机车车轴超声波探伤工艺浅析

机车车轴超声波探伤工艺浅析

司万强，马兰童，余海军

（大同电力机车有限责任公司技术中心工艺开发部，山西大同037038）

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；工艺参数中图分类号：TG115.28+5

文献标识码：B

文章编号：1672-545X（2009）10-0158-02

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。

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

材质晶距离的增加而衰减。超声波能量除因散射引起衰减外，

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。

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。

车轮齿轮

车轴

裂纹

垂直探伤

车轴

小裂纹难以检测出来

超声波不易接触裂纹超声波

轴承座

车轮座

齿轮座

图1车轴结构图

图2垂直探伤

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

（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

不能进行齿轮

一侧的探伤

斜角探伤探头

车轴

超声波

裂纹

需打磨干净

齿轮

图3斜角探伤

收稿日期：2009-07-24作者简介：司马强（1981—），男，山西大同人，工程师，研究方向：应用化学。

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《装备制造技术》2009年第10期

零配件而不能用磁粉探伤检查到的齿轮座、轮座、制动盘座等但是为便部位。斜角探伤比局部探伤更能检测出细小的伤痕，

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，某些在强度上极其重要的配合部位的探伤就难以

如能提高局部探伤精度，把斜角探伤进行，如齿轮一侧的部位。

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。

只能探伤车

轴的一部分

裂纹

车轴

超声波

局部探伤

择也将影响探伤的效果，应保证声束能扫查到整个探伤面，能一般折射角选择过大或发现主要缺陷，有足够的探伤灵敏度。过小，都会影响超声波声程，从而影响探伤灵敏度，使车轴上疲劳裂纹的检出率降低。为此，可通过各种不同折射角的探头，对车轴进行对比试验，并参照疲劳裂纹的特点确定超声波

超声波探头的频率，也是一个相当探头的最佳折射角。此外，

关键的参数，频率应保证在规定的最大距离上探测出要求发现的最小缺陷，并还有一定的余量，且有足够的信噪比。恰当地选择合适的频率，不仅能保证超声波声束的指向角，有利于

通过检出小缺陷；而且能有效地阻止超声波能量的大幅衰减。

对车轴试块的大量试验和分析，确定超声波探头的频率，一般为1~10MHz。

（2）耦合剂的选择。超声波在传播过程中，遇到不同的介质时，会发生反射和折射。为保证足够的折射率，超声波探伤须在介质的界面上涂覆耦合剂，以尽量减少超声波能量的损失。耦合剂的种类很多，需要根据车轴材质和实际探伤状态，

一般耦合剂要求有以下性恰当地选择，以保证良好的声耦合。

能：容易黏附，有足够的浸润性，对人体无害，对车轴无腐蚀

因此，多选用各种型号的机油，以及树脂、浆糊等。性，易清除。（3）超声波探伤对比试块及其制作。为确保超声波探伤具

有足够的灵敏度，需要根据技术条件和车轴的制造使用要求，制作与实际车轴相似的结构和外形尺寸的对比试块，以供探伤时使用。在试块上相应部位，按车轴疲劳裂纹的特点仿真刻制一系列的人工缺陷，其中，在试块的压装部位（相当于实际

从动齿轮、制动盘等部件的镶入部位）的人工缺陷的的车轮、

深度一般为2.5mm左右；在试块的非压装部位的人工缺陷深度一般为0.6mm左右。

车轮

图4局部探伤

（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

由于探头的接触面装在轴端，所以能消除转式局部探伤方法。

斜角探伤大范围的打磨作业。

4个探头

4

超声波

多波道旋转式局部探伤

车轮

轮对可不旋转

结束语

图5新的车轴探伤方法

综上所述，机车车轴作为关系行车安全的关键部件，在交

超声波探伤是机车车付前和使用中，必须进行无损探伤检查。

轴无损探伤的重要手段，主要分为垂直探伤、斜角探伤和局部探伤，以及一些新的探伤方法。超声波工艺参数的选择，必须

耦合剂和对比试块三个方面。慎重考虑探头、

参考文献：

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[4]王广杰.轨道车辆车轴的成形设备及工艺研究[D].吉林:吉林大学,2007.

3超声波探伤的工艺参数选择

（1）超声波探头的确定。固连在超声波探伤机上的超声

波探头，是探伤机的核心部分，其尺寸形状及其相关参数选择得合理与否，直接影响到探伤的精确度。为确保探伤时探头检测面与被测部位的良好接触，增加接触面积，改善耦合条件，提高透声效果，一般根据实际情况将探头检测面加工成平面，或带有一定曲率的圆弧面。若探头采用斜探头，其折射角的选

AnalysisonProcessofUltrasonicDetectionforLocomotiveAxle

SIWan-qiang，MALan-tong，YUHai-jun

（TechnicalCenter,DatongElectricLocomotiveCo.,Ltd.,DatongShanxi037038,China）

Abstract:Axleisthekeycomponentoftherollingstock,whichisusuallyundernon-destructivedetectionwithultrasonicintheactualuse.Basedonthereviewingofthemethodofultrasonicdetectionforlocomotiveaxle,thechoiceofprocessparametersofultrasonicdetectionwasanalyzed.

Keywords:locomotiveaxle;ultrasonic;detection;process

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