動(dòng)車組軸裝制動(dòng)盤盤轂連接座裂紋的超聲波檢測

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(中車唐山機(jī)車車輛有限公司，唐山 063035)

動(dòng)車組軸裝制動(dòng)盤盤轂連接座裂紋的超聲波檢測

徐偉，張香然

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司，唐山 063035)

介紹了一種采用A型脈沖反射法手工超聲波在軸裝制動(dòng)盤盤轂連接座裂紋檢測中的應(yīng)用案例，針對(duì)特定工件的特點(diǎn)，確定了其相關(guān)檢測工藝參數(shù)及工藝驗(yàn)證的方法，如：探頭入射角度、晶片面積、波型和探頭頻率、掃查區(qū)域、探頭自身尺寸的選取、實(shí)物試塊制作、靈敏度的標(biāo)定、參考波的設(shè)置?，F(xiàn)場檢測應(yīng)用表明，該方法能對(duì)動(dòng)車組軸裝制動(dòng)盤盤轂連接座裂紋實(shí)施有效檢測。

動(dòng)車組；超聲波；制動(dòng)盤；連接座；疲勞裂紋

動(dòng)車組制動(dòng)盤與車軸通過軸裝制動(dòng)盤盤轂進(jìn)行連接，每個(gè)拖車輪對(duì)有3個(gè)制動(dòng)盤盤轂，每個(gè)盤轂上有9個(gè)連接座與制動(dòng)盤通過螺栓連接。連接座根部易產(chǎn)生疲勞裂紋(見圖1)繼而發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致制動(dòng)失效，同時(shí)此部位沒有預(yù)警機(jī)制，因此，如何在現(xiàn)役動(dòng)車組上進(jìn)行檢測并第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)該類型疲勞裂紋，對(duì)動(dòng)車組的安全行車至關(guān)重要。

圖1 制動(dòng)盤盤轂連接座裂紋示例

圖2 軸裝制動(dòng)盤外觀

1 檢測方法的確定

經(jīng)過對(duì)軸裝制動(dòng)盤(見圖2)的材料(E45C)、結(jié)構(gòu)以及裂紋產(chǎn)生位置的分析，確定采用超聲波方法進(jìn)行檢測。采用超聲波檢測時(shí)，需要確定如下幾個(gè)主要參數(shù)：探頭入射角度，晶片面積，探頭頻率，掃查區(qū)域，探頭自身尺寸，靈敏度。

2 檢測參數(shù)的確定

對(duì)已斷裂的盤轂連接座斷口進(jìn)行分析，確定裂紋源區(qū)及其擴(kuò)展方向，如圖3所示。裂紋源區(qū)位于連接座直角結(jié)構(gòu)根部的中間位置區(qū)域，如圖3(a)所示。裂紋擴(kuò)展方向?yàn)橄妊剡B接座橫向深入，然后沿縱向呈大致45°角延伸，結(jié)束于變截面最窄區(qū)域。

圖3 裂紋源區(qū)及其擴(kuò)展方向

2.1 探頭角度的選擇

裂紋的擴(kuò)展方向，決定了如何選取超聲波束的入射方向，即選取與裂紋擴(kuò)展初期的斷面相垂直的方向?yàn)槌暡ㄖ髀暿娜肷浞较騕1]。探測位置(聲束入射點(diǎn))至裂紋源區(qū)的位置決定了探頭入射角度。經(jīng)過計(jì)算，確定主聲束折射角在28°左右(見圖4)。

圖4 聲束入射角度

2.2 探頭晶片面積的選擇

由于連接座中部存在螺栓孔，阻礙超聲波聲束的入射，所以超聲波的入射面被限定在兩個(gè)10 mm×10 mm(長×寬)的小區(qū)域內(nèi)，考慮到對(duì)探頭外殼、近場區(qū)的要求，以及要盡量減少螺栓孔壁反射雜波的要求，晶片尺寸選擇6 mm×6 mm。

2.3 波型和探頭頻率的選擇

為確保掃查范圍內(nèi)疲勞小裂紋能夠被檢出，而橫波波長短，對(duì)小裂紋更敏感，故選用橫波探頭。同時(shí)，考慮此位置檢測對(duì)聲束指向性和近場區(qū)的要求，探頭頻率選取5 MHz。

2.4 掃查區(qū)域及探頭移動(dòng)位置

掃查區(qū)域及探頭放置區(qū)域如圖5所示。掃查區(qū)域?yàn)榱鸭y源區(qū)，即連接座直角結(jié)構(gòu)根部的中間位置，由于螺栓孔的存在會(huì)阻礙超聲波的入射，對(duì)于5P6×6探頭來說，鋼中橫波聲速取3 220 m·s-1，探頭橫向半擴(kuò)散角近似按直探頭的公式計(jì)算(結(jié)果為6.1°)，橫向中間位置大約有14 mm的檢測盲區(qū)，如圖6所示。探頭在橫向和縱向上基本沒有移動(dòng)距離，采用定點(diǎn)掃查方式，一旦移動(dòng)距離過大就會(huì)影響有效入射聲束截面積，導(dǎo)致靈敏度降低。

圖5 掃查區(qū)域及探頭放置區(qū)域

圖6 探頭橫向掃查范圍

2.5 探頭自身尺寸

連接座處于裝車狀態(tài)，探頭的放置受到空間限制，探測面距離制動(dòng)盤內(nèi)面距離在13 mm左右，此限制決定了探頭自身的高度不能超過13 mm。也即對(duì)探頭的高和寬有要求，高不能大于13 mm，寬不能大于10 mm。探頭的外形尺寸決定了手持探頭的拿捏方便程度，需要適當(dāng)選取。

2.6 靈敏度

2.6.1 靈敏度對(duì)比試塊

制作實(shí)物靈敏度對(duì)比試塊(見圖7)，在連接座直角結(jié)構(gòu)根部采用線切割的方法加工1 mm深的橫向人工槽，其寬度不大于0.5 mm。為了便于現(xiàn)場校驗(yàn)，在實(shí)物上截取局部區(qū)域制作試塊，實(shí)物試塊及人工缺陷如圖8所示。

圖7 靈敏度試塊尺寸

圖8 靈敏度實(shí)物試塊及人工缺陷

2.6.2 靈敏度調(diào)整

在制動(dòng)盤轂專用實(shí)物對(duì)比試塊上校核1 mm人工缺陷的反射波高，確認(rèn)最高反射波在滿屏的80%以上，可在此基礎(chǔ)上增益2～6 dB作為掃查靈敏度，但是雜波不應(yīng)超過滿屏的15%。同時(shí)核實(shí)人工缺陷波的位置。

3 波形分析

3.1 參考波

制動(dòng)盤轂內(nèi)表面存在注油環(huán)，該注油環(huán)在上述方案的掃查過程中位于入射聲束路徑上，其結(jié)構(gòu)見圖9，所以完好盤轂連接座在深度60 mm，聲程65 mm位置處出現(xiàn)注油槽反射波(見圖10)，該波形是確認(rèn)聲束透射良好的證明。確保該波的正常顯示，能夠避免傾斜大裂紋缺陷波的消失而導(dǎo)致漏檢的情況發(fā)生。

圖9 注油環(huán)槽結(jié)構(gòu)圖

圖10 人工缺陷波與注油環(huán)槽反射波

3.2 人工缺陷波

通過對(duì)制動(dòng)盤轂結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合人工缺陷的制作位置，確定缺陷波位于聲程40 mm左右，深度35 mm處，如圖10所示(人工缺陷波與注油環(huán)槽反射波)。對(duì)人工缺陷波回波的圖形進(jìn)行分析，聲程40 mm處的人工缺陷橫波反射波之前未出現(xiàn)由于縱波的存在造成的干擾反射波。

4 方案實(shí)施

截止2015年年底，采用該方案對(duì)在役的CRH動(dòng)車組進(jìn)行檢測，共檢測1 760根拖車車軸，共發(fā)現(xiàn)21根合計(jì)33個(gè)制動(dòng)盤轂連接座存在裂紋，對(duì)這些連接座進(jìn)行拆解后再進(jìn)行磁粉檢測驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該方案實(shí)施的準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

5 結(jié)語

利用超聲波A掃方法檢測軸裝制動(dòng)盤盤轂連接座裂紋，針對(duì)工件的特點(diǎn)，確定了相關(guān)工藝參數(shù)及工藝驗(yàn)證的方法。現(xiàn)場檢測應(yīng)用表明，該方法能對(duì)動(dòng)車組軸裝制動(dòng)盤盤轂連接座裂紋實(shí)施有效檢測。

另外，由于檢測盲區(qū)的存在，采用此方案檢測需要對(duì)動(dòng)車組進(jìn)行監(jiān)控檢查。

UltrasonicTestingofCracksoftheHubConnectingPlateInstalledinCRHWheelAxleMountedBraker

XU Wei, ZHANG Xiangran

(CRRC Tangshan Co., Ltd., Tangshan 063035, China)

This paper introduces some application cases of using A-scan manual ultrasonic pulse reflection method in the testing of the shaft mount brake disc hub connection cracks. According to the characteristics of a particular artifact, the relevant process parameters and process validation of the method were determined, such as the incident angle and the frequency of the probe, the chip area, wave type, scanning area, probe size, physical block production, sensitivity calibration, and the setting of reference wave. The in-situ testing showed that this method could detect the cracks of train axle mounted brake disc hub connecting seat effectively.

CRH; ultrasonic; brake disc; fatigue crack

TG115.28

A

1000-6656(2017)12-0048-03

2017-05-17

徐 偉(1980-)，男，高級(jí)工程師,主要從事機(jī)車車輛部件的無損檢測工藝技術(shù)管理工作

張香然，13832975164@163.com

10.11973/wsjc201712011