HXD1型大功率重載交流機車車軸磁粉探傷機研制

摘 要：HXD1型大功率重載交流機車二年檢和六年檢車軸不完全解體，限制了探傷條件，但是，采用現(xiàn)有的馬蹄形探傷器探傷效率較低。主要研制了HXD1型電力機車車軸專用探傷機，介紹了探傷機的組成、功能、技術(shù)指標(biāo)和運用情況。

關(guān)鍵詞：HXD1型大功率重載交流機車；車軸；磁粉探傷機；磁化裝置

中圖分類號：U269.32 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.02.068

HXD1型大功率重載交流機車是利用內(nèi)重聯(lián)環(huán)節(jié)將兩節(jié)完全相同的4軸電力機車連接起來組成的8軸重載貨運電力機車。車軸是機車的關(guān)鍵部件，根據(jù)《HXD1型電力機車二年檢規(guī)程》中提出的要求，對車軸進行磁粉探傷。由于它是新型機車，車軸結(jié)構(gòu)與既有機車不同，所以，在二年檢檢修過程中，只解體車輪，不解體傳動齒輪和抱軸箱。這樣就對車軸磁粉探傷提出了更高的要求。

目前，機車車軸磁粉探傷有兩種模式：①采用濕法磁粉探傷機對車軸進行整體磁化探傷；②采用馬蹄形探傷器對車軸進行分段局部磁化探傷。但是，這兩種探傷機要求徹底解體車軸，不然就不能對HXD1型機車車軸進行探傷。為此，重點研制了HXD1型大功率重載交流機車車軸磁粉探傷機（以下簡稱車軸磁粉探傷機），應(yīng)用這種設(shè)備便可對二年檢HXD1型交流機車的車軸進行磁粉探傷。

1 車軸磁化方式和車輪磁化規(guī)范

1.1 車軸磁粉探傷原理

用鐵磁性材料制成的車軸被磁化后，車軸就會有磁力線通過。如果車軸本身沒有缺陷，那么，磁力線在其內(nèi)部是均勻連續(xù)分布的。當(dāng)車軸內(nèi)部存在缺陷時，比如裂紋、夾雜、氣孔等非鐵磁性物質(zhì)，其磁阻會非常大，磁導(dǎo)率較低，這必將會使磁力線的分布發(fā)生變化。在車軸缺陷處，磁力線不能通過，否則就會產(chǎn)生一定程度的彎曲。當(dāng)缺陷位于或接近車軸表面時，磁力線不但會在車軸內(nèi)部產(chǎn)生彎曲，而且還會穿過車軸表面漏到空氣中，形成一個微小的局部磁場。由于介質(zhì)磁導(dǎo)率的變化而使磁通泄漏到缺陷附近的空氣中所形成的磁場，被稱作漏磁場。如果將導(dǎo)磁性良好的磁粉（通常為磁性氧化鐵粉）施加在車軸上時，缺陷附近的漏磁場就會吸住磁粉，堆集成可見的磁粉跡痕，然后將相關(guān)的缺陷顯現(xiàn)出來。

1.2 磁化方式

采用二路復(fù)合磁化技術(shù)，即車軸軸向直接通電法，會產(chǎn)生車軸周向磁場；而采用沿軸向分布的線圈法，會產(chǎn)生車軸縱向磁場，以滿足車軸不同部位探傷的要求。二路磁化電路均采用可控硅控制，以達到磁化電流連續(xù)可調(diào)和斷電相位控制的功能。

采用熒光磁懸液，并嚴格控制磁懸液噴灑壓力和覆蓋面，做到緩流、均勻、全面覆蓋，可以有效地提高檢測效率。

1.3 磁化規(guī)范

周向磁化電流≥3 500 A，縱向磁勢≥18 Kat。根據(jù)踏面的A1型15/50標(biāo)準(zhǔn)試片顯示效果調(diào)整匹配兩向磁化參數(shù)，直至試片人工缺陷清晰、完整地顯示出來。

2 車軸磁粉探傷機組成和功能

2.1 探傷機組成

探傷機采用臥式床身結(jié)構(gòu)，它是由床身、升降緩沖裝置、產(chǎn)生車軸周向磁場的電極傳動夾緊機構(gòu)、產(chǎn)生車軸縱向磁場的開合線圈機構(gòu)、車軸驅(qū)動機構(gòu)、磁懸液噴淋系統(tǒng)、擋水板、操

作面板、暗室、微機操作系統(tǒng)和電器控制柜等組成的。

探傷機的電路主要包括磁化電路和操作控制電路兩大部分。磁化電路包括車軸周向磁化電路、車軸縱向磁化電路；磁化主電路均采用晶閘管控制，通過可控硅觸發(fā)電路改變可控硅導(dǎo)通角，改變輸出變壓器次級電壓，以達到調(diào)節(jié)激磁電流的目的。

2.2 設(shè)備原理

該設(shè)備為機電一體化設(shè)備，如圖1所示。探傷檢測的車軸上、下料采用天車吊進、吊出，適合單機使用。根據(jù)車軸結(jié)構(gòu)的特殊性，磁化原理采用了二路復(fù)合磁化技術(shù)，即軸向直接通電法和可開合式線圈法。一次性通電即可全方位復(fù)合磁化車軸的表面或近表面的裂紋，檢測介質(zhì)采用的是熒光磁粉，這樣就能有效地提高檢測的靈敏度。

圖1 磁化裝置

2.3 各部功能

2.3.1 床身構(gòu)架

整體床身構(gòu)架是由型鋼、鋼板焊接而成的，具有足夠的剛性和強度。在油漆之前，全結(jié)構(gòu)都要作拋丸除銹防腐處理。

2.3.2 升降緩沖裝置

升降緩沖裝置主要是由構(gòu)架、升降氣缸和緩沖升降托板組成的。它能起到緩沖的作用，使?jié)L動支撐輪和設(shè)備在吊裝時，抗砸、經(jīng)久耐用，所以說，該裝置是探傷機中必不可少的組成部分。

2.3.3 支撐、滾動驅(qū)動機構(gòu)

合理、創(chuàng)新的設(shè)計是將滾動機構(gòu)與支撐機構(gòu)設(shè)計為一體，由減速器、4個滾輪和通軸等組成。支撐滾輪與整個設(shè)備和車軸是絕緣分開的，其材料為聚甲醛，支撐部位為車軸的輪座部位，滾動順暢、平穩(wěn)。在檢測車軸時，它可以對車軸檢測面進行全面的磁懸液噴淋滾動，并能方便地滾動觀察檢測面的情況。

2.3.4 產(chǎn)生車軸周向磁場的電極機構(gòu)

周向磁化電極機構(gòu)是由導(dǎo)電板（通過加大直徑來兼容直徑大小不同的車軸）、電極體和電極夾緊推動氣缸組成。周向電極采用的是內(nèi)置氣缸結(jié)構(gòu)，通過加大行程來提高夾持的長短兼顧性。它主要是把磁化變壓器輸出的電流通過電極夾持方式傳導(dǎo)到車軸，并在車軸上形成周向磁場，以完成車軸縱向方向裂紋（缺陷）檢測。導(dǎo)電銅板與電極體連接在一起便有了自動萬向調(diào)整功能的球頭，它可以保證電極與車軸端面密貼接觸。電極夾緊傳動機構(gòu)采用的是氣動傳動方式（氣動系統(tǒng)主件選用臺灣Airtac），

在保證最大夾持力的前提下，又能節(jié)約能耗，保護環(huán)境。

2.3.5 產(chǎn)生車軸縱向磁場的線圈機構(gòu)

縱向線圈機構(gòu)是由滾動驅(qū)動氣缸、滾動軸、基座、開合線圈、卡夫和鎖緊風(fēng)缸等組成的。為縱向開合線圈加大直徑，直到能包容抱軸箱，且在齒輪對稱兩側(cè)位置放寬線圈間距，以滿足磁化工藝的要求?？v向開合線圈為我公司獨有的專利。

2.3.6 磁懸液噴淋機構(gòu)

磁懸液噴淋機構(gòu)主要是由磁懸液箱、污水泵、管系、氣動控制閥、噴淋頭、擋板和回流槽等組成的。噴淋管和噴頭分布并固定在磁化線圈的兩邊。噴淋系統(tǒng)可控制噴灑壓力和覆蓋面，能做到緩流、均勻、全面覆蓋。

2.3.7 紫光燈具

為了便于操作者觀察檢測結(jié)果，在距車軸檢測面460 mm左右的側(cè)面水平安裝了2組紫外線燈（每組各安裝6支60 W的紫外線燈）。燈具采用冷光源和反光罩，既增加了輻照度，又有效避免了紫外光對操作者造成的輻射和散發(fā)的熱量。

2.3.8 暗室

暗室主要是由鋁合金骨架、門簾、門簾傳動機構(gòu)、白光照明燈具和排風(fēng)扇等組成。設(shè)計科學(xué)、結(jié)構(gòu)合理的暗室便于工件的進出和設(shè)備維修，并能準(zhǔn)確、清晰地觀察檢測結(jié)果。

3 主要技術(shù)指標(biāo)

該設(shè)備適用于對國產(chǎn)鐵路機車分解后車軸（動齒輪、抱軸箱）的濕法熒光磁粉檢測作業(yè)。它適合單機使用或與檢修流水線配套使用。

3.1 輸入電源

電源電壓為三相交流380 V±10%，50 Hz；輸入電流的額定電流為120 A；配電功率為45 kW。

3.2 輸出電源

周向磁化電流為0～5 000 A（有效值）；縱向磁化電流為0～3 000 A（有效值）；縱向磁化磁勢為0～24 Kat（有效值）。

3.3 檢測靈敏度

檢測靈敏度的判定標(biāo)準(zhǔn)是其能清晰地顯示A1型15/50標(biāo)準(zhǔn)試片存在的缺陷。

3.4 退磁方式

退磁方式是自動衰減的，由縱向最大值變?yōu)榱悖煌舜判Чㄊ４牛?.2 mT。

3.5 工作效率

該設(shè)備的工作效率≤5 min/件。

3.6 工作面輻照度

熒光燈直接照射觀察工作面的輻照度，其輻照度≥800 μw/cm2。

3.7 風(fēng)源

風(fēng)源的壓力≥0.45 Mpa；容量≥2 m3/h。

3.8 整機絕緣電阻

整機的絕緣電阻>2 MΩ。

3.9 設(shè)備的外形尺寸

設(shè)備的外形尺寸（長×寬×高）為4 500 mm×1 200 mm×1 600 mm。

3.10 質(zhì)量

該設(shè)備的質(zhì)量為2 000 kg。

4 試驗

4.1 試片試驗

按照TB/T 3256.3—2011《機車在役零部件無損檢測第3部分：輪對磁粉檢測》中提出的，將A1-15/50型標(biāo)準(zhǔn)試片分別粘貼在車軸的軸頸、軸身、齒輪齒面和齒輪側(cè)面，經(jīng)過噴淋磁化觀察試片，多次調(diào)整電流和相續(xù)，直至試片人工缺陷清晰顯示出來。A型試片顯示完整、清晰，反復(fù)擦掉試片上磁痕多次噴淋磁化，綜合考核其穩(wěn)定性。

4.2 磁場強度試驗

用特斯拉計測量車軸檢測各部位的磁場強度，磁場強度達到了2 840 A/m。

4.3 軟件測試

測試微機控制系統(tǒng)實時采集探傷機的工作電壓、磁化等主要技術(shù)參數(shù)的準(zhǔn)確性。同時，它還測試并打印探傷機日常、季度性能檢查記錄和探傷結(jié)果。其中，主要包括操作者編號、探傷日期、周向磁化電流、縱向磁化電流和探傷結(jié)果，查看其是否能按時間或按工件編號模糊地查詢探傷記錄。

5 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

車軸磁化原理采用的是二路復(fù)合磁化技術(shù)。利用車軸軸向直接通電法可產(chǎn)生車軸周向磁場，沿軸向分布的線圈法會產(chǎn)生車軸縱向磁場，以滿足不同部位的檢測要求。采用工件在磁化的原位置交流自動衰減方式的退磁，其性能穩(wěn)定，效果良好。在軸端部檢測剩磁量≤0.2 mT。為了便于操作者觀察檢測結(jié)果，在距車軸檢測面460 mm左右的側(cè)面安裝紫外線燈。燈具采用了冷光源和反光罩，既增加了輻照度，又避免了紫外光對操作者造成的輻射和散發(fā)大量的熱量。

6 結(jié)論

HXD1型大功率交流機車車軸探傷作業(yè)順利完成，原來探傷一條車軸需要2 h，但現(xiàn)在只需8 min，極大地提高了工作效率。設(shè)備采用了多種先進、成熟的技術(shù)，與其他同類產(chǎn)品相比，它具有一定的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，完全滿足HXD1型大功率交流電力機車車軸磁粉探傷。它不僅能對各型機車光軸進行探傷，還能對HXD1大功率交流機車不退齒輪和抱軸箱組裝狀態(tài)進行探傷。由于機車車軸尺寸大、型號多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，齒輪箱位置、抱軸箱幾何形狀和尺寸多樣化，為了兼顧眾多型號機車車軸的磁粉檢測，周向電極采用內(nèi)置氣缸結(jié)構(gòu)，用加大行程的方法來提高夾持的長短兼顧性；縱向磁化采用傳統(tǒng)的軸向等距環(huán)形分布式開合線圈，無法滿足磁粉檢測工藝的要求。加大縱向采用開合線圈的直徑，直到其能包容抱軸箱，并且在齒輪對稱兩側(cè)位置放寬線圈的間距，以滿足磁化工藝。微機與PLC可編程序控制器聯(lián)合控制，微機控制系統(tǒng)與PLC 系統(tǒng)組成上、下位機形式，工作全過程在PLC控制系統(tǒng)下能夠通過操作面板獨立運行，也可以通過微機操作來實現(xiàn)。微機系統(tǒng)的操作界面為中文的，具有良好的人機對話功能。微機控制系統(tǒng)能實時采集探傷機的工作電壓、磁化等主要技術(shù)參數(shù)，并能以報表的形式輸出打印和存儲探傷機的日常性能校驗、季度性能校驗、檢查記錄和探傷作業(yè)者編號、探傷日期、周向磁化電流、縱向磁化參數(shù)、探傷結(jié)果等內(nèi)容。

參考文獻

[1]宋志哲.磁粉檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2007.

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作者簡介：楊春（1974—），女，山西大同人，工程師，主要從事機車技術(shù)管理工作。

〔編輯：白潔〕