動車組空心車軸內部材質缺陷超聲波探傷靈敏度量值傳遞體系研究*

畢 超，胡祺昆，黃永巍，周慶祥，田新革

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所，北京 100081；2 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；3 大秦鐵路股份有限公司 太原車輛段，太原 030045）

動車組空心車軸是走行部的關鍵部件，在制造、組裝和運用過程中，難免出現各種危害型缺陷和失效傷損，極大地威脅著動車組的運行安全［1］。動車組列車檢修過程中需采用超聲波的方法對空心車軸進行檢測［2］。探傷前，操作人員首先在對比試樣軸上進行探傷靈敏度的校準；探傷時，車軸處于不解體狀態（車軸裝配在車體上），將裝有超聲波探頭（雙晶縱波探頭和橫波斜探頭）的專用掃查裝置伸入到空心軸內孔中，以空心軸內孔面為檢測面，在掃查裝置的帶動下，探頭在內孔中作螺旋型掃查［3-5］，檢測的主要對象為空心軸內部材質缺陷（體積型缺陷）和外表面的疲勞裂紋（面積型缺陷）［6-9］。由于我國動車組應用時間較短，動車組空心車軸超聲波探傷一定程度上存在對比試樣軸人工缺陷設置不合理、探傷靈敏度量值傳遞體系不科學等問題，常常造成質量爭議，具體表現為：

（1）現行規程所規定的對比試樣軸上僅有1 個φ2 mm 平底孔［10］，用于內部材質缺陷的定量，評價方法不科學。

（2）由于對比試樣軸加工企業的工藝及設備不同，加工精度不能得到有效保證，導致不同對比試樣軸上同一人工缺陷的超聲波反射波高差異較大，缺少嚴格的靈敏度量值傳遞體系［1］。針對以上問題，對動車組空心車軸內部材質缺陷超聲波探傷定量方法及靈敏度量值傳遞體系進行了研究。

1 動車組空心車軸內部材質缺陷超聲波探傷缺陷定量方法研究

根據超聲波理論，超聲波探頭的近場區長度按照式（1）和式（2）［11］計算：

式 中：c為 超 聲 波 速 度，5.9×106mm/s；f為 頻 率，MHz。

式中：N為近 場 區長度；D為探 頭 晶片尺寸；λ為 波長，mm。

動車組空心軸超聲波探傷時，采用縱波探頭檢測內部材質缺陷，常用探頭中心頻率為2 MHz～5 MHz［12］，文中探頭頻率分別取2.5、4、5 MHz，晶片尺寸取φ20 mm，則近場區長度N和3 倍近場區長度3N，根據式（1）和式（2）可計算得到具體數值，見表1。

表1 空心軸探傷常用探頭N 和3N 值

當前動車組空心車軸主要有φ30 mm、φ40 mm、φ60 mm、φ65 mm 4 種內孔直徑，由于結構不同，不同類型的空心軸各部位直徑不同，具體尺寸范圍見表2。

表2 動車組空心車軸典型部位直徑

以標準型動車組動力軸為例，內孔直徑φ30 mm，齒輪座處直徑為207 mm。縱波探傷時，最大聲程為88.5 mm，小于2.5 MHz 探頭3 倍近場距離126.9 mm。

不同頻率和晶片尺寸的超聲波探頭近場區長度不同，可根據式（1）計算出頻率在2 MHz～5 MHz 之間，晶片直徑在φ10 mm～φ20 mm 范圍內（動車組空心軸探傷所用探頭頻率和晶片尺寸主要在這一范圍）的縱波探頭近場區長度。容易驗證，大部分探頭的檢測距離小于3 倍近場區長度。現行探傷工藝中，對比試樣軸上僅有1 個φ2 mm 平底孔，發現缺陷后，依據此平底孔反射回波幅度，通過理論計算的方法，來評價缺陷的當量大小，計算公式為式（3）［6］：

式中：P為回波聲壓值或回波幅度；x為缺陷距探頭距離；D為缺陷當量直徑。

根據超聲波探傷理論，此方法適用于缺陷聲程大于3 倍近場區長度的情況。對于聲程小于3倍近場區長度的缺陷，需使用人工缺陷試塊，實測得到DAC 曲線，依據DAC 曲線對缺陷進行定量，故文中擬研制標準試塊，實現DAC 曲線的制作，通過DAC 曲線對缺陷進行定量評價。

2 標準試塊材質選擇

超聲波探傷時，所用標準試塊要求與被檢材料具有相同或相近的聲衰減特性。目前動車組空心 軸 材 質 主 要 有S38C、EA4T、30CrNi、DZ2 等4種［13］，為確定4 種材質的縱波聲衰減特性，進行了試驗測試。

2.1 聲衰減系數測試

2.1.1 測試對象

取上述4種車軸材質制作聲衰減測試用試塊，試塊外形如圖1所示，尺寸為120 mm×80 mm×40 mm。

圖1 聲衰減測試用試塊

2.1.2 測試器材

通用數字式超聲波探傷儀器、縱波超聲探頭（2.5P20Z 和5P20Z）。

2.1.3 測試方法

（1）連接數字式超聲波探傷儀和縱波探頭，調節儀器參數，并在CSK-1A 試塊上調節儀器，按深度1∶1 調節儀器時基掃描。

（2）將探頭分別放置于S38C、EA4T、30CrNi、DZ2 材質試塊的A、B、C 面上，記錄第m、n次底波分貝差Vm-n，按式（4）［2］計算衰減系數。

式中：Vm-n為表示試塊第m次與第n次底面回波幅值的分貝差（n＞m）；α為材料的單程衰減系數，單位dB/mm；20lg為修正項；T為測試面距離底面的距離。

2.1.4 測試結果

2.5P20Z 縱波探頭測試結果見表3，5P20Z 縱波探頭測試結果見表4。

表3 縱波2.5P20Z 探頭聲衰減系數測試結果

表4 縱波5P20Z 探頭聲衰減系數測試結果

由測試數據可知：

（1）同一頻率縱波下，4 種材質在相同入射方向上，聲衰減系數基本一致，最大差值不超過0.002 dB/mm；

（2）不同頻率縱波下，4 種材質在不同測試方向上，聲衰減系數存在差別，但在較短聲程范圍內（實際檢測時，縱波聲程一般為100 mm 左右），差值較小。

2.2 標準試塊材質確認

由試驗結果可知，4 種空心車軸材質在相同方向上的縱波聲衰減差異較小，因此標準試塊可采用4 種空心軸材質中任何一種制作，鑒于EA4T 材料應用最為廣泛，故可采用EA4T 材料制作標準試塊。

3 動車組空心車軸內部材質缺陷超聲波探傷標準試塊設計

綜上所述，動車組空心軸超聲波探傷宜采用DAC 曲線的方法對內部材質缺陷進行定量評價，故需設計標準試塊用于DAC 曲線的制作，設計原則為：

（1）標準試塊要為空心軸結構，能與動車組空心車軸探傷設備進行匹配，且試塊聲程范圍要涵蓋當前所有動車組空心軸探傷的最大聲程。

（2）根據試塊設計慣例，用平底孔模擬空心軸內部材質缺陷，具備至少5 個聲程，滿足制作DAC曲線的聲程要求。

基于以上原則，設計了標準試塊，以內孔直徑φ30 mm 空心車軸標準試塊為例，其余型號空心車軸標準試塊與其相似。試塊為多級空心圓柱形結構，全長650 mm，由外徑不同的6 個空心圓柱形臺階組成，6 個臺階外徑依次為120、130、160、220、200、180 mm，涵蓋當前動車組空心軸的最大直徑尺寸范圍，每個臺階縱向中間位置加工有1 個φ2 mm 平底孔，1～6 號平底孔底部距離空心軸內孔表面距離依次為5、10、30、50、70、90 mm，標準試塊如圖2 所示。使用該試塊，動車組空心軸超聲探傷設備只需一次掃查，即可完成縱波探頭DAC曲線的繪制。

圖2 動車組空心軸內部材質缺陷超聲波探傷靈敏度校準用標準試塊圖

4 靈敏度量值傳遞體系建立

4.1 基準試塊與標準試塊制作

首先制備基準試塊，基準試塊外形與標準試塊一致，各項參數（人工平底孔直徑、孔底平整度）優良，用于標準試塊出廠前的校準與標定。所有標準試塊出廠前需進行測試，標準試塊上任一人工缺陷反射回波幅值與該基準試塊對應的人工缺陷反射回波幅值須在±2 dB 范圍以內，否則該標準試塊作廢。

4.2 DAC 曲線繪制及探傷靈敏度確定

探傷前，探傷人員操作探傷設備，使用標準試塊進行DAC 曲線的繪制和靈敏度調節。操作方法為：開啟探傷機DAC 曲線繪制功能，使雙晶直探頭主聲束依次對準標準試塊上1～6 號平底孔，調節探頭位置，使人工缺陷反射回波最高，調節“增益”按鈕將反射回波幅值調至滿屏的80%，記錄此時的增益值，將該點作為DAC 曲線的一個采樣點；依次類推，完成所有采樣點的測試，得到DAC 曲線，再根據空心車軸內孔表面狀態進行適當增益值補償，得到探傷靈敏度；靈敏度調節完成后，采用一種帶有人工缺陷的實物對比試樣軸，對調節完成的靈敏度進行驗證，驗證之后即可進行實物車軸的探傷。

4.3 量值傳遞體系建立

通過以上措施，可實現動車組空心車軸探傷靈敏度量值的傳遞，量值傳遞體系如圖3 所示。利用此傳遞體系，可在試塊制作源頭和靈敏度量值傳播路徑上有效控制靈敏度精度，最大范圍內確保各探傷單位執行相同的靈敏度標準。

圖3 動車組空心車軸內部材質缺陷超聲波探傷靈敏度量值傳遞體系

5 結 論

（1）指出了目前動車組空心車軸內部材質缺陷超聲波探傷時，檢測區域主要位于探頭的3 倍近場區范圍之內，現行缺陷定量方法不合理和缺少嚴格的靈敏度量值傳遞體系的問題。

（2）試驗數據表明，4 種空心車軸材質在相同方向上縱波聲衰減系數相近，可選取EA4T 材質進行空心車軸標準試塊的制作。

（3）設計了用于動車組空心車軸內部材質缺陷超聲波檢測DAC 曲線繪制的標準試塊。

（4）建立了空心車軸探傷靈敏度量值傳遞體系，該體系的建立，可在試塊制作源頭和靈敏度量值傳播路徑上有效控制靈敏度精度，最大范圍內確保各探傷單位執行相同的靈敏度標準，有助于優化動車組空心車軸探傷工藝、規范探傷作業。