貨車車鉤缺陷超聲檢測裝置研究*

朱榮華，占小紅

（1.南京鐵道職業技術學院，江蘇 南京 210031；2.南京航空航天大學，江蘇 南京 210031）

1 車鉤構造及現有缺陷檢測方法分析

隨著貨車運行速度的提高及列車載重、編組數量和牽引噸位的增加，鐵路貨運已進入重載快速運輸時代。貨車運行過程中，車輛之間產生的縱向沖擊力也隨之加大，對車鉤的性能提出了更高要求。

車鉤作為列車的重要連接部件，用于車輛之間、機車或動車相互連掛，傳遞牽引力和制動力并緩和縱向沖擊力。其由鉤體、緩沖器、鉤尾框、從板等部件組成一個整體，安裝于車底架構端的牽引梁內，如圖1所示。貨車車鉤以13型和17型為主，其中13型車鉤主要用在載重60t級貨車上，17型車鉤多用在載重70t級及以上貨車。車鉤的制造主要采用鑄造工藝方法，由于鑄造過程中易產生縮孔、縮松等內部缺陷，且鉤體、鉤舌在運用過程中受交變載荷作用，這些缺陷容易成為裂紋源，造成鉤體、鉤舌的裂損和牽引接觸面嚴重磨耗。從國內外貨車主型車鉤的運用情況看，鉤體和鉤舌的損傷主要表現為裂紋和斷裂。造成裂紋損傷的主要原因是車鉤制造過程中的缺陷（氣孔、夾雜、縮孔、縮松等鑄造缺陷）和材料的機械性能指標不符合標準要求，特別是在材料的抗拉強度提高后，塑性和韌性指標偏低，造成疲勞強度降低。此外，車鉤鉤體和鉤舌上、下牽引臺載荷的不均勻性較大，造成鉤舌上、下牽引臺根部因偏載，強度嚴重不足，易導致鉤舌斷裂。鉤舌結構圖見圖2。

圖1 車鉤結構圖

目前，車鉤運用過程的健康狀態主要通過列檢TFDS來檢查宏觀的折斷，磁粉檢測來檢查車鉤表面裂紋。趙耀等針對鐵路貨車故障軌邊圖像檢測系統采集的車鉤緩沖區域影像，提出一種基于DTW區域劃分的影像校正方法，從而實現車鉤緩沖部圖像的整體校正[1]。趙彩虹等應用感應電流法磁化原理，利用專用磁化裝置，實現車鉤鉤頸內腔表面橫向缺陷的磁粉檢測[2-3]。祁三軍等采用射線和超聲波檢測對車鉤檢測進行了比較，結果表明射線檢測可直觀反映車鉤內部缺陷的形貌，且射線檢測能檢測出的最小缺陷尺寸要小于超聲波檢測。檢測區域比較厚，射線無法穿透，只能采用超聲波檢測[4-5]。萬升云等采用磁記憶檢測技術和磁粉探傷對鉤體、鉤舌、鉤尾框進行了無損檢測對比，結果表明磁記憶檢測鑄鋼件時不需對其進行表面處理。磁記憶檢測技術能夠檢測出鉤體、鉤舌、鉤尾框受力構件已經出現的缺陷，還能發現這些構件上瀕臨損傷的區域[6-7]。澳大利亞BHP公司采用超聲波相控陣技術對鉤尾框后彎角部位進行了檢測研究，探頭在掃描尾框后彎角時采用Z字形掃描，并采用在尾框實物切取的樣塊預制缺陷的辦法，對設備進行校準。與傳統掃描技術相比，超聲波相控陣檢測成像及缺陷識別更加直觀、準確[8]。

超聲探傷是利用超聲波與工件相互作用，研究反射、透射和散射的波，并對工件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征，進而對其特定應用性進行評價的技術，如圖3所示。聲源產生的脈沖波進入到工件中，超聲波在工件中以一定方向和速度向前傳播，遇到兩側聲阻抗有差異的界面時部分聲波被反射，超聲檢測設備接收和顯示、分析聲波幅度和位置等信息，評估缺陷是否存在或存在缺陷的大小、位置等。兩側聲阻抗有差異的界面可能是材料中某種缺陷（不連續），如裂紋、氣孔、夾渣等，也可能是工件的外表面。聲波反射的程度取決于界面兩側聲阻抗差異的大小、入射角以及界面的面積等。通過測量入射聲波和接收聲波之間聲傳播的時間，可以得知反射點距入射點的距離。

通過分析可以看出，磁粉檢測和滲透檢測等方法只能檢測車鉤表面缺陷，這些檢測方法都無法對車鉤內部缺陷進行檢測，對控制車鉤的質量狀態具有較大的局限性。此外射線檢測具有輻射污染、檢測效率低等缺點。超聲檢測技術具有穿透能力強，對面積型缺陷如裂紋、夾層等檢測靈敏度高，檢測成本低，易于實現自動化等優點，因此本研究基于超聲檢測技術，設計了一套車鉤內部缺陷自動檢測裝置。

2 車鉤超聲自動檢測裝置

車鉤超聲自動檢測裝置包括鉤舌定位裝置、鉤舌超聲曲線運動機構、鉤舌超聲z軸運動機構、鉤舌超聲y軸運動機構四大部分，如圖4所示。

圖4 鉤舌超聲檢測裝置圖

鉤舌定位裝置主要由底板、鉤舌定位支塊組成。鉤舌定位支塊安裝于底板上，鉤舌檢測時，鉤舌圓弧面與鉤舌定位支塊的兩個垂直面相接觸，鉤舌斜面與鉤舌定位支塊的前端斜面相接觸，鉤舌端面與鉤舌定位支塊的左頂塊相接觸，從而完成超聲檢測前鉤舌的定位。

鉤舌超聲y軸運動機構主要由左右支撐板、滾珠絲杠、上下支撐桿、聯軸器和電機組成。電機通過聯軸器、滾珠絲杠，帶動鉤舌超聲z軸運動機構，做水平y軸方向的超聲掃查運動。鉤舌超聲y軸運動機構安裝于鉤舌超聲曲線運動機構中左右支撐柱上，隨鉤舌超聲曲線運動機構一起做曲線運動。

鉤舌超聲z軸運動機構主要由固定板、滾珠絲杠、左右支撐桿、聯軸器和電機組成。電機通過聯軸器、滾珠絲杠，帶動超聲探頭桿，做z軸方向水層厚度的調節。鉤舌超聲z軸運動機構安裝于鉤舌超聲y軸運動機構中滾珠絲杠的螺母上，隨鉤舌超聲y軸運動機構一起做直線運動。

鉤舌超聲曲線運動機構主要由左右豎板、左右支撐柱、左右滾動軸承和曲柄搖桿機構組成。左右豎板上有與車鉤鉤舌弧面一樣曲面的溝槽，左支撐柱上安裝有軸承轉軸、軸承。曲柄搖桿機構由曲柄、搖桿、軸承和支座組成。曲柄在外部動力的帶動下做旋轉運動，帶動連桿運動，連桿通過鉸鏈帶動左支撐柱運動，使得左支撐柱上的軸承沿左豎板上曲面溝槽運動。

鉤舌超聲檢測裝置在檢測過程中，首先由鉤舌超聲曲線運動機構帶動檢測系統做一次曲線運動，然后鉤舌超聲y軸運動機構步進一個檢測掃查間距，再由鉤舌超聲曲線運動機構帶動檢測系統做一次曲線運動，這樣循環，從而完成鉤舌損傷曲面的超聲檢測。由于兩個軸承的連接桿為溝槽曲面的法向線，且連接桿與超聲探頭桿相平行，所以超聲探頭的聲場軸線始終垂直于鉤舌的檢測曲面。

3 結束語

由于我國經濟迅猛發展的需要，鐵路運輸不斷向著高速和重載的方向發展。車鉤裝置作為鐵路車輛的關鍵部件，在運行過程中保障車輛的連掛與作用的傳遞。但是貨車車鉤高速重載運行時受交變載荷的作用，斷鉤事故經常發生，嚴重影響了鐵路的運行安全。為提高重載鐵路貨車的運行安全，本研究基于超聲檢測技術設計了車鉤損傷區域超聲自動檢測裝置，結果表明，該裝置可自動檢測車鉤內部的缺陷，保障列車運行安全。