铁路客车车轮自动在线超声探伤技术研究

铁路客车车轮自动在线超声探伤技术研究

张佳立

中国铁路呼和浩特局集团有限公司包头车辆段 内蒙古自治区包头市014010

摘 要：介绍机车车辆车轮的常见缺陷类型及常规探伤方法。针对车轮的周向和径向 2 大类缺陷，通

过选择合理的探头位置和尺寸，进行客车车轮自动在线超声探伤方案设计。设计的客车车轮自动探伤系统，采用钢轨外偏置结构，设置超声探伤单元，开发了多通道超声探伤仪器及检测软件。系统解决了探伤时没有位置安装超声探头的问题，实现了多路超声探头的激发和回波接收，并且实现了探伤数据处理以及报表生成等功能。

关键词：客车；车轮；缺陷；在线检测；超声波探伤

0 引言

随着我国铁路客车运营速度的逐步提高，在役客车车轮辋裂、径向开裂等危害性缺陷时有发生，严重危及行车安全，同时也对客车探伤质量和探伤效率提出了更高的要求。我国客车在 A2 及以上修程中（连续运营里程大于 60 万 km），进行落轮状态下轮辋超声波探伤，该探伤方式检测周期长，车辆解体、落轮程序繁复，整体工作量大。在此背景下，客车实现在线自动化检测成为十分紧迫的事情。目前，自动在线超声探伤技术在机车车轮探伤方面应用较多。探伤时，设备多安装于机务段整备厂中，在机车整备时即可进行一次在线自动超声探

伤，检测效率相对较高，而在车辆领域则应用较少。由于机车车轮与车辆车轮的常见危害性缺陷不同，故进行超声探伤时的关注点也不尽相同，当前的机车自动在线超声探伤技术，并不能完全应用于车辆领域。2016 年，为提高客车车轮的探伤效率，保障客车车辆安全运营，开展针对客车车轮的自动在线超声探伤技术及装备研究。

1、超声波探伤技术应用的优势

超声波探伤技术具有比较强的传播能量的能力，这种性质能够让其在工作的过程当中受到比较小的干扰，有效保障整个检测工作的质量。比如，在利用探伤法进行铁路机车车轮缺陷检测的过程当中具有着很多优势：首先，在利用这种超声波探伤技术进行检测的时候可以有效地避免超声波的探头与部件直接接触来降低许多铁路机车表面的部件对于整个探测结果的影响，这样能够更好地让超声波在检测的过程当中发射相应的检测信号，提高信号接收的稳定性。其次，超声波探伤技术本身的方向性就比较好，这种性质能够让超声波探伤技术在实际的应用过程当中合理地调整探头的角度，它能够在不同的监测任务当中完成相应的任务，这种控制方法也能够保证调声波的接收状态更为良好，保证接收质量。最后，超声波的波束本身是比较窄的，这个特点就能够有效地保证探伤检测技术的准确程度，能够在很大的程度上避免监测盲区，在一些误差性比较大的探测任务当中，这种方法被广泛应用。

2、超声波探伤技术的原理

超声波探伤技术在铁路机车车轮缺陷检测中发挥了重要作用，其利用的原理就是通过综合考虑铁路机车的内部部件构造和超声波自身的性质之间的联系，铁路机车车轮内部的缺陷会对相应的超声波反射信号产生一定的影响，然后技术人员们可以对接收到的异常信号来进行相应的分析，还可以利用人工智能技术将这些信息来转化为相应的数字信号，然后再从这些更为准确的信号当中提取出相应的缺陷特征，从而进行缺陷特征方面的识别，使这些特征能够很好地在结果当中显示出来。工作人员可以将这些结果通过波形图案显示出来，也可以采用相应的计算机设施将这些数字信息转变为相应的图像或者是模型，从而能够让数据更直观地展现在我们面前，通过观察这些结果，技术人员们就可以对铁路机车车轮缺陷位置进行更为准确的定位，还可以对铁路机车的相应设施进行一定的寿命评估，并且为后续的工作提供相应的数据基础。

3 车轮主要危害型缺陷及超声探伤方法

根据 TB/T 3154—2007《机车车辆车轮和轮箍伤损代码》和《铁路车轮、轮箍失效分析及伤损图谱》 中关于缺陷的分类，机车车辆车轮运行过程中共存在 22 类缺陷。而可能造成严重的行车事故，并且可以通过在线检测及时发现的缺陷有 4 大类，分别为：车轮辋裂、轮辋掉块、车轮 （轮箍） 径向崩裂和踏面制动热裂纹。这 4 类危害性缺陷根据缺陷的形状和走向，又可概括为周向缺陷和径向缺陷 2 种。《铁路客车轮轴组装检修及管理规则》 规定，对于周向缺陷和径向缺陷，可分别采用双晶直探头和大角度横波斜探头进行探伤.

4 自动在线超声探伤工艺方案

4.1 探头位置

车轮辋裂是由于车轮滚动圆（距内侧面 70 mm处） 踏面以下 10 mm～30 mm 的内部非金属夹杂物受到疲劳应力而产生的。车轮辋裂扩大到一定程度后，会发生掉块，从而引发行车事故。理论上，只要监控住滚动圆左右两侧区域，就能有效监控辋裂的产生和发展。因此，设计时，自动在线超声波探头对准滚动圆位置布置，布置的长度达到车轮圆周长长度即可。

4.2 探头尺寸

在进行人工车轮超声波探伤时，探头可在踏面上做连续扫查，从而实现声束在车轮上的全覆盖。对于自动在线超声探伤，一方面，自动探伤设备只能实现通过式 1 次扫查，故理论上应尽量增大探头晶片尺寸，以增加车轮中声束的覆盖。但另一方面，由于车轮踏面是一个弧面，探头太大容易造成耦合不良，为了确保探头与车轮踏面之间能够耦合良好，探头尺寸又应尽量小些。通过试验验证，最终确定双晶直探头、大角度横波斜探头晶片的尺寸均为 6 mm×8 mm

4.3 双晶直探头探伤方案

检测辋裂的双晶直探头频率为 2.5 MHz，焦距深度 20 mm。根据探头声场分布规律，有

AO＝D/2cos α。 （1）式 （1） 中，AO 为在踏面以下 20 mm 深处的声场宽度的一半；D 为探头晶片长度；α 为晶片入射倾角［1］。设计时选用的双晶直探头 D＝8 mm，α＝6°，

代入式（1）可得AO≈4.02 mm。故此处的声场宽度约为 8 mm。即：双晶探头对其正下方距踏面 20 mm 深处、周向 8 mm 范围内的缺陷最为灵敏。相邻的 2 个双晶直探头间距为

30 mm，故该系统对于辋裂周向延伸大于 22 mm 的缺陷能够有效检出。

4.4 大角度横波斜探头探伤方案

《铁路客车轮轴组装检修及管理规则》 规定，一般采用 69°或 70°探头进行大角度斜探头探伤。在进行人工探伤时，经常会用到 2 次或者 3 次声程波进行探伤，随着声程的增加，探头的灵敏度会有所下降。自动化探伤时，列车的通过速度主要受制于大角度探头发射的超声横波。为了提高列车通过速度，只用 1 次波进行径向裂纹的检测，同时可提高检测的灵敏度。理论上只需 9 个 70°的斜探头即可实现整个车轮周向上声束的全覆盖。为确保探伤效果良好，单侧采用 12 个 70°斜探头、间距240 mm 均匀排列的方式。

结束语：

总之，超声波无损探伤作为一种可靠的探伤技术，其在铁路机车车轮检测中发挥着积极的作用，在检测作业当中，应结合实际的检测条件以及超声波探伤技术自身的特点，合理确定探伤方式与成像方式，充分发挥计算机成像处理的技术优势，在保证检测质量的同时，提高检测效率，降低检测成本，保证车轮质量缺陷检测工作的有效性，及时发现并处理问题，并要加强对超声波探伤应用技术的创新，使超声波探伤技术在未来发挥出更大的价值。

参考文献：

[1]韩锋刚.超声波测试技术在铁路工程质量检测中的应用[J].智能城市,2021,7(17):73-74.

[2]刘永章.铁路钢轨焊缝超声波探伤技术及便携式检测仪器分析[J].中华建设,2021(02):104-105.