相控陣超聲波探傷技術在鐵路車輛輪軸裂紋檢測中的應用研究

張恒

（神華鐵路貨車運輸有限責任公司榆林車輛維修分公司，陜西 神木 719300）

車軸在鐵路車輛運行過程中，承受較大的復雜載荷，圖1所示的車軸軸頸根部A、B、C、D四個部位，是車軸承受交變彎矩載荷最大的地方，在此區域應力達到最大，由于車軸是旋轉的，所以應力是交變的，這種交變的應力必然引起疲勞，因此，車軸軸頸根部產生疲勞裂紋的概率總是大于其他部分，將此處產生的裂紋稱為“軸頸裂紋”。通過實際調研發現，約有60%以上的報廢車軸是“軸頸裂紋”所致。

圖1 車軸易發生裂紋缺陷部位

由軸頸裂紋導致斷軸通常會造成鐵路車輛顛覆，帶來重大的人身和財產損失。因此，軸頸裂紋屬于重大安全隱患，對軸頸裂紋的檢測就成為各鐵路車輛造修單位最重要的檢測工作之一。

超聲波探傷技術應用于鐵路車輛車軸的無損檢測探傷已有幾十年的歷史，為提高輪軸檢修質量和保證行車安全起到了重要的作用。目前，一般在輪軸檢修流水線上設備輪軸微控超聲波自動探傷和輪軸手工多通道超聲波探傷兩個工序，以防止缺陷漏檢。

相控陣技術最早應用于軍事領域，F22、“宙斯盾”等相控陣雷達均應用了此項技術，屬于國外高端軍事機密。目前在國際上，有許多國家采用相控陣超聲波探傷技術對車軸進行探傷。德國鐵路車輛超聲波探傷，采用的是16晶片的相控陣技術，檢測時完全以設備的自動檢測為準，當設備檢測發現缺陷時，改由人工慢速掃描，對缺陷進行核實。檢測時，探頭在軸身上固定不動，輪軸轉動一周，完成整個輪軸的超聲波檢測。該技術從2003年使用至今，探傷效果明顯，設備也未產生較大的故障。

相控陣探傷技術可靠性高、抗干擾能力強，同時，具有更高的檢測速度，更強的檢測能力及更好的報告和追溯能力，不僅可以避免人為因素，還可通過技術、工藝、設備的改變，解決目前輪軸自動探傷中存在的耦合穩定性等諸多問題。目前，國內已有單位在進行相關技術研究，神華集團還研發了國內第一套探測設備，并在鐵路貨車公司榆林分公司進行了4年多的現場應用考驗，取得了良好的效果，為推動鐵路車輛輪軸探傷技術革新進行了積極的探索。

1 當前微控自動超聲波探傷機在輪軸裂紋檢測中存在的問題

1.1 既有超聲波探傷工藝介紹

輪軸檢修、組裝、加工時，需執行《鐵路貨車輪軸組裝、檢修及管理規則》（以下簡稱《輪軌》）各項規定，輪軸探傷需要對全軸穿透檢測、軸頸根部或卸荷槽部位、輪座鑲入部等三個部位進行檢查。工藝流程要求滿足微控超聲波探傷檢查后，再全部進行手工對通道復探工序，探傷結果以手工為準。手工超聲波探傷確認軸頸根部或卸荷槽部位、輪座鑲入部可能存在裂紋或缺陷時，需退卸軸承、解體輪對，通過磁粉探傷的方式，最終定性車軸缺陷的性質。

1.2 既有超聲波探傷存在的問題

目前，鐵路車輛檢修行業對車軸進行超聲波自動化檢測時，一直采用單晶片探頭A型掃描技術，即采用單個角度的橫波斜探頭掃查車軸座鑲入部，采用小角度縱波探頭掃查車軸軸頸根部，建立在此探傷技術上的自動檢測設備也只是采用機械臂代替人工移動探頭，檢測技術沒有根本性突破。由于受到A型掃描技術及單晶片探頭聲場結構的限制，提高車軸檢測靈敏度必然會帶來誤判率較高的問題，因此，提高車軸疲勞裂紋檢測靈敏度及可靠性的根本途徑，就是要研究先進成熟的超聲波檢測技術代替現有的A型掃描。

為提高車軸探傷的可靠性，確保輪軸檢修質量，太原北車輛段從2010年起，對探傷所有崗位進行了跟蹤調查（含微控超聲波自動探傷機、手工多通道超聲波探傷機、輪對及車軸3000型磁粉探傷機），并對車軸裂紋、缺陷等故障結果進行了統計分析。2010年5月至2012年6月，太原北車輛段統計經微控超聲波自動探傷機檢測漏探的典型故障共有15件，其中車軸局部透聲不良漏探5件，車軸內部缺陷漏探4件，軸頸擠壓缺陷漏探3件，輪座鑲入部內側裂紋漏探2件，壓裝缺陷漏探1件，漏探缺陷覆蓋車軸的全部探傷檢查部位。

1.3 問題原因分析

經過對系統性分析，目前所使用的微控超聲波自動探傷機在程序設計、機械結構、探傷靈敏度、缺陷判斷等方面存在一些問題，可能導致缺陷漏探。主要有三個方面的原因：一是微控超聲波探傷機探傷系統靈敏度偏低，《輪軌》對微控超聲波自動探傷機和手工多通道探傷儀的靈敏度標定的規定各異，微控超聲波自動探傷機也較手工多通道探傷儀靈敏度偏低；二是微控超聲波自動探傷機探頭的掃查范圍較小；三是探測人工裂紋和自然裂紋時靈敏度有差異。

2 相控陣超聲波探傷技術的應用

2.1 輪軸裂紋相控陣超聲波探傷原理

2.1.1 相控陣探頭結構原理

超聲相控陣是超聲探頭晶片的組合，由多個壓電晶片按一定的規律分布排列，然后逐次按預先規定的延遲時間激發各個晶片，所有晶片發射的超聲波形成一個整體波陣面，能有效地控制發射超聲束（波陣面）的形狀和方向，能實現超聲波的波束掃描、偏轉和聚焦。它為確定不連續性的形狀、大小和方向提供比單個或多個探頭系統更大的能力。

通常使用的是一維線形陣列探頭，壓電晶片呈直線狀排列，聚焦聲場為片狀，能夠得到缺陷的二維圖像，在工業中得到廣泛的應用。

2.1.2 陣列類型

陣列顧名思義就是晶片在探頭中排列的幾何形狀。相控陣探頭有三種主要陣列類型：線形（線陣列）、面形（二維矩形陣列）和環形（圓形陣列）（圖2）。目前相控陣探頭大多數采用線形陣列，因為線形陣列編程容易，費用明顯低于其他陣列。

圖2 探頭晶片陣列圖

2.1.3 陣列系統

相控陣換能器系統能控制超聲束的轉向，這是實時超聲成像中的關鍵特性。而實時成像中，能夠對快速移動的組織結構成像和評價，并且該工藝易于實現自動化，從而消除因操作技術水平的差別引起的判斷變化。實現實時成像的三種掃描方法：線形掃描、扇形掃描和在線形掃描的界面上帶有扇形掃描的線形掃描。相控陣列除有效地控制發射超聲束的形狀和方向外，還實現和完善了復雜的無損檢測應用要求的兩個條件：動態聚焦和實時掃描。

2.1.4 B掃描檢測原理

A型顯示是一種波形顯示，探傷儀熒光屏的橫坐標代表聲波的傳播時間（或距離），縱坐標代表反射波的幅度。由反射波的位置可以確定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷現大小。

B型超聲波探傷因其成像方式采用輝度調制（brightness modulation）而得名，其圖像所顯示的是工件的二維超聲斷層圖（或稱剖面圖）。探傷儀熒光屏的橫坐標是靠機械掃描來代表探頭的掃查軌跡，縱坐標是靠電子掃描來代表聲波的傳播時間（或距離），因而可直觀地顯示出被探工件任一縱向截面上缺陷的分布及缺陷的深度，但不能精確顯示缺陷的面積大小。

B型超聲波探傷采用輝度調制方式顯示深度方向所有界面反射回波，但探頭發射的超聲聲束在水平方向上卻是以快速電子掃描的方法（相當于快速等間隔改變A超探頭在工件上的位置），逐次獲得不同位置的深度方向所有界面的反射回波，當一幀掃描完成，便可得到一幅由超聲聲束掃描方向決定的垂直平面二維超聲斷層圖像，也稱之為線掃斷層圖像。

2.2 輪對檢測方案

車軸兩端面采用組合探頭，軸身相控陣探頭采用128：128相控陣通道、16:16組脈沖回波通道PAAUT探傷系統，該系統可支持2個相控陣探頭及多個脈沖回波探頭同時成像檢測，并同時進行數據采集分析。

2.2.1 輪座鑲入部位相控陣超聲檢測

采用2個頻率為2-5MHz/64:64單元相控陣探頭沿車軸周向（探頭放置位置如圖3），探頭距輪座內肩80mm，通過整圈扇形掃描可100%覆蓋整個輪座鑲入部。扇形掃查角度范圍為39°～64°。相控陣檢測輪座鑲入部結果直觀，車軸參數數據庫可編輯，不只滿足RD2型車軸與RE2B型車軸檢測，更可擴展其他軸型的檢測，人性化的設置界面，方便探傷工的操作。

圖3 探頭放置位置示意圖

此系統可接入兩組相控陣，每組相控陣可同時激發/接收64個相控陣單元，每一通道上的單晶、雙晶聚焦法則可獨立設定。由于激發單元數量達到了64個，與常規16激發或32激發相控陣設備相比，激發能量更強、信號更加穩定、采樣效率、聚焦精度、靈敏度均得到提高（64激發相控陣聚焦法則達到8192個，而32激發相控陣聚焦法則只有2048個），且真正實現了支持面性探頭的硬件基礎（如8×8面陣探頭需要64激發/64接收通道）。獨立可調激發/接收陣列孔徑，每個陣列孔徑可由1至64個晶片構成，每個通道具備自身的模/數轉換（并行模/數轉換及動態數字相位調整）。例如：32激發通道時信號波幅70%，脈沖寬度10%，波幅低且寬度大能量小分辨率差；64激發通道時信號波幅95%，脈沖寬度5%，波幅高且寬度小能量強分辨率高，且激發通道數越多采樣效率越高，64激發比16激發采樣效率低4倍。

現場進行對比試驗后發現，使用32晶片相控陣探頭和64晶片相控陣探頭對同一車軸對比試塊進行檢測。由試驗結果可以得出，與傳統16激發或32激發相控陣系統相比，64激發通道的系統可以得到更加優質的數據及圖象，大大提高了信號分辨率、靈敏度度、描述能力及采樣效率，尤其是對實心厚壁工件，遠聲程能量更強。

2.2.2 全軸穿透與軸頸根部B掃描檢測

采用2個組合式探頭沿軸端面，通過整圈B掃描可100%覆蓋整個軸頸根部，并可對全軸進行100%穿透檢測。

軸頸根部檢測，采用2個頻率為4-5MHz/23°～28°（探頭折射角）的縱波探頭在軸端面進行檢測；全軸穿透檢測，采用2.5MHz-20Z探頭，在軸端面對全軸進行穿透檢測。

組合式探頭B掃描成像檢測采用小角度縱波斜探頭檢測，結合特有的B掃描成像軟件系統，通過圖像與A超信號綜合分析評判，解決了常規超聲只能通過A超信號評判造成缺陷錯判、漏判的不足。同時特有的探頭組合定位系統和專利降噪檢測技術保證了聲束的指向性和分辨率，大大提高檢測效率。

2.3 相控陣探傷機與微控探傷機性能對比分析

2.3.1 相控陣超聲波探傷技術的主要特點

（1）相控陣超聲波檢測技術缺陷顯示直觀可靠。普通超聲探傷為A型掃描技術，是波形顯示技術，缺陷在示波屏上顯示回波，操作者根據回波高度評價缺陷嚴重程度，缺陷顯示不直觀，可靠性差。而相控陣超聲波檢測技術可自動生成裂紋的B型顯示圖，能夠直觀顯示裂紋的大致尺寸及其相對位置。此外，普通超聲波探頭，在探傷時為了完成對輪對、車軸的全部掃查工作，除需要圍繞輪對、車軸圓周運轉外，還要左右移動掃查，降低了探頭對工件檢測的可靠性。而相控陣探頭在工作時是靜止狀態，只需工件轉動即可完成對整個工件的檢測過程，使得檢測結果更加準確。

（2）相控陣超聲波探頭可實現聲束聚焦檢測，靈敏度高。通過動態控制聲束的偏轉和聚焦，可實現焦點的動態控制，從而實現動態聚焦檢測，這不僅可提高檢測靈敏度，達到車軸表面0.5mm當量裂紋檢測靈敏度要求，還可以提高檢測信噪比，使裂紋信號更加容易識別。尤其在軸頸根部及輪座壓裝部，相控陣在獲取高靈敏度的前提下，可有效抑制雜波干擾。普通超聲探傷為單晶片A型掃描技術，由于受到聲場結構的限制，在達到0.5mm當量裂紋檢測靈敏度時，壓裝應力波、透油透銹波及潤滑油脂發射波也將大幅提高，傳統的探傷方法將不可避免地帶來誤判率較高的問題。

（3）相控陣超聲波探傷缺陷定性準確，誤判率低。相控陣超聲波探傷獲取有關發射源的信息較單晶片A型掃描技術全面、信息量大，從而可方便地對探傷缺陷性質進行評估。通常超聲波在發射和反射時，聲束都會發生擴散，擴散角與晶片和發射源形狀有關。當為單晶探頭時，晶片接收到一定范圍內反射波的基本信息；但用相控陣探頭時，因陣列小晶片能分別獨立接收反射波，由于小晶片接收波形各不相同，因而能捕捉到反射波的擴散細節，可獲得有關反射源的形狀信息，方便探傷人員對缺陷性質進行鑒別。

（4）相控陣超聲波檢測技術可根據需要在不同方向或不同位置上實現聲場相位疊加，以控制聲束的指向性，采用單個小型的電控單元探頭可在同一位置做多角度檢測。對于探頭前后移動掃查區域受到限制的輪對，相控陣超聲波檢測只需旋轉一周即可完成檢測，不需要前后移動探頭掃查，技術上具有明顯的優勢。

（5）相控陣超聲波檢測技術可以動態存儲檢測過程的全部A型掃描信息及B、C型掃描圖像，并可以查詢和網絡傳輸，增強了探傷結果的可追溯性，有利于強化探傷管理及監控工作。

2.4 相控陣超聲波探傷機檢測情況數據統計

神華鐵路貨車運輸有限責任公司榆林車輛維修分公司自2014年起啟動相控陣超聲波探傷機的現場試用工作，與既有微控超聲波自動探傷機和手工多通道探傷同時進行，本文對微控超聲波探傷、手工多通道探傷、相控陣超聲波探傷結果的準確性進行了比較。

2015～2017年，共測試探傷23678條輪對，微機預報裂紋輪對共254條，手工復探發現裂紋輪對47條，相控陣預報裂紋輪對15條，入廠反饋確認裂紋輪對12條。由檢測結果可見，相控陣超聲波探傷的準確率遠高于其他兩種檢測方法。

3 結語

隨著高速重載鐵路車輛持續投入運用，現有的微控超聲波自動探傷機和手工多通道探傷儀難以滿足鐵路車輛檢修技術改革發展的需求和檢修標準化、現代化的發展趨勢。

本文對現有鐵路車輛輪軸超聲波探傷存在的漏探風險進行了研究分析，并從檢測原理入手闡述了相控陣超聲波檢測的優勢，研究了神華鐵路貨車運輸有限責任公司榆林車輛維修分公司相控陣超聲波探傷的技術方法和應用成果，相控陣超聲波檢測方法的靈敏度、可靠性更高，且檢測結果成像直觀，便于缺陷判讀，受人為因素影響小，可更加有效的保證鐵路車輛檢修質量和運行安全。

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