機(jī)車在役連桿銷超聲波探傷研究

■ 余海軍　王蔚明

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機(jī)車在役連桿銷超聲波探傷研究

■ 余海軍王蔚明

摘 要：通過對SS7E型機(jī)車在役連桿銷的超聲波探傷檢測及斷裂分析研究，從連桿銷的組裝工藝及裂紋的形成等方面找到連桿銷斷裂原因，改進(jìn)連桿銷的組裝工藝，實現(xiàn)在役連桿銷不解體超聲波檢測，避免了裂紋的產(chǎn)生，保證了鐵路行車安全。

關(guān)鍵詞：機(jī)車；連桿銷；在役；超聲波檢測；組裝工藝；裂紋；斷裂分析

0　引言

2013年9月，蘭州鐵路局發(fā)生了SS7E型機(jī)車從動齒輪上的連桿銷斷裂事故。蘭州鐵路局非常重視此次事故，立即召集SS7E型機(jī)車制造和檢修單位相關(guān)技術(shù)人員召開了事故分析會，并要求對配屬在蘭州鐵路局的所有SS7E型在役機(jī)車從動齒輪上面的連桿銷進(jìn)行探傷普查。

為了不影響機(jī)車運(yùn)行，連桿銷的探傷普查需在不解體的情況下實施，給探傷工作帶來了一定的困難。如果將連桿銷解體，用磁粉探傷很容易發(fā)現(xiàn)其表面裂紋，如果連桿銷不解體，僅有一小部分外露，不易發(fā)現(xiàn)裂紋。通過對斷裂的連桿銷解剖分析發(fā)現(xiàn)，裂紋出現(xiàn)在大端R面的根部圓弧處，無法實施磁粉探傷，如何實施探傷并有效地檢測出連桿銷上的裂紋成為一個難題。連桿銷斷裂位置見圖1。

圖1　連桿銷斷裂位置

1　連桿銷的作用及組裝工藝

1.1作用

SS7E型機(jī)車傳動裝置采用一級直齒齒輪傳動，把牽引電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)矩，通過從動齒輪上的6個連桿銷傳至六連桿空心軸，再通過主車輪的6個連桿銷傳到輪對。

電機(jī)轉(zhuǎn)矩傳遞路線：主動齒輪→從動齒輪→連桿銷→橡膠關(guān)節(jié)→連桿→連桿銷→橡膠關(guān)節(jié)→空心軸傳動盤→傳動盤→橡膠關(guān)節(jié)→連桿銷→連桿→橡膠關(guān)節(jié)→連桿銷→主車輪→車軸→車輪。

制動扭矩傳遞路線：主車輪→連桿銷→橡膠關(guān)節(jié)→連桿→傳動盤→連桿銷→空心軸→連桿銷→橡膠關(guān)節(jié)→連桿→橡膠關(guān)節(jié)→連桿銷→從動齒輪→主動齒輪→電機(jī)輸出軸。

設(shè)計優(yōu)點：雙側(cè)彈性六連桿傳動保證了系統(tǒng)在振動及曲線運(yùn)行時盡可能小的動荷載及附加應(yīng)力，從而獲得完善的運(yùn)動學(xué)性能。

1.2組裝工藝

正確的組裝方式：采用液氮將連桿銷冷凍到-98 ℃，然后手工將其放入齒輪裝配孔中。在其熱脹過程中會出現(xiàn)微小的凸起，此時采用60 t油壓機(jī)將凸起部分壓入，使其與齒輪的齒心嚴(yán)密貼合，其過盈量在2道以內(nèi)為裝配合格。當(dāng)連桿銷過盈量不足，現(xiàn)場也無油壓機(jī)，使用銅棒敲擊的方式將連桿銷裝入齒輪裝配孔中。

2　探傷檢測方案

由于受現(xiàn)場空間限制，只能在連桿銷的大端柱面和錐面采用超聲波探傷。普通探頭因近場區(qū)的影響無法實施探傷，需采用雙晶探頭及短前沿探頭進(jìn)行探傷檢測。根據(jù)現(xiàn)場情況，可供放置探頭的部位只有大端10 mm的柱面和20 mm左右的錐面。

為了確定檢測方案是否能夠發(fā)現(xiàn)檢測區(qū)域的裂紋并確定實際檢測所需的探傷靈敏度，根據(jù)上述解剖結(jié)果，模擬制作一個實物試塊，采用線切割方式在連桿銷大端R面加工幾個不同深度及角度的人工缺陷。為了達(dá)到盡可能高的靈敏度，可將人工缺陷的深度加工為0.5 mm、1 mm和2 mm，缺陷角度選擇30°及90°，選擇制作90°的人工缺陷主要是考慮檢測連桿銷大端R面根部的橫向裂紋（而實際探傷過程中未發(fā)現(xiàn)這樣的裂紋）。

2.1超聲波探頭選擇

根據(jù)實物連桿銷的裂損情況分析，結(jié)合解剖結(jié)果，要檢測出如前所述的裂紋，需要使超聲波的主聲束垂直于裂紋面，檢出效果最為理想；從解剖結(jié)果來看，裂紋距離連桿銷表面約10 mm，常規(guī)探頭的近場區(qū)約40 mm，因此不能采用常規(guī)探頭進(jìn)行檢測；連桿銷的柱面寬度僅10 mm，不能采用斜探頭探傷，即便采用小徑管探頭，最短的前沿也有5 mm。因此，為了有效檢出連桿銷大端R面的裂紋，考慮采用雙晶探頭來檢測。

雙晶探頭具有以下優(yōu)點：

（1）靈敏度高。雙晶探頭有一發(fā)一收2塊晶片，發(fā)射晶片用發(fā)射靈敏度高的壓電材料制成，接收晶片由接收靈敏度高的壓電材料制成，比單晶探頭的靈敏度高很多，對小缺陷的檢出非常有利。

（2）雜波少、盲區(qū)小。雙晶探頭的發(fā)射和接收分開，消除了發(fā)射壓電晶片與延遲塊之間的發(fā)射雜波，同時由于始脈沖未進(jìn)入放大器，克服了阻塞現(xiàn)象，使盲區(qū)大大減小，為檢測近表面缺陷提供了有利條件。

（3）工件中近場區(qū)長度小。雙晶探頭采用延遲塊，縮短了工件中的近場區(qū)長度，對檢測非常有利。

由于現(xiàn)場探傷條件的限制，需要設(shè)計專用的連桿銷超聲波探頭及專用手柄，這主要出于以下幾點考慮：

（1）由于現(xiàn)場探傷空間狹小，探頭放置空間非常有限，僅可放置在圓柱面和一部分圓錐面上，探傷時還需覆蓋連桿銷一周，同時根據(jù)對斷裂連桿銷的解剖分析可以看出，裂紋從大端R面開始擴(kuò)展，擴(kuò)展深度10～15 mm，因此，將雙晶探頭的晶片尺寸設(shè)計為6 mm×6 mm，焦距設(shè)計為10 mm。

（2）為了克服現(xiàn)場探頭移動不方便的困難，在探頭外殼的有機(jī)玻璃塊上鑲裝2片條形磁鐵，可使探頭比較牢靠地貼在連桿銷上沿著直線移動，防止左右竄動。

（3）由于探頭要覆蓋連桿銷一周，部分位置靠手工很難觸及，因此在探頭前端加裝了一個專用手柄，可以靈活方便地拖拽探頭進(jìn)行移動探傷（見圖2）。

2.2實物試塊制作

根據(jù)實物連桿銷裂紋發(fā)生的部位和取向，制作模擬裂紋的實物試塊，分別制作了與連桿銷軸向呈30°和90°角、深度為0.5 mm和1 mm的4個人工缺陷，采用線切割加工而成。

2.3探傷靈敏度校準(zhǔn)及實物檢測

2.3.1探傷靈敏度校準(zhǔn)

探傷前需對雙晶探頭和單晶斜探頭分別進(jìn)行測距校準(zhǔn)，這里以雙晶探頭為例進(jìn)行說明：首先將雙晶探頭放置在實物對比試塊的圓柱面上，采用試塊上的φ50 mm中心孔作為基準(zhǔn)反射體，將中心孔的一次底波和二次底波的最高反射波分別調(diào)整到23 mm和46 mm（見圖3），然后將經(jīng)過校準(zhǔn)的雙晶探頭置于連桿銷實物對比試塊的大端圓柱面上，前后移動探頭，找到深度為0.5 mm或1 mm的人工缺陷，將其最高反射波調(diào)整到熒光屏滿幅度的80%（見圖4）。

2.3.2實物檢測

由于現(xiàn)場檢測時連桿銷表面有油污、銹蝕等雜物，加之受空間狹小等條件影響，實際探傷時耦合差補(bǔ)償4～6 dB，在此靈敏度下做鋸齒形掃查，觀察底波前是否有異常波形出現(xiàn)，可以準(zhǔn)確地檢測出裂紋（見圖5）。

圖2　連桿銷專用探頭及手柄

圖3　雙晶探頭測距校準(zhǔn)

圖5　有裂紋的連桿銷波形圖

從圖5可以看出，裂紋的存在導(dǎo)致底波明顯下降，對連桿銷進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)裂紋位于連桿銷大端R面根部圓弧處，與水平線夾角30°，長度15 mm左右。

在現(xiàn)場對連桿銷進(jìn)行超聲波探傷的過程中，發(fā)現(xiàn)底波前偶爾會出現(xiàn)2個異常反射波，該反射波沿連桿銷圓周方向一周都可能出現(xiàn)，且波形位置相對固定，波峰起伏變化不大，初步分析不應(yīng)是裂紋類反射，波峰不尖銳，波根較寬（見圖6）。

圖6中箭頭所指為探傷中發(fā)現(xiàn)的底波前的異常反射波，波形酷似裂紋波，起波不猛烈，為了確定底波前的異常反射波的產(chǎn)生原因，隨機(jī)選取1個反射波較高的連桿銷解體進(jìn)行磁粉探傷，磁粉探傷顯示有輕微的磁粉聚集，但磁痕比較松散且均勻，隨后對連桿銷進(jìn)行解剖取樣分析，檢測結(jié)果顯示為索氏體，超聲波探傷有異常波形及磁粉探傷磁粉聚集區(qū)域未見缺陷，說明該異常波及磁粉聚集不是由于缺陷產(chǎn)生的，目視可以看到該部位有加工刀痕的痕跡，由此可知，此處造成的聚粉現(xiàn)象和超聲波顯示的異常波形并非真正缺陷。圖7為100倍放大鏡下觀察得到的加工刀痕處的金相組織。

3　斷裂原因分析

對裂損的連桿銷進(jìn)行對比分析，圖8為連桿銷的完好件及斷裂件的對比，圖9為斷裂連桿銷的斷口形貌，對其中一個斷裂的連桿銷進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)裂紋位于連桿銷大端R面根部圓弧處，與水平線夾角30°，長度15 mm左右，呈內(nèi)八字（見圖10）。從斷口分析推斷，連桿銷的裂紋有可能由于裝配過程中采用了錘擊方式產(chǎn)生的，在機(jī)車運(yùn)行過程中受交變荷載的作用致使裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致連桿銷斷裂。

圖6　底波前的異常反射波

圖7　金相組織示意圖（100×）

圖8　連桿銷完好件及斷裂件示意圖

圖9　連桿銷斷口形貌

圖10　斷裂連桿銷解剖后的形貌

為了證實這個推斷是否正確，隨機(jī)選取采用錘擊方式裝配的2臺車共72個連桿銷，利用上述檢測方法全部進(jìn)行超聲波探傷，發(fā)現(xiàn)有9個連桿銷存在缺陷波，隨后解體進(jìn)行磁粉探傷確認(rèn)，準(zhǔn)確率為100%，說明采用錘擊方式裝配的連桿銷在敲擊過程中會產(chǎn)生一定的應(yīng)力，極有可能產(chǎn)生裂紋類缺陷。在隨后的機(jī)車運(yùn)行過程中，又受到交變荷載的作用，會使錘擊裂紋不斷擴(kuò)展，造成連桿銷斷裂，直接威脅行車安全。而采用油壓機(jī)壓入方式裝配的連桿銷由于在裝配過程中受力均勻，過盈量適當(dāng)，不會產(chǎn)生大的應(yīng)力，因此一般情況下不會產(chǎn)生裂紋類缺陷，在使用過程中也不會在大端R面產(chǎn)生疲勞裂紋。

4　結(jié)論

通過以上超聲波探傷方法，可以準(zhǔn)確可靠地將連桿銷大端R面產(chǎn)生的裂紋檢出，同時可以根據(jù)缺陷反射波的位置及波形特征準(zhǔn)確地分辨裂紋波及由于加工刀痕產(chǎn)生的反射波，實現(xiàn)連桿銷不解體狀態(tài)下的超聲波檢測。在對斷裂連桿銷進(jìn)行解剖及裝配試驗后可知，采用錘擊方式裝配是連桿銷產(chǎn)生裂損的根本原因，因此，正確的組裝工藝可以避免連桿銷產(chǎn)生應(yīng)力繼而避免產(chǎn)生裂紋。

另外經(jīng)過現(xiàn)場試驗，采用這種方法還可以對新裝配好的連桿銷進(jìn)行超聲波探傷，以此來判斷是否存在裂紋，從而檢驗裝配過程是否滿足工藝要求。該技術(shù)可應(yīng)用在類似的連桿銷新造和檢修狀態(tài)的超聲波檢測，可以準(zhǔn)確地檢測出錘擊裂紋及疲勞裂紋，可操作性強(qiáng)，探傷結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，進(jìn)一步保證了機(jī)車行車安全。

5　參考文獻(xiàn)

[1] 鄭暉，林樹青. 超聲檢測[M]. 北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[2] 夏紀(jì)真. 工業(yè)超聲波無損檢測技術(shù)[M]. 廣州：廣東科技出版社，2009.

余海軍：中車大同電力機(jī)車有限公司技術(shù)中心工藝開發(fā)部，工程師，山西 大同，037038

王蔚明：中車成都機(jī)車車輛有限公司技術(shù)中心質(zhì)量管理部，高級工程師，四川 成都，610091

責(zé)任編輯 苑曉蒙

中圖分類號：U269

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-061X（2016）02-0086-04