鐵道車輛輪對(duì)超聲波自動(dòng)探傷機(jī)存在問(wèn)題分析

徐偉民 上海鐵路局科研所

現(xiàn)全路車輛部門使用的輪對(duì)微機(jī)超聲波自動(dòng)探傷機(jī)1985年問(wèn)世，上世紀(jì)90年代開始逐步推廣應(yīng)用，至今全路各車輛檢修單位基本按雙套配置。該機(jī)投入使用至今，雖經(jīng)不斷升級(jí)改造，但仍然存在不少問(wèn)題。這是一臺(tái)確保行車安全的關(guān)鍵設(shè)備，由于其探測(cè)結(jié)果無(wú)法使人確信，多年來(lái)各使用單位只能將其作為輔助設(shè)備運(yùn)行，其探測(cè)后的輪對(duì)還要人工重探，可以說(shuō)該機(jī)至今未發(fā)揮好其應(yīng)有的作用。

1 探測(cè)方式先天不足 日常性能校驗(yàn)困難

現(xiàn)役鐵道車輛輪對(duì)超聲波自動(dòng)探傷機(jī)（詳見(jiàn)圖1）車軸輪座鑲?cè)氩刻綔y(cè)時(shí)，采用與人工探測(cè)相同的方式既在旋轉(zhuǎn)的輪對(duì)軸身上，靠探頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成對(duì)輪座鑲?cè)氩康娜虙卟?。這種探頭與工件復(fù)合運(yùn)動(dòng)的探測(cè)方式用于人工探傷完全正確，但用于自動(dòng)探傷就很值得商榷。

圖1 現(xiàn)役鐵道車輛輪對(duì)超聲波自動(dòng)探傷機(jī)

采用在旋轉(zhuǎn)的輪對(duì)軸身上，靠探頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成對(duì)輪座鑲?cè)氩康娜虙卟榉绞竭M(jìn)行人工探傷時(shí)，超探工發(fā)現(xiàn)疑問(wèn)波，一般先停止轉(zhuǎn)輪器工作，在疑問(wèn)波附近用探頭仔細(xì)掃查，尋找傷波最強(qiáng)波高。但自動(dòng)探傷機(jī)是輪對(duì)不停的轉(zhuǎn)動(dòng)，探頭一直做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，人工探傷停止轉(zhuǎn)輪后的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)其是無(wú)法模擬的。僅此一點(diǎn)就可見(jiàn)該設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)存在的先天不足。

超聲波探傷起始靈敏度的確定，是其準(zhǔn)確工作的前提。按超聲波探傷的基本原理，鐵道部車輛輪軸超聲波探傷工藝規(guī)程規(guī)定，車軸輪座部位超聲波探傷試驗(yàn)軸的起始靈敏度為1 mm深的人工傷（詳見(jiàn)圖2）。

圖2 輪座部位人工傷示意圖

該人工傷采用線切割加工，在輪座上其弦長(zhǎng)約25 mm，其基本正好為一個(gè)晶片直徑20 mm的探頭主聲束所覆蓋。也就是說(shuō)，超聲波探傷時(shí)軸身上只有一小塊區(qū)域，才能找到輪座上1 mm深人工傷的最強(qiáng)波高，該設(shè)備探測(cè)時(shí)輪對(duì)不停轉(zhuǎn)動(dòng)，探頭一直做往復(fù)運(yùn)動(dòng)（其復(fù)合成的軌跡如圖3所示），加上幾個(gè)探頭還要輪流工作，這就決定了其無(wú)法快速、準(zhǔn)確找到輪座上1 mm深人工傷的最強(qiáng)波高，它應(yīng)該是現(xiàn)役鐵道車輛輪對(duì)超聲波自動(dòng)探傷機(jī)日常性能校驗(yàn)很困難的根本原因。

圖3 復(fù)合軌跡

當(dāng)然，該機(jī)只要正常工作，輪座部位大裂紋是能探測(cè)到的，這大概也是其有生命力的主要原因。但如輪座部位僅檢測(cè)大裂紋，超聲穿透檢測(cè)就能既方便又更準(zhǔn)確完成。

2 機(jī)械定位精度不夠 探頭磨耗增加成本

該設(shè)備研制時(shí)，我國(guó)鐵道車輛輪對(duì)的形式還多種多樣，尚存不少圓錐型軸身的輪對(duì)。如何準(zhǔn)確定位，當(dāng)時(shí)的研制者確實(shí)動(dòng)了許多腦筋，選擇了一種落錘測(cè)量的機(jī)械定位方式。隨我國(guó)鐵道車輛輪對(duì)滾動(dòng)軸承化的快速發(fā)展，這種簡(jiǎn)單的定位方式就無(wú)法滿足不退軸承時(shí)車軸卸荷槽部位的超聲波探傷。實(shí)測(cè)輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)后，該機(jī)固定的軸端探頭會(huì)產(chǎn)生3～5 mm的徑向誤差。

超聲波探傷定位準(zhǔn)確是其最大的優(yōu)點(diǎn)，但前提是探頭擺放的位置先要準(zhǔn)確。該設(shè)備的機(jī)械定位就不準(zhǔn)確，軸端探頭能產(chǎn)生3～5 mm的徑向誤差，是根本無(wú)法對(duì)卸荷槽部位進(jìn)行準(zhǔn)確探傷的，因?yàn)樾逗刹鄄课灰舱脼橐粋€(gè)晶片直徑20 mm的探頭主聲束所覆蓋，稍微偏一點(diǎn)，就會(huì)探測(cè)到軸承內(nèi)圈蠕動(dòng)所造成的軸頸劃傷部位，該機(jī)卸荷槽部位探傷的誤報(bào)率很高的原因基本由此造成。

另該設(shè)備采用踏面底部硬驅(qū)動(dòng)，輪對(duì)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中抖動(dòng)較大，會(huì)增大探頭的磨耗。超聲波探傷過(guò)程中，探頭是一個(gè)重要的組成部分，其不僅起著聲能轉(zhuǎn)換作用，它的角度、線性誤差、靈敏度、抗干擾性等指標(biāo)都直接與判傷結(jié)論有關(guān)。探頭看似簡(jiǎn)單，但要做好決不容易，好探頭價(jià)格均較高。一般超聲波自動(dòng)探傷機(jī)都對(duì)探頭有嚴(yán)格的匹配要求，探頭磨損后性能的變化用程序來(lái)自動(dòng)修正是很困難的，故超聲波自動(dòng)探傷機(jī)的探頭以采用非接觸工作方式為好，其不僅能大大節(jié)約探頭的成本支出，還能嚴(yán)格控制探頭質(zhì)量，提高整機(jī)的工作性能，確保判傷的準(zhǔn)確性。

3 自動(dòng)補(bǔ)償方法不對(duì) 整機(jī)性能無(wú)法達(dá)標(biāo)

實(shí)現(xiàn)輪對(duì)微機(jī)自動(dòng)探傷，目前還存在一定困難，難在如何實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷波進(jìn)行材質(zhì)自動(dòng)補(bǔ)償?，F(xiàn)有鐵道車輛輪對(duì)超聲波探傷規(guī)章均規(guī)定以5級(jí)晶粒度的標(biāo)準(zhǔn)試塊來(lái)確定超聲波判傷的起始靈敏度，這是人工探傷采用的一種不得已而為之但確行之有效的方法。其雖有一刀切之嫌（車軸的晶粒度為5～8級(jí)，材質(zhì)好壞對(duì)超聲影響很大），但確能保證人工判傷的結(jié)果基本一致，這也是在當(dāng)時(shí)我國(guó)車軸材質(zhì)晶粒度離散性較大情況下，確保行車安全采取的必要手段。該設(shè)備在不斷改進(jìn)的過(guò)程中，在這方面也做了一些嘗試，但采用的是在軸身上縱波采樣來(lái)對(duì)輪座部位橫波探傷進(jìn)行補(bǔ)償。這種嘗試存在采樣與探測(cè)不是一個(gè)部位且縱波與橫波性能大有區(qū)別等問(wèn)題，應(yīng)該說(shuō)也是有違超聲波探傷基本原理的。

超聲波在車軸鋼（5級(jí)晶粒度）中縱波聲速為5945 m/s、橫波聲速為3254 m/s，縱波與橫波在鋼中傳播的方式及遇到缺陷后其產(chǎn)生的散射和繞射情況均不相同，所以縱波與橫波的判傷標(biāo)準(zhǔn)也不同。雖然有自動(dòng)補(bǔ)償比沒(méi)有是進(jìn)了一步，但混為一談還是解決不了問(wèn)題。

超聲波探傷儀與探頭的綜合靈敏度性能校驗(yàn)，兩者是不能分開的，這是準(zhǔn)確判傷的保證。但該設(shè)備為取得與人工探傷一致的起始靈敏度，其操作工藝確要求用另一臺(tái)超探儀來(lái)逐個(gè)校驗(yàn)其使用的各型探頭。這不僅給現(xiàn)場(chǎng)使用造成極大的不方便，也有違超聲波探傷基本要求。

由于該設(shè)備自動(dòng)補(bǔ)償方法不對(duì)，整機(jī)日常性能校驗(yàn)就無(wú)法按超聲波探傷基本原理和要求來(lái)全面完成，這樣只能產(chǎn)生整機(jī)性能很難達(dá)標(biāo)的結(jié)果。

4 結(jié)論

現(xiàn)役輪對(duì)微機(jī)超聲波自動(dòng)探傷機(jī)由于其研制的時(shí)代較早，存在探測(cè)方式設(shè)計(jì)不合理、機(jī)械定位精度不夠、自動(dòng)補(bǔ)償方法不對(duì)等先天不足，可以說(shuō)至今未投入正常使用，未能發(fā)揮出其確保行車安全的應(yīng)有作用。它存在日常性能校驗(yàn)困難、探頭磨耗增加成本、整機(jī)性能無(wú)法達(dá)標(biāo)等嚴(yán)重問(wèn)題，已無(wú)法靠修修補(bǔ)補(bǔ)來(lái)徹底解決。隨電子技術(shù)的飛速發(fā)展，今天我們來(lái)討論和解決這些問(wèn)題已具備了較好的條件，科研本身無(wú)止境，只要我們能找準(zhǔn)問(wèn)題，就一定有解決問(wèn)題的辦法。

我國(guó)鐵路日新月異的飛速發(fā)展，也要求我們盡快解決鐵道車輛輪對(duì)進(jìn)行準(zhǔn)確超聲波自動(dòng)探傷的問(wèn)題。雖然還有很多難題有待攻關(guān)，譬如在確保行車安全的前提下，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷波進(jìn)行材質(zhì)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)?。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題，就應(yīng)該是我們科研的主攻方向。為此，我們擬開展《非接觸陣列式鐵道車輛輪對(duì)微機(jī)超聲波自動(dòng)探傷機(jī)》研制，以期能解決現(xiàn)役輪對(duì)微機(jī)超聲波自動(dòng)探傷機(jī)存在的一些問(wèn)題，并爭(zhēng)取有新的突破，為我國(guó)的鐵路運(yùn)輸安全作出我們應(yīng)有的貢獻(xiàn)。