脈沖反射法在CRH3型動(dòng)車組空心軸探傷中的運(yùn)用

胡建平　鄒　盛

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院1）　衡陽(yáng)　421001　廣鐵集團(tuán)衡陽(yáng)車輛段2）　衡陽(yáng)　421001）

脈沖反射法在CRH3型動(dòng)車組空心軸探傷中的運(yùn)用

胡建平1）鄒盛2）

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院1）衡陽(yáng)421001廣鐵集團(tuán)衡陽(yáng)車輛段2）衡陽(yáng)421001）

空心軸的探傷直接決定著車軸的質(zhì)量，對(duì)行車安全起著至關(guān)重要的作用，設(shè)計(jì)對(duì)CRH3型動(dòng)車組心軸的探傷方法，通過(guò)分析探傷位、波形圖像，提出判斷裂紋形狀的方法。為動(dòng)車的空心軸探傷提供新的依據(jù)。

空心軸探傷波形裂紋

1　前言

高速動(dòng)車已成為我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)闹髁?，檢修保證動(dòng)車可靠運(yùn)行的重要措施，而探傷在排除機(jī)械隱患方面起著至關(guān)重要的作用。空心車軸超聲波探傷分為動(dòng)車基地探傷和動(dòng)車運(yùn)用所探傷。動(dòng)車基地探傷是指在動(dòng)車組實(shí)施三、四、五級(jí)修程時(shí)，將輪對(duì)（空心車軸）卸下，對(duì)空心車軸進(jìn)行超聲波探傷檢查。動(dòng)車運(yùn)用所探傷是指動(dòng)車組每達(dá)到一定的運(yùn)行里程，在現(xiàn)車上對(duì)空心車軸進(jìn)行的超聲波探傷檢查。動(dòng)車運(yùn)用所探傷間隔的運(yùn)行里為每10萬(wàn)公里。

2　脈沖反射法探傷方法

圖1　脈沖反射法接線圖形

圖2　脈沖反射法擴(kuò)展波形

脈沖反射法是利用脈沖超聲波入射至被測(cè)工件后，聲波在工件內(nèi)的反射狀況，就會(huì)顯示在熒光屏上，根據(jù)反射波的時(shí)間及形狀，來(lái)判斷工件內(nèi)部缺陷及材料性質(zhì)的方法。測(cè)試圖如圖1所示。用示波器觀察底波的擴(kuò)展波形，如圖2，在這個(gè)波形中，以峰值 P為基準(zhǔn)，讀取其前一個(gè)和后兩個(gè)共計(jì)三個(gè)周期的時(shí)間T3（μS），把T3作為測(cè)量值，則回波頻率f可按如下公式計(jì)算：f=3/T3式中f——回波頻率，T3——時(shí)間μS

由于探頭的等效阻抗測(cè)量條件的限制，故測(cè)量在探頭“發(fā)射”的粗調(diào)檔進(jìn)行。測(cè)得 f以后，即可算出回波頻率誤差△f=f－f標(biāo)稱。將探頭置于TDZ標(biāo)準(zhǔn)試塊的K值測(cè)量位置，其位置如圖3，耦合良好，移動(dòng)探頭位置使來(lái)自Φ50 mm和Φ44兩孔的回波A、B高度相等，并約為20～30 %滿刻度，如圖4中h1。

圖3　CRH3 空心軸位置示意圖

圖4　回波

調(diào)節(jié)衰減器，使A、B兩波峰間的波谷上升到原來(lái)的波峰高度，此時(shí)衰減器所釋放的dB數(shù)（等于用衰減器讀出的缺口深度h1/h2之值）即為以dB值表示的分辨力。

3　探傷分析

這里以+45°探頭探測(cè) CRH3型動(dòng)車組動(dòng)軸輪座處橫向裂紋為例說(shuō)明空心車軸從內(nèi)孔采用脈沖反射法進(jìn)行超聲波探傷的A顯示圖像特征以及B、C顯示圖像形成原理和圖像特征，以此作為判傷分析時(shí)的參考?？招能囕S超聲波探傷中，探頭主聲束中心線如圖5所示：實(shí)際的聲束是從探頭發(fā)出后呈擴(kuò)散狀，具有一定的擴(kuò)散角。

圖5　探頭主聲束中心線

3.1橫向裂紋A顯示圖像特征

圖6　橫向裂紋反射波形圖

橫向裂紋反射波很干凈，波峰尖銳、猛烈，如圖 6所示。根部前沿比較干凈，后沿有時(shí)存在微少雜波。

圖7　探頭運(yùn)動(dòng)示意圖

裂紋有一定深度時(shí)，會(huì)形成裂紋反射波，當(dāng)探頭在空心車軸軸孔內(nèi)壁沿軸向方向往復(fù)移動(dòng)時(shí)，由于聲程大小的變化，反射波在A顯示圖像中左右移動(dòng)，而且波峰逐漸由高變低，再由低變高。如圖7所示，位置①表示聲束前沿掃查到裂紋，位置②表示主聲束掃查到裂紋的位置，位置③表示聲束后沿掃查到裂紋，三個(gè)位置的A顯示如圖8所示。

圖8　裂紋A圖

3.2當(dāng)探頭沿空心車軸軸孔內(nèi)壁作周向平穩(wěn)移動(dòng)時(shí)，由于裂紋反射面的深度有變化（如圖9所示）， A顯示圖像中反射波幅度逐漸變化，但由于聲程沒(méi)有變化故反射波無(wú)左右移動(dòng)的現(xiàn)象。

圖9　裂紋反射面深度變化圖

3.3裂紋B顯示圖像形成及其特征

B顯示圖像是在以軸內(nèi)表面至外表面的深度方向?yàn)榭v坐標(biāo)和以軸向長(zhǎng)度方向?yàn)闄M坐標(biāo)的坐標(biāo)系中，以不同深淺顏色的點(diǎn)來(lái)反映不同聲波反射幅度。

探頭在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)同一個(gè)缺陷可能發(fā)現(xiàn)多次，如圖10：

圖10　探頭運(yùn)行示意圖

系統(tǒng)分別計(jì)算探頭在三個(gè)位置處所得回波的深度，如圖8所示，即計(jì)算圖11中的d1、d2、d3。在圖11中可以看出：d1 = L1×cos(θ1)d2 = L2×cos(θ2)d3 = L3×cos(θ3)其中L1、L2、L3，根據(jù)系統(tǒng)記錄的回波返回時(shí)間和預(yù)先設(shè)定的材質(zhì)聲速計(jì)算得出，且從圖12中可以看出L1>L2>L3。θ1、θ2、θ3為折射角，從圖8中可以看出θ1>θ2>θ3，但是系統(tǒng)統(tǒng)一認(rèn)為是45°，因?yàn)橄到y(tǒng)初始登記的探頭折射角為45°。這樣，上式中計(jì)算出來(lái)的結(jié)果是d1>d2>d3，在B圖中三個(gè)回波顯示如圖11所示：

圖11　不同位置回波深度示意圖　

從圖11可以看出有如下特點(diǎn)：

（1）在B顯示圖像中位置①為最深位置，位置③為最淺位置。

（2）+45°探頭在B顯示圖像中的裂紋顯示為呈斜向左下角的斜線。

（3）中心位置②處的裂紋回波幅度最大，兩邊的回波幅度逐漸減小，這里只畫出了三個(gè)典型位置，實(shí)際一個(gè)裂紋缺陷可能被探頭掃描多次，圖12為空心軸實(shí)際探傷時(shí)B顯示圖像。

F3.3 裂紋C顯示圖像形成及其特征

圖12　空心軸實(shí)際探傷時(shí)B顯示圖

C顯示圖像是在以周向角度為縱坐標(biāo)和以軸向長(zhǎng)度為橫坐標(biāo)的坐標(biāo)系中，以不同深淺顏色的點(diǎn)來(lái)反映不同聲波反射幅度。

以2mm深的橫向裂紋為例，如圖13所示：

圖13　橫向裂紋示意圖　

圖14　缺陷反映C顯示圖　

從圖中可以看出，2mm深的橫向裂紋在CRH3型動(dòng)軸輪座上的旋長(zhǎng)為39.6mm，圓心角為23°，如果周期脈沖觸發(fā)角度設(shè)置為1°，因此理論上探頭在空心車軸中旋轉(zhuǎn)一周可以探測(cè)到裂紋23次，實(shí)際檢測(cè)到次數(shù)要小于23次，因?yàn)榱鸭y兩端頭的深度太小可能無(wú)法被探測(cè)到。

圖11中的探頭在三個(gè)位置缺陷反映在C顯示圖像中顯示為如圖14所示：

從圖14中可以看出，C顯示圖像存在一下特征：

（1）從左到右，中間列最反射幅度較強(qiáng)，即反射聲波沿軸向方向先由弱變強(qiáng)，然后又逐漸減弱，反映了探頭由遠(yuǎn)處逐漸接近裂紋，又逐漸遠(yuǎn)離的過(guò)程，C顯示圖像如圖15所示。

圖15　反射幅度顯示圖

（2）從上到下，中間排的聲波反射幅度較強(qiáng)，即先由弱變強(qiáng)，再由強(qiáng)變?nèi)?，反映了弓形裂紋的中間部位由于深度最大（此處為2 mm）故聲波反射幅度最強(qiáng)，如圖16所示：

圖16　聲波反射幅度效果圖　

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析，提供了脈沖反射法探傷接線圖，設(shè)計(jì)了探傷計(jì)算方法，通過(guò)以+45°探頭探測(cè)CRH3型動(dòng)車組動(dòng)軸輪座處橫向裂紋為例說(shuō)明空心車軸從內(nèi)孔采用脈沖反射法進(jìn)行超聲波探傷的A顯示圖像特征以及B、C顯示圖像形成原理和圖像特征，證明了探測(cè)方法的可行性與實(shí)用性。

[1]CRH系列動(dòng)車組空心車軸超聲波挫傷工藝規(guī)程(運(yùn)裝客車[2008]694號(hào))[Z].2008

[2]顧小山CRH1型動(dòng)車組空心車軸探傷作業(yè)輔助工藝探討[J].鐵道車輛.2014 62(6):37-39

[3]高微,陳虹.動(dòng)車空心軸探傷設(shè)備存在的問(wèn)題及措施和建議[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督.2008 36(9):24-26

[4]晏銳.高速動(dòng)車組走行部檢測(cè)探傷及動(dòng)車段(所)檢測(cè)探傷設(shè)備配置的思路[J].鐵道車輛.2010 48(5):37-41

Application of Pulse Echo Method in Crack Detection of Hollow Shaft for CRH3 Multiple Units

HU Jian-ping1)ZOU Sheng2)
(Hunan Technical College of Railway High-speed1)HengyangHunan421001China Hengyang Car Depot, Guangzhou Railway (Group) Corporation2)HengyangHunan421001China )

The crack detection of hollow shaft is a guarantee for the quality of shaft and plays an essential role for a safe operation of railway. This paper designs a crack detection method for the hollow shaft of CRH3 multiple units and brings forward a new way for determining cracks patters by analyzing detection zones and wave image, which can be regarded as a new basis for crack detection of hollow shaft for multiple units.

hollow shaftcrack detectionwave patterncrack

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-1816(2015)04-0036-

2015-10-14

胡建平，講師，研究方向鐵道車輛教學(xué)與研究。