机车车轴超声波探伤工艺浅析

　　摘　要：车轴是机车车辆的关键部件，实际运用中普遍采用超声进行无损探伤。在回顾机车车轴超声波探伤方法的基础上，分析了超声波探伤的工艺参数选择。
　　关键词：机车车轴；超声波；探伤；工艺参数
　　车轴是机车车辆转向架的关键承载部件，影响行车安全的重要零件，其疲劳破坏直接危及运输安全。如果车轴出现疲劳损伤并且扩展，就会因断轴而造成列车脱轨，带来灾难性的后果，其安全运转直接关系着铁路运输的安全生产。车轴很容易发生疲劳裂纹，而这种裂纹易发生在车轴压装座的一个短距离内，且完全是隐蔽的。为了及时发现疲劳缺陷，在轮对交付前和使用中，必须进行无损探伤检查。事实上，在不退轮芯的情况下，除超声波外，没有其他方法具有足够的灵敏度能探测这些裂纹。车轴的超声波探伤法，自上世纪50年代采用以来，迄今已应用了50多年，一直是检测车轴疲劳裂纹的重要手段。
　　1　机车车轴的结构
　　机车车轴的基本结构，包括轴颈、轴肩、车轮座、齿轮座和轴身等，有的还有制动盘座，其中齿轮座安装从动齿轮，接受来自动力源的牵引力，驱动车轴旋转。图1示出了机车车轴的主要结构。
　　机车车轴产生疲劳裂纹，原因是多方面的，既受车轴材质、结构、制造工艺、轮对参数选配等因素的影响，又受机车运用线路状况、运行速度、牵引吨位以及司乘人员操作情况等因素的影响。由于受力特点、受力状态、工作环境的不同，车轴在运用过程中受到弯曲应力、扭转剪切应力及组装应力的同时作用，产生疲劳裂纹的原因是相当复杂的。一般来讲，车轴的疲劳是在车轴与车轮、从动齿轮及制动盘等配合件接触部位的腐蚀和微小滑动产生的磨耗，而在车轴表面形成微孔，在不同的情况下慢慢发展为裂纹。车轴裂纹有横向、纵向两种形式，与车轴中心线交角在45°以上为横裂纹，在45°以下为纵裂纹。
　　2　超声波探伤方法分类
　　当超声波在钢材中传播时，其能量和声压将会随着传播距离的增加而衰减。超声波能量除因散射引起衰减外，材质晶粒度、内部缺陷、化学成分和组织的不均匀性以及耦合条件等也会引起衰减。根据基波衰减程度和波幅的形状，可判断出车轴的各种缺陷。一般在均匀材料中，裂纹的存在将造成材料不连续，这种不连续带来声阻抗的不一致，由反射定理可知，超声波在两种不同声阻抗的介质的界面上会发生反射。通过对疲劳裂纹的特点分析及大量的工艺试验，可以得出这些裂纹的一些超声波特征：一般波形突变，波形不连续。
　　超声波探伤法分为垂直探伤、斜角探伤和局部探伤，以及一些新的探伤方法。
　　（1）垂直探伤。是从车轴端面与车轴表面垂直的长度方面（轴向）射入纵波超声波的方法。该探伤法主要由两个部分组成：测定超声波的衰减度以了解其穿透工件的情况；检测车轴在全长方向上有否损伤。
　　（2）斜角探伤。一般是以37°~ 45°的折射角，从有曲率的车轴表面斜方向射入指向目标位置的横波超声波，以检查因有零配件而不能用磁粉探伤检查到的齿轮座、轮座、制动盘座等部位。斜角探伤比局部探伤更能检测出细小的伤痕，但是为便于探伤，必须把车轴表面打磨干净。另外，由于超声波射入的角度受到限制，某些在强度上极其重要的配合部位的探伤就难以进行，如齿轮一侧的部位。如能提高局部探伤精度，把斜角探伤用局部探伤代替，就能降低维修成本和提高工作效率。
　　（3）局部探伤。一般是以10°~15°的折射角，从车轴的端面斜向射入目标位置纵波超声波，该方法称之为纵波斜角探伤。它虽然具有与斜角探伤法相同的精度水平，但存在如下问题：在装有轴承的状态下，对车轴进行探伤时穿过轴承内圈产生的回波，与从裂纹来的回波难以识别，而不能保证检测精度；车轮更换时，在轴端打钢印的场合下会使探头与车轴接触不良，难以保证精度；不能像垂直探伤那样探伤车轴全体，因此仅以局部探伤检查车轴时，要多个探头，作业过程繁杂。
　　（4）新的车轴探伤法。从提高探伤精度和降低维修成本两方面考虑，应采用如图5所示带自动判定功能的多波道、旋转式局部探伤方法。由于探头的接触面装在轴端，所以能消除斜角探伤大范围的打磨作业。