新制铁路车轴超声波探伤工艺解析

刘彬,郝森,傅晔

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266111

摘要：在新版《铁路货车轮轴组装、检修及管理规则》（简称《轮规》）未使用之前，旧《轮规》中的轮轴超声波探伤旧工艺在探伤方法、设备、标准等方面存在一些不足，由此导致了铁路轮轴制造与检修技术文件中没有普遍推广应用轮轴超声波探伤旧工艺，例如轮轴超声波自动探伤B、C型的显示技术就未得到推广应用。本文解析了新《轮规》中超声波探伤工艺的主要变化，便于轮轴探伤的相关工作人员能够深入了解铁路货车轮轴超声波探伤新工艺的作业执行。

关键词：轮规；超声波探伤工艺；变化分析

在铁路货车运行中注重轮轴质量控制工作，分析轮轴质量影响因素，从轮轴结构设计、材料选择、承受重量、使用环境和使用条件等方面，采取措施提高轮轴质量。其中，超声波探伤工艺属于一种无损检测技术，在轮轴损伤检测中有重要的应用价值，借助计算机技术信息技术完善超声波自动化探伤系统，为铁路货运车辆运行安全性提升奠定良好基础。

1、铁路货车轮轴损伤分析

1.1 车轮磨损

货车运行过程中，车轮与钢轨直接接触，在运行过程中产生较强的摩擦力，极易出现车轮磨损情况。车轮磨损类别包括踏面磨损与轮缘磨损。

（1）踏面磨损。货车在运行中的紧急制动，使踏面出现了凹槽，无法确保轮轴四周能正常运行。制造材料质量不佳因素影响，会使货车运行过程中踏面出现“剥离”情况。材料不同所造成的“剥离”裂纹程度也不同，均会加大车轮与钢轨的摩擦力，并有强大的冲击性[1]。

（2）轮缘磨损。因多种力影响，轮缘内侧、外侧均受到不同程度的撞击，使货车在运输中无法直线行驶。再加上车辆运行速度较快、行驶地势与地形较复杂，会使其边缘受到较强烈的冲击，所产生的磨损程度较严重。同时，还增加货车运行过程中的阻力，严重时会使货车失衡而发生脱轨事故。

1.2 轮轴和车轮裂纹

铁路货车轮轴车轮裂纹发生的部位较多，需根据裂纹产生情况详细探究裂纹类别，主要包括车轴裂纹、车轮踏面裂纹、防尘板座裂纹、轮缘根部裂纹等。产生各种车轮裂纹的主要原因包括：车轴与制动拉杆组合不合理、受较强烈性的撞击，在外力影响下对其造成破坏。货车运输承载量也会对车轮造成压迫，使车轮长期疲劳运行，既无法确保车辆运行安全，又降低货车车轮使用寿命。

1.3引入了手工超声波探伤用改进型半轴实物试块

在旧工艺中，RD2和RE2A（RE2B）半轴实物试块的卸荷槽部位不具备扫查范围验证缺陷功能。对于RD2型半轴实物试块的底面的平底孔是Φ10×60mm，数量为1个；RE2A（RE2B）试块有1个人工锯口在轴身部位，大小为1×8mm，而轴身截面部位在距离轴身表面的80mm处是1个人工裂纹，在160mm处同样有1个人工裂纹。其中的平底孔、轴身人工裂纹和半轴实物试块的灵敏度校验及验证无关。

在新工艺中，对半轴实物试块进行了改进，增加了扫查范围验证缺陷功能。取消了RD2和RE2A（RE2B）半轴实物试块的平底孔、轴身人工裂纹。并依据探伤灵敏度的确定方法将不同轴型的半轴实物试块分成带轴承、不带轴承的轴型。

通过对半轴实物试块的改进，RD2和RE2A（RE2B）半轴实物试块具备了灵敏度验证缺陷和扫查范围验证缺陷两个功能，并且可以验证小角度手工探伤作业扫查方法的正确性。

针对轴型长度，重新调整了RD2、RE2A、RE2B型的轴颈根部的灵敏度验证缺陷位置，使其在作业时能够更加合理灵活。通过裂纹简化，只保留了轴颈根部、轮座内外侧的人工裂纹，正好对应新的探伤灵敏度调整方法，使得改进型半轴实物试块有了更科学的设计。

2、手工超声波探伤用探头的工艺参数变化分析

2.1通过多年的现场实践验证后，并在《轮规》修订過程中做了大量的探伤试验与论证，总结出了旧轮轴超声波探伤工艺局部内容存在的技术问题，从而在新《轮规》中优化和调整了小角度纵波探头折射角，将旧《轮规》中的不确定的工艺探头角度进行了统一定值，并在试验和实践使用过程中表明新的确定值更加适合探伤，其小角度纵波探头探测轴颈的卸荷槽部位，明显减少了杂波，显著提高探伤效果。

2.2优化和规范了轮座镶入部内侧用横波探头角度为定值，所有轴型均以45°探头作业，旧工艺中的不同轴型不同的轮轴探头角度在作业时容易被拿错，通过统一探头角度，能够避免被拿错。新《轮规》中规定的要优先选用小K值探头，对这一原则的遵循使得轮座镶入部内侧裂纹的检出率极大地被提高。

2.3新工艺中唯一确定了探头移动部位的角度，统一用45°横波斜探头进行轴颈上扫查，使得轮座镶入部外侧缺陷的检出率提高。

3、微控超声波自动探伤探头工艺参数的优化分析

新工艺中对探头角度进行了优化，使得微控超声波自动探伤工艺具备了更好的探伤效果，下表为新、旧工艺中探头角度的选择对。旧工艺中的轴身组合探头为54.4°、45°和0°，当探测不同轴型时，唯一性的探头角度不能将轮座全长进行主声束的全部覆盖，且无法兼顾RF2型轮轴。而新工艺中则优化了探头角度，其三晶片组合探头为44°～54.4°、0°，可以根据使用单位的探轴型确定探头角度，灵活的探头角度范围值能够让主声束全部覆盖轮座全长，也能够兼顾RF2型轮轴。而通过优化轴端面组合探头角度，使得探伤实践暴露的杂波减少，便于裂纹的判别检出，最终确定了RD2、RE2A、RF2的组合探头，使得小角度纵波探头的探伤效果得以提高。

3.1微控超声波自动探伤工艺新技术的应用

在新工艺条件下，要求探伤设备具备更好设备能力，微控自动探伤新工艺设备需B型和C型单独或组合的显示方式，对探伤部位能够形成连续成像，其显示方式还要具备A型显示回放的能力，这就比就工艺中的A型显示方式具备了更加综合的判定探伤的能力，其可靠性更高。

对比试样轮轴（即“轮对”）具备灵敏度校验缺陷与扫查范围校验缺陷两种功能，并且在40%以内的波高，使得探头主声束能够全区域覆盖，达到裂纹不漏检的效果，其中灵敏度校验缺陷的深度从旧工艺中的1mm变为0.5mm，这个技术升级使得发现裂纹的能力得到提高，并前移了车轴冷切轴风险关口。

3.2调整了超声波探头检测项目及周期

对于新购探头与在役探头的检测项目，旧工艺对二者的规定相同，都需要测定探头入射点、K值（或β角）、中心回波频率及其误差、主声束声轴偏斜角等。在新工艺中对二者的检测项目则不同，其中对在役探头的测定只需测定横波斜探头的折射角与前沿、小角度纵波探头折射角。新工艺中调整了探头检测周期，从两周使用时间或探测轮对数为1000条的测定周期变为根据作业量与磨损情况，每月至少检测一次，探头检测频次的确定和探头检测项目的修订，抓住了折射角这一关键参数的检测重点，使得探伤结果更加准确、合理、科学。

3.3手工超声波探伤灵敏度标定方法的修订

新工艺中包括RF2型轮轴在内的各型轮轴都确定了其探伤灵敏度，对標准试块上的测距标定与灵敏度确定进行了统一，半轴实物试块验证的波高达到了80%，对RD2引入了TS-3试块法，而取消了TS-1试块法，统一了我国的车轴穿透灵敏度的确定方法、质量判定标准与行业标准。规定了RD2使用K1.4横波斜探头的确定方法，对TZS-R试块校验K1.4横波斜探头灵敏度的问题进行了解决。

4、结语

综述，新版《轮规》的修订对当下我国的车辆运行安全的关键部件给予了轮轴技术与管理规范性的有效指导。对于新版《轮规》中的轮轴超声波探伤工艺，征集了主机工厂、铁路局、货车车辆段的相关用户单位长期的执行意见和建议，再联系当前世界上最新探伤标准与技术的发展情况，进行了全路探伤技术管理员和编写组成员的多次探伤试验、计算，在科学的试验和严谨规范的计算下，最终得出论证修订出新的超声波探伤工艺。

参考文献

[1] Yasushi UJITA，周贤全. 列车碰撞事故中中间车辆端部结构强度的评估[J]. 国外铁道车辆. 2016（01）

[2] Minoru TANAKA，周贤全. 用RFID技术开发磁悬浮地面线圈车上维修管理系统[J]. 国外铁道车辆. 2017（01）

[3] Yasuhiro UMEHARA，周贤全. 具有故障防护功能的导向系统用电液式作动器的研制[J]. 国外铁道车辆. 2016（05）