(工艺技术)机车车轴超声波探伤工艺

（工艺技术）机车车轴超声波探伤工艺
目录
前言 (1)
摘要 (2)
第一章绪论
1.1无损探伤一意义 (3)
1.2机车车轴产生缺陷的原因及危害 (3)
1.3车轴超声波探伤的发展简介 (3)
第二章超声波探伤方法的分类
2.1垂直探伤 (5)
2.2斜角探伤 (5)
2.3局部探伤 (6)
2.4新的车轴探伤法…………………………………………7.
第三章超声波探伤的工艺参数选择
3.1超声波探头的选择 (8)
3.2耦合剂的选择 (8)
3.3超声波探伤对比试块及其制作 (8)
结束语 (10)
参考文献 (11)
前言
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，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。

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。

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;
第一章绪论
1.1无损检测的意义
在不损害材料或结构的情况下，采用某种技术，对检测对象内部与表面进行探测，从接受信号中提取出需要的信息，或者判断材料或结构的完整性，或者获得材料或结构的某些性质。

而无损检测的最常用方法有超声
波探伤，（UT）适用于工件内部和表面缺陷的检测；磁粉探伤（MT）适用于铁磁性材料及表面和近表面缺陷的检测；渗透探伤（PT）适用于表面开口缺陷；涡流探伤(ET),适用于导体及表面和近表面缺陷的检测；射线探伤（RT），适用于内部缺陷的检测，其中超声波探伤适用范围最广。

1.2机车车轴产生缺陷的原因及危害
车轴是机车机械部分的重要部件，对机车车轴实施超声波探伤是保证铁路运输和安全防止发生断裂事故的重要环节。

机车车轴在运行中承受着挤压扭曲和冲击等交变应力其常出现的缺陷原因包括：
1、车轴加工制作时由于原材料内部缺陷导致的缩孔，疏松，夹杂模锻裂纹等及热处理产生的热裂纹，晶粒粗大。

2、车轴在冷加工后产生的晶粒粗大，表面应力集中等缺陷
3、在役车轴在使用过程中产生的疲劳裂纹缺陷。

机车车轴在运行中，极易在轴颈轮座内外侧，齿轮轮座内外侧，轴身部分产生疲劳裂纹，这些裂纹一旦产生便会迅速发展，继而导致车轴断裂事故，给铁路运输带来很大隐患。

统计表明，今年来我国机车各种走行轴均有冷切事故发生，这不仅限制了铁路行车速度的提高，而且给人民的生命财产造成极大的威胁。

1.3车轴超声波探伤的发展简介
我国车轴无损检测技术和设备的研究始于1952年，主要研究车辆车轴的手工损伤。

采用的方法是用纵波反射法检测较大缺陷；1960年后使用斜入射横波检测轮座部位，1973年开展了斜入射纵波不解体探伤方法的研究1978年用于生产，1980年研发了机车车辆车中自动化探伤设备。

1998年北京铁路局开展了大型养路机械车轴探伤技术和流通到超声波探伤仪及专用组合探头的研究。

首创了大型养路机械车轴超声波探伤新方法。

这种方法可以检测出车轴轴颈.>1mm轮座》2mm齿轮座>5mm和轴身>10平底孔当量缺陷及车轴透声性能。

于2000年通过鉴定并用于生产。

2001年北京铁路局开
展了提速机车（DF11.SS9）车轴超声波成像技术的研究，2004年通过鉴定。

第二章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。

2.1垂直探伤：
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（如图一）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。

图一垂直探伤
2.2斜角探伤：
斜角探伤（如图二）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。

图二斜角探伤
2.3局部探伤：
局部探伤（如图三）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。

图三局部探伤
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。

2.4新的车轴探伤法：
新的车轴探伤法是从提高探伤精度和降低维修成本两方面考虑，应采用如图四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
图四新的车轴探伤方法
第三章超声波探伤的工艺参数选择
3.1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，能发现主要缺陷，有足够的探伤灵敏度。

一般折射角选择过大或过小，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探头的最佳折射角。

此外，超声波探头的频率，也是一个相当关键的参数，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，有利于检出小且能有效地阻止超声波能量的大幅衰减。

通过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。

3.2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，恰当地选择，以保证良好的声耦合。

一般耦合剂要求有以下性能：容易黏附，有足够的浸润性，对人体无害，对车轴无腐蚀性，易清除。

因此，多选用各种型号的机油，以及树脂、浆糊等。

3.3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（相当于实际的车轮、从动齿轮、制动盘等部件的镶入部位）的人工缺陷的深度一般为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。

结束语
综上所述，机车车轴作为关系行车安全的关键部件，在交付前和使用中，必须进行无损探伤检查。

超声波探伤是机车车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，必须慎重考虑探头、耦合剂和对比试块三个方面。

参考文献
1]李家伟,陈积懋.无损检测手册[M].北京:机械工业出版社,2001.
[2]曾海云电力机车与城轨车辆；中国铁道出版社，2005
[3]邓嘉鸣.高速动车空心车轴超声波探伤工艺；中国铁道出版社2009
[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.。