既有線車輛用空心車軸探傷裝置的開發(fā)

既有線車輛用空心車軸探傷裝置的開發(fā)

1空心車軸的生產(chǎn)制備為了防止鐵路車輛結構部件的損壞，鐵路部門按照一定標準進行了各種零件的檢查。特別是車軸的折斷,由于很可能導致重大事故,因此,必須每隔一定的周期實施檢查。新干線電動車用車軸應用于1992年投入運營的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,用斜角探傷法實施自動探傷。另一方面,既有線車輛的車軸雖然也有使用鏜孔直徑《60mm的空心車軸的實例,例如,JR北海道公司183系內(nèi)燃動車組,JR四國公司200系內(nèi)燃動車組等車型,但是,大部分內(nèi)燃動車組使用實心車軸。近年來,既有線車輛的檢查要求進一步實現(xiàn)自動化、省力化。如能在輪對組裝狀態(tài)下檢測車軸的微細裂紋,則取下車輪等配合零部件,或者落輪后實施的磁粉探傷的部分檢查就可省略,從而實現(xiàn)車軸檢查作業(yè)的高效化。檢查車軸的微細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),有難以實際應用的困難。因此,在新干線電車動上已有10a以上應用實績的空心車軸基礎上,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。下面將介紹關于用該探傷裝置,對試制的空心車軸進行探傷的結果。2車軸表面折射角局部探傷法目前,既有線車輛用實心車軸的超聲波探傷,組合實施有垂直探傷方法、局部探傷法、及斜角探傷法(見圖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)射入超聲波而進行探傷的方法。但是,如同像輪座外側輪轂部位那樣,超聲波不能到達的地方,就不能進行探傷。此外,由于超聲波的擴散與衰減,使車軸中央平行部位的深度達10mm以上的裂紋,有時也難于檢測出來。至于局部探傷法(縱波斜角探傷法)是針對軸頸部、輪座內(nèi)側輪轂部、齒輪座、中央平行部及輪座外側輪轂部等各個部位進行探傷的方法,探傷作業(yè)時在探頭與車軸端面之間安裝適當角度的楔子(材質(zhì)為丙烯等),利用折射角幾度至十幾度的縱波進行局部探傷。圖2為同時對輪座內(nèi)側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(到達超聲波的反射源的傳播距離)長,探傷精度有限度。在部分既有線車輛工廠,還在引進利用局部探傷法的實心車軸用自動探傷裝置。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,是對于非入射超聲波側的車軸表面實施探傷,該法比垂直探傷法及局部探傷法的波束路程短,由于采用了短波長的橫波,故探傷精度高。但是,因探頭不能掃描車輪、制動盤、齒輪等配合部位,所以,為了從沒有這類配合件、沒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,既有線車輛用實心車軸的各種探傷法各有優(yōu)、缺點,為了從根本上提高探傷作業(yè)效率及探傷精度,必須與新干線電動車用車軸一樣,研究在既有線車輛中引進空心車軸的探傷方法。3適當降低車軸的彎曲應力,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。在新干線電動車輛用車軸中有應用實績,并將軸頸直徑110mm的車軸沿軸向?qū)嵤?0mm鏜孔加工時,軸頸部的彎曲應力與實心車軸相比較為1.1倍左右,并無大的問題。但是,由于車軸整體的剛度降低導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。基于減輕摩擦的目的,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,由于車軸端面上存在螺栓孔,所以不能進行《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超聲波檢測的改善4.1檢測表面的振幅設計新干線電動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,超聲波在遠離檢查表面(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,設計了超聲波在檢查面上聚焦的振子形狀。如圖5所示,聚焦振子的設計程序的概況如下:(1)在車軸的鏜孔內(nèi)表面上假設格子;(2)連結檢查面上的焦點與各格子成直線,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)項中確定的直線與格子形成的折射角,計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)項計算的入射角的直線;(5)假設超聲波從焦點經(jīng)由鏜孔內(nèi)面的各格子向振子方向傳播時,將某一時刻中超聲波到達位置的集合,作為假設的振子形狀;(6)由(5)項中求出的振子形狀的各部位激振超聲波時,根據(jù)超聲波的折射、反射計算出相位變化,修正假定的振子形狀,以便使振子的整個表面接收超聲波的相位一致,成為最終的振子形狀。4.2組合振子的應用振子的材料歷來使用鋯鈦酸鉛等壓電陶瓷。這時,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,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,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,但同時會降低振子的靈敏度。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,嘗試了相對于壓入反射波來提高裂紋反射波的靈敏度的方法。組合振子如圖7所示,是其一側用聚合物將幾十微米左右的壓電陶瓷包圍成格子狀,進而成形為振子,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、組合聚焦探頭實施了探傷試驗。比較了裂紋反射波高度的結果,確認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試驗5.1車軸的自動探傷試驗內(nèi)設折射角為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圖8,系統(tǒng)結構見圖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。采用該裝置對試制的小直徑空心模型軸實施了超聲波探傷試驗。所謂模型軸實際上是在有可能發(fā)生裂紋的部位預先加工人工裂紋的車軸,以確認裝置的探傷精度。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)側的位置上。人工裂紋加工后,在齒輪側(G側)裝配了模擬齒輪與大齒輪軸承內(nèi)圈;在非齒輪側(非G側)裝配了模擬車輪與車軸軸承。模型軸的自動探傷條件見表3。探頭的軸向動作范圍約為1350mm,可從車軸兩端,每次對半根軸實施長范圍探傷。采用中央平行部D-D的IS裂紋進行了探頭位置調(diào)整和靈敏度調(diào)整。該裂紋的反射波高度以80%時的探傷器增益為基準靈敏度。為彌補探頭的旋轉(zhuǎn)而降低裂紋靈敏度,設定了探傷靈敏度為基準靈敏度+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,通常要對每個輪座、車軸中央平行部的探傷部位設定探傷選通脈沖(圖12)。探傷選通脈沖設定在到達引人注目部位即車軸表面,計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的非G側輪座內(nèi)側輪轂部(位置Ⅰ-Ⅰ)的探傷波形見圖13。當探傷該部位時,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,探傷選通脈沖內(nèi)也同時出現(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)設定觸發(fā)選通脈沖,對超過觸發(fā)選通脈沖的臨界值的最初反射波設定寬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,就只分離并檢測出波束路程短的裂紋反射波。在周向上相鄰的多個數(shù)據(jù)記錄點之間,比較掃描中檢測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,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車軸回采過程中的裂紋包括-,配合部從非齒輪側的車軸端面插入的探傷頭,沿前進方向入射超聲波,探測了車軸中央平行部(位置D-D～H-H,非配合部位),非G側輪座內(nèi)側輪轂部(位置Ⅰ-Ⅰ,配合部)的結果見圖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,能檢測出全部人工裂紋;在非G側輪座內(nèi)側輪轂部,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心車軸自動探傷裝置的局部探傷法,以及新干線電動車用空心車軸自動探傷裝置的斜角探傷法進行探傷時,車軸各部位的可探傷的最小裂紋見表4。根據(jù)從既有線車輛用車軸上鏜出直徑《30mm的孔進行超聲波探傷,與從傳統(tǒng)的實心車軸端面進行局部探傷相比較,可知前者能提高探傷精度,可獲得與新干線電動車用空心軸相同的探傷精度。7車軸探傷檢測在新干