軌道車輛超聲縱波斜探頭校準裝置研究＊

朱榮華，辛 月，曹一杰

（南京鐵道職業技術學院，江蘇 南京 210031）

隨著國民經濟的快速發展，列車運行速度提高及載重、編組數量和牽引噸位增加，列車高速運行過程中，輪軸受交變載荷的作用，在軸頸根部、輪座鑲入部已發生損傷，產生裂紋，從而危及列車的行車安全。

1 輪軸檢修

輪軸檢修按修理程度可分為兩大類：一種為廠修，即車軸與車輪解體后進行檢修，全面恢復輪軸的技術性能，這種修理一般在車輛工廠或專門的車輪檢修車間進行；另一種是段修，車輪與車軸不需要進行解體，只檢查輪對的性能、車輪的踏面等重點部位技術參數是否符合車輛運用要求，以及對所用的軸承進行檢查或退卸后重新組裝。

目前，輪軸運用過程的檢修主要通過磁粉、滲透、超聲等無損探傷技術來檢測輪軸缺陷，如圖1 所示。磁粉檢測和滲透檢測等方法只能檢測輪軸表面缺陷，無法對車軸內部缺陷進行檢測，對控制車軸的質量狀態具有較大的局限性。超聲檢測技術具有穿透能力強，對面積型缺陷如裂紋、夾層等檢出率高，檢測成本低，易于實現自動化等優點。果小軍等利用磁粉探傷機對車軸、輪軸結合部等位置進行了探傷，提出修訂輪對檢修工藝，增加探傷內容等建議[1]。彭朝勇等對車軸疲勞裂紋進行了超聲相控陣探傷技術及工藝研究，提升了車軸壓裝部位的缺陷檢測性能，從而保障車軸運用的安全性[2-4]。

圖1 輪軸手動超聲檢測

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2 所示。縱波斜探頭作為一種入射角小于第一臨界角的超聲斜探頭，利用小角度入射角產生的折射縱波進行缺陷檢測，或在衰減較大的情況下，利用縱波穿透能力強的特點進行檢測，其在列車輪軸輪座鑲入部探傷中得到廣泛的應用，如圖3 所示。但是在輪軸超聲檢測過程中，隨著超聲探頭使用時間的增加，探頭端面磨損較大，造成探頭的檢測不準確、誤差較大等結果。目前探頭校準主要通過標準試塊進行手動校核，校測效率低，準確度受操作人員經驗影響較大。本研究設計了超聲縱波斜探頭前沿長度及零點自動校準裝置，該裝置采用機械運動代替手工操作進行縱波斜探頭的校核，既提高了檢測效率，又能準確測量探頭的參數變化。

圖2 超聲檢測原理圖

圖3 輪軸超聲掃查示意圖

2 軌道車輛超聲縱波斜探頭校準裝置

軌道車輛超聲縱波斜探頭校準裝置主要由探頭運動機構、脈沖超聲波檢測裝置、激光測距機構、CSK-IA 標準試塊四部分組成，如圖4 所示。

圖4 超聲縱波斜探頭校準裝置圖

探頭運動機構主要由左右夾頭、左右支撐板、滾珠絲杠、絲杠滑塊、支撐桿、支撐桿滑塊、縱波斜探頭、探頭固定塊、耦合劑芯捻輸送裝置、聯軸器和電機組成。探頭運動機構通過左右夾頭夾緊在CSK-IA 標準試塊上，縱波斜探頭由左右旋鈕夾緊在探頭固定塊上，探頭固定塊安裝在絲杠滑塊和支撐桿滑塊上。電機通過聯軸器、滾珠絲杠、絲杠滑塊、探頭固定塊、帶動縱波斜探頭做水平方向的超聲掃查運動。耦合劑芯捻輸送裝置由油杯和芯捻組成，油杯中裝有機油，芯捻利用毛細管作用把機油引到超聲檢測表面。

脈沖超聲波檢測裝置由脈沖超聲檢測儀、縱波斜探頭和探頭線組成。

激光測距機構由激光測距傳感器、數據采集卡和計算機組成。激光測距傳感器安裝在探頭運動機構中的探頭固定塊上，隨縱波斜探頭一起水平運動。激光測距機構測量之前，先進行標定，使激光測距傳感器距左支撐板右端面的距離等于縱波斜探頭前端面距CSK-1A 標準試塊R100 圓弧端頭的水平距離。

縱波斜探頭校準前沿和零點時，探頭運動機構在電機的驅動下，通過滾珠絲杠轉動來驅動探頭固定塊水平移動。耦合劑芯捻輸送裝置由芯捻利用毛細管作用把機油引到超聲檢測表面，使探頭與CSK-1A 標準試塊耦合良好。探頭固定塊帶動縱波斜探頭在CSK-1A 標準試塊R100 圓弧圓心附近運動，并采集縱波斜探頭前端面距左支撐板右端面的距離和超聲反射波幅值，找到脈沖超聲檢測儀中R100、R50 圓弧的最高反射波對應的縱波斜探頭的位置，激光測距機構測量縱波斜探頭前端面距左支撐板右端面的距離L，探頭前沿X=100 mm－L，同時采用超聲檢測儀校準探頭零點。

3 結語

列車高速重載運行時受交變載荷的作用，輪軸的健康狀態嚴重影響列車的運行安全。超聲檢測作為常用的輪軸檢修手段，超聲探頭隨使用時間增加，探頭磨損較大，造成檢測參數發生變化。為提高探頭校準效率和準確度，本研究設計了超聲縱波斜探頭校準裝置，結果表明，該裝置可提高探頭校準效率和檢測結果的準確率，從而保障列車運行安全。