lái),既有線車輛的檢查要求進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、省力化。如能在輪對(duì)組裝狀態(tài)下檢測(cè)車軸的微細(xì)裂紋,則取下車輪等配合零部件,或者落輪后實(shí)施的磁粉探傷的部分檢查就可省略,從而實(shí)現(xiàn)車軸檢查作業(yè)的高效化。檢查車軸的微細(xì)裂紋的方法有利用表面SH波的方法。但是,為傳播超聲波,需要高粘度的接觸介質(zhì),有難以實(shí)際應(yīng)用的困難。因此,在新干線電車動(dòng)上已有10a以上應(yīng)用實(shí)績(jī)的空心車軸基礎(chǔ)上,研制成功可用于既有線車輛的空心車軸及其超聲波探傷裝置。下面將介紹關(guān)于用該探傷裝置,對(duì)試制的空心車軸進(jìn)行探傷的結(jié)果。2車軸表面折射角局部探傷法目前,既有線車輛用實(shí)心車軸的超聲波探傷,組合實(shí)施有垂直探傷方法、局部探傷法、及斜角探傷法(見(jiàn)圖2)。垂直探傷法是將探頭與車軸兩端面接觸,沿車軸平行地(垂直于軸端面)射入超聲波而進(jìn)行探傷的方法。但是,如同像輪座外側(cè)輪轂部位那樣,超聲波不能到達(dá)的地方,就不能進(jìn)行探傷。此外,由于超聲波的擴(kuò)散與衰減,使車軸中央平行部位的深度達(dá)10mm以上的裂紋,有時(shí)也難于檢測(cè)出來(lái)。至于局部探傷法(縱波斜角探傷法)是針對(duì)軸頸部、輪座內(nèi)側(cè)輪轂部、齒輪座、中央平行部及輪座外側(cè)輪轂部等各個(gè)部位進(jìn)行探傷的方法,探傷作業(yè)時(shí)在探頭與車軸端面之間安裝適當(dāng)角度的楔子(材質(zhì)為丙烯等),利用折射角幾度至十幾度的縱波進(jìn)行局部探傷。圖2為同時(shí)對(duì)輪座內(nèi)側(cè)輪轂部位探傷的情形。局部探傷法與垂直探傷法相比,前者能檢測(cè)出淺一些的裂紋,但是,局部探傷法比下述的斜角探傷法的波束路程(到達(dá)超聲波的反射源的傳播距離)長(zhǎng),探傷精度有限度。在部分既有線車輛工廠,還在引進(jìn)利用局部探傷法的實(shí)心車軸用自動(dòng)探傷裝置。斜角探傷法是利用大于局部探傷法的折射角(通常為37°～55°),從車軸表面入射橫波,是對(duì)于非入射超聲波側(cè)的車軸表面實(shí)施探傷,該法比垂直探傷法及局部探傷法的波束路程短,由于采用了短波長(zhǎng)的橫波,故探傷精度高。但是,因探頭不能掃描車輪、制動(dòng)盤、齒輪等配合部位,所以,為了從沒(méi)有這類配合件、沒(méi)有階梯差的車軸表面入射超聲波,就需要各種折射角的探頭。如上所述,既有線車輛用實(shí)心車軸的各種探傷法各有優(yōu)、缺點(diǎn),為了從根本上提高探傷作業(yè)效率及探傷精度,必須與新干線電動(dòng)車用車軸一樣,研究在既有線車輛中引進(jìn)空心車軸的探傷方法。3適當(dāng)降低車軸的彎曲應(yīng)力,保證車軸與軸承的配合面大部分既有線車輛用車軸的軸頸直徑是110mm或120mm。在新干線電動(dòng)車輛用車軸中有應(yīng)用實(shí)績(jī),并將軸頸直徑110mm的車軸沿軸向?qū)嵤?0mm鏜孔加工時(shí),軸頸部的彎曲應(yīng)力與實(shí)心車軸相比較為1.1倍左右,并無(wú)大的問(wèn)題。但是,由于車軸整體的剛度降低導(dǎo)致軸頸部的撓曲及撓角增大。因此,隨著車軸的旋轉(zhuǎn),在車軸與軸承內(nèi)圈的配合面或者軸承內(nèi)圈端面與后蓋的配合面上,可能由于發(fā)生摩擦而引起損傷(有資料稱為微振磨損)增大?；跍p輕摩擦的目的,要求減小鏜孔直徑。另外,在車軸端面上用螺栓安裝軸承前蓋時(shí),由于車軸端面上存在螺栓孔,所以不能進(jìn)行《60mm的鏜孔加工,按照上述理由,如圖3所示那樣,既有線車輛用車軸取鏜孔直徑為《30mm。4超聲波檢測(cè)的改善4.1檢測(cè)表面的振幅設(shè)計(jì)新干線電動(dòng)車輛用空心車軸的超聲波探傷,主要采用折射角50°的平板振子。平板振子振蕩的超聲波的傳播方式示于圖4。鏜孔直徑為30mm時(shí),超聲波在遠(yuǎn)離檢查表面(車軸表面)的前方聚焦,致使檢查面上的超聲波擴(kuò)散。為確保探傷精度,必須將振子做到3維曲面形狀,從而在檢查面上聚焦超聲波。因此,設(shè)計(jì)了超聲波在檢查面上聚焦的振子形狀。如圖5所示,聚焦振子的設(shè)計(jì)程序的概況如下:(1)在車軸的鏜孔內(nèi)表面上假設(shè)格子;(2)連結(jié)檢查面上的焦點(diǎn)與各格子成直線,即確定超聲波的傳播路線;(3)根據(jù)車軸中與楔子中超聲波的聲速比,以及(2)項(xiàng)中確定的直線與格子形成的折射角,計(jì)算出各格子中超聲波的入射角;(4)由各格子向振子方向確定用(3)項(xiàng)計(jì)算的入射角的直線;(5)假設(shè)超聲波從焦點(diǎn)經(jīng)由鏜孔內(nèi)面的各格子向振子方向傳播時(shí),將某一時(shí)刻中超聲波到達(dá)位置的集合,作為假設(shè)的振子形狀;(6)由(5)項(xiàng)中求出的振子形狀的各部位激振超聲波時(shí),根據(jù)超聲波的折射、反射計(jì)算出相位變化,修正假定的振子形狀,以便使振子的整個(gè)表面接收超聲波的相位一致,成為最終的振子形狀。4.2組合振子的應(yīng)用振子的材料歷來(lái)使用鋯鈦酸鉛等壓電陶瓷。這時(shí),振子的阻尼作用小,裂紋反射波形成具有若干波數(shù)的多個(gè)波峰的波形。此外,在輪座等配合部位,由于車軸與配合件的表面粗糙,致使存在微小空穴,故在配合面的各部位,超聲波反射,產(chǎn)生具有多峰的壓入反射波。裂紋小時(shí),裂紋反射波與壓入反射波的區(qū)別是困難的。如果能控制振子的振動(dòng),射入波數(shù)少的超聲波,則裂紋反射波的波形尖銳,容易與壓入反射波分離(易分辨)。振子的背面上粘貼阻尼材料,采用調(diào)整電路的阻尼等方法,可以控制波形,但同時(shí)會(huì)降低振子的靈敏度。因此,使用組合型振子,即將壓電陶瓷與聚合物(阻尼材料)一體化,使波數(shù)可能接近1波。正如圖6所示,嘗試了相對(duì)于壓入反射波來(lái)提高裂紋反射波的靈敏度的方法。組合振子如圖7所示,是其一側(cè)用聚合物將幾十微米左右的壓電陶瓷包圍成格子狀,進(jìn)而成形為振子,能夠一方面抑制靈敏度的降低,一方面減少波數(shù)。該振子有撓性,易成形為任意形狀,也適合于上述聚焦振子采用。另外,由于和斜角探頭的楔子(一般是丙烯)的音響特性接近,故尤其能提高斜角探頭的靈敏度。4.3探傷試驗(yàn)研究圖7表示試制的組合式聚焦探頭的外形,表1列出其規(guī)格。采用幾種人工裂紋的試樣,用折射角為40°的陶瓷探頭、組合式探頭、組合聚焦探頭實(shí)施了探傷試驗(yàn)。比較了裂紋反射波高度的結(jié)果,確認(rèn)了由于振子的組合化,使組合探頭的裂紋靈敏度提高6dB左右,而如果是聚焦超聲波,則靈敏度再提高6dB左右。5小直徑空心車輛軸的超聲波檢測(cè)試驗(yàn)5.1車軸的自動(dòng)探傷試驗(yàn)內(nèi)設(shè)折射角為40°的組合聚焦探頭的小直徑空心車軸用超聲波探傷裝置見(jiàn)圖8,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。探頭插入軸孔(鏜孔)中,一邊沿軸向及周向掃描,一邊沿車軸中的前進(jìn)方向(中央平行部方向)及后退方向(車軸端面方向)射入超聲波。采用該裝置對(duì)試制的小直徑空心模型軸實(shí)施了超聲波探傷試驗(yàn)。所謂模型軸實(shí)際上是在有可能發(fā)生裂紋的部位預(yù)先加工人工裂紋的車軸,以確認(rèn)裝置的探傷精度。模型軸概況示于圖10;表2中則列出模型軸加工的25處人工裂紋的位置與形狀。位置Ⅰ-Ⅰ等的配合部位的裂紋處在距配合端3mm內(nèi)側(cè)的位置上。人工裂紋加工后,在齒輪側(cè)(G側(cè))裝配了模擬齒輪與大齒輪軸承內(nèi)圈;在非齒輪側(cè)(非G側(cè))裝配了模擬車輪與車軸軸承。模型軸的自動(dòng)探傷條件見(jiàn)表3。探頭的軸向動(dòng)作范圍約為1350mm,可從車軸兩端,每次對(duì)半根軸實(shí)施長(zhǎng)范圍探傷。采用中央平行部D-D的IS裂紋進(jìn)行了探頭位置調(diào)整和靈敏度調(diào)整。該裂紋的反射波高度以80%時(shí)的探傷器增益為基準(zhǔn)靈敏度。為彌補(bǔ)探頭的旋轉(zhuǎn)而降低裂紋靈敏度,設(shè)定了探傷靈敏度為基準(zhǔn)靈敏度+18dB。探頭的掃描方式為圖11所示的螺旋式掃描,即每1轉(zhuǎn)的軸向掃描間距為2mm,周向的數(shù)據(jù)記錄節(jié)距為2°,轉(zhuǎn)速為100rpm。5.2車軸表面區(qū)域的缺陷車軸的超聲波探傷,通常要對(duì)每個(gè)輪座、車軸中央平行部的探傷部位設(shè)定探傷選通脈沖(圖12)。探傷選通脈沖設(shè)定在到達(dá)引人注目部位即車軸表面,計(jì)算上的波束路程附近,僅僅選通脈沖范圍中表示的超聲波波形是有用的信息。采用通常的探傷選通脈沖時(shí)的非G側(cè)輪座內(nèi)側(cè)輪轂部(位置Ⅰ-Ⅰ)的探傷波形見(jiàn)圖13。當(dāng)探傷該部位時(shí),除裂紋反射波以外,還有圖14所示的輪座角部及R部產(chǎn)生的干擾反射波。即使分離裂紋反射波與干擾反射波,兩者的波束路程之差較小時(shí),探傷選通脈沖內(nèi)也同時(shí)出現(xiàn)反射波,如果干擾反射波的高度較高,則易將干擾反射波誤判為探傷選通脈沖內(nèi)的反射波高度。因此,如圖15所示,在從車軸的最小直徑(軸頸部位)到最大直徑(輪座)的所有部位的表面包含的波束路程范圍內(nèi)設(shè)定觸發(fā)選通脈沖,對(duì)超過(guò)觸發(fā)選通脈沖的臨界值的最初反射波設(shè)定寬2mm的探傷選通脈沖的方法。如采用該方法,在發(fā)生干擾反射波的部位,裂紋反射波與干擾反射波兩者上升時(shí),就只分離并檢測(cè)出波束路程短的裂紋反射波。在周向上相鄰的多個(gè)數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)之間,比較掃描中檢測(cè)的反射波的波束路程,15°以內(nèi)范圍的波束路程,如果存在1mm以上偏移記錄點(diǎn),則判定為是在干擾反射波附近上升的裂紋反射波的數(shù)據(jù)。5.3車軸回采過(guò)程中的裂紋包括-,配合部從非齒輪側(cè)的車軸端面插入的探傷頭,沿前進(jìn)方向入射超聲波,探測(cè)了車軸中央平行部(位置D-D～H-H,非配合部位),非G側(cè)輪座內(nèi)側(cè)輪轂部(位置Ⅰ-Ⅰ,配合部)的結(jié)果見(jiàn)圖16。圖16表示在掃描中的各探頭位置上探頭選通脈沖內(nèi)的裂紋反射波高度。在車軸中央平行部,能檢測(cè)出全部人工裂紋;在非G側(cè)輪座內(nèi)側(cè)輪轂部,在消除了干擾反射波狀況下,能以足夠的S/N比(裂紋反射波與干擾反射波之比)檢測(cè)出除了深度1mm以下的半橢圓裂紋之外的人工裂紋。6車軸可探傷損傷的最小裂紋采用本文的既有線車輛用實(shí)心車軸自動(dòng)探傷裝置的局部探傷法,以及新干線電動(dòng)車用空心車軸自動(dòng)探傷裝置的斜角探傷法進(jìn)行探傷時(shí),車軸各部位的可探傷的最小裂紋見(jiàn)表4。根據(jù)從既有線車輛用車軸上鏜出直徑《30mm的孔進(jìn)行超聲波探傷,與從傳統(tǒng)的實(shí)心車軸端面進(jìn)行局部探傷相比較,可知前者能提高探傷精度,可獲得與新干線電動(dòng)車用空心軸相同的探傷精度。7車軸探傷檢測(cè)在新干