动车组车轴超声波检测及应用

动车组车轴超声波检测及应用

徐祥庆阚宝杰

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000

摘要：目前国内动车组空心车轴探伤设备使用的探头全部由国外进口，价格高昂、供货周期长，为了保障动车组的正常安全运营，对探头进行了国产化研究，产品经过2年的实际运用，结果表明，自主研制的空心轴探伤用探头可以替代进口产品，满足动车组空心车轴的探伤需要。

关键词：动车组；空心车轴；超声波探伤

随着我国高速铁路动车组大量上线运营，相应的动车组空心车轴探伤设备也随之配套运行。目前空心车轴探伤设备上使用的超声波探伤探头全部都是进口产品，价格高昂、供货周期长，无法大量配置，而且其主要技术掌握在国外供应商手中，一旦出现缺货、停产、技术限制或其他因素引起的无探头可用的情况，将无法保障动车组安全、正常、持续地运行。为此，须立即开展动车组空心车轴超声波探伤用探头的国产化研究。

1、国产化探头的主要技术难点

动车组空心车轴超声波探伤是动车组运用检修体系的重要组成部分，其探头的质量与性能直接关系到车轴探伤结果的准确性。探头的设计不仅要考虑到被检测对象可能发生的缺陷类型、取向、大小，同时还要考虑被检测对象的表面特征。动车组空心车轴超声波探伤除了要求探头具备较好的性能外，还要满足通过车轴中孔进行探伤的要求。另外，和谐系列动车组多种车型不同的车轴内孔直径也给设计和开发带来一定的难度。

(1)高性能压电复合材料的制备，用于产生具有高灵敏度和宽带宽声波的振动晶片(振子)；

(2)超声探头的声匹配层设计，用于铺设有较高声能透射率的传输通路；

(3)根据实际环境设计的探头外形及晶片角度设计，用于提供多种方向、不同角度、不同波型的超声波。

2、功能与技术

国产化探头是根据动车组车轴内部中空、要求检测灵敏度较高、要求检测范围广、目标缺陷类型多样、检测环境复杂等特点而设计的。

首先针对检测灵敏度高、检测范围广的需求，其中换能器晶片用于发射和接收超声波，并将之转化为相应的电脉冲信号。由于具有与普通陶瓷晶片不同的振动模式，此晶片具有高灵敏度、高机电耦合系数、窄脉冲宽度等特点，同一条件下普通PZT晶片探头的回波电压和频带宽度分别为4.91Vss和1.55MHz～2.62MHz，复合探头为18.25Vss和1.12MHz～2.9MHz。在此基础上，为压电晶片和超声楔块之间设计了具有特定厚度和声阻抗的声匹配层，使声能传播更加高效，进一步提高了系统的灵敏度。

其次，传统实心车轴超声波探伤检测在车轴端面实施，检测范围覆盖面积小，整体灵敏度非常低，可检测缺陷的类型少。而动车组车轴内孔是中空的，可以将探头伸入车轴内孔进行检测，利用此特点对探头的外形、尺寸、声束方向进行了改进，设计了具有不同圆弧面的有机玻璃楔块，并对探头晶片的安放位置作了调整。用于CRH3型动车组空心车轴检测的探头采用R15mm圆弧面的有机玻璃楔块，一套有3个，分别是正轴向、负轴向45°横波探头、0°双晶纵波直探头，其中2个轴向横波探头用于检测外表面的横向缺陷(方向垂直于车轴的中心线)，0°双晶纵波直探头用于检测空心车轴内部的体积型缺陷；而用于CRH1、CRH2、CRH5型动车组空心车轴超声波探伤的探头圆弧面半径是R29.5mm，一套有7个，除了拥有R15mm圆弧面探头的功能外，还有2组4个探头用于检测过渡圆弧处、近表面横向性缺陷、车轴外表面纵向缺陷(平行于车轴的中心轴)。

与车轴内孔孔径相对应的楔块圆弧面设计可以使探头与车轴内孔表面紧密贴合，再辅以S32或S68号抗磨液压油作为耦合剂，可以使探头与车轴内孔表面的耦合声能损失降到最低水平，提升系统整体的灵敏度。经过上海铁路局南翔动车段运用，通过在对比试样轴上进行探伤扫查，可以有效检测到1mm表面线性缺陷和ø2mm平底孔缺陷(8～80mm声程范围内)，并能发现0.5mm表面线性缺陷，检测能力达到现有进口探头的水平。

晶片不同的安放位置可以使探头具有不同方向的声束，以达到检测缺陷类型多样化的目的，另外0°探头采用双晶片、面聚焦设计，近场盲区缩小到7mm以内，可以有效检测到近表面的体积、面积型缺陷。

3、超声波检测技术的应用

3.1超声波测量技术的应用

对于工业生产而言，超声波检测技术能够充分发挥其作用，特别在探伤领域，使用该技术对材料中缺陷的具体情况进行明确，比如缺陷的位置和大小都是需要明确的情况。除外，超声波对于测量也是非常有帮助的。超声波在声速测量、厚度测量、液位测量等方面有应用，笔者主要以这三个方面进行研究。

3.1.1声速测量

我们知道，超声波在介质中传播特性的物理量可以通过声速来表示。另外，因为超声波传播规律的特性，根据测量精度要求的不同，在实际应用的过程中，我们会使用多种方法来灵活测量声速，这是我们需要注意的。

3.1.2厚度测量

对于厚度测量，我们可使用的超声波测量仪器较多。通常情况下，我们根据其工作原理的差异进行区分。比如有超声波测厚仪、电流法测厚仪和磁性测厚仪等。其中，超声波测厚仪的主要特点是测量速度比较快，而且其精度也较高，体积比较小，携带方便。超声波测厚仪的分类，如果是根据工作原理的不同，可以分为两类，一类是脉冲反射式，另一类是共振式。从实际应用情况来，目前我国使用较多的是脉冲反射式。当我们使用该仪器的时候，务必需要明确其上下限值，如果超出了限值，仪器就无法显示，或者是误差太大，也就失去了测量的意义。

3.1.3液位测量

对于液位测量，我们可以使用多种测量方法。但是，经过大量的研究实践发现，超声波液位测量技术的优点比较多。比如，可以实现定点液位测量，也可以实现连续液位测量，还可以为遥测提供必要的信号支持。超声波测液技术比激光测距技术简单，性价比也更高。该方法比射线法的安全度要高一些，不需要采用防护措施。超声波测量液位技术，通常有两种，一种是液介式，另一种是气介式。

3.2超声波检测在铁路行业的应用

在铁路行业中，无损检测通常应用于对在役产品的维护和检修作用较大。另外，其对于新生产的产品也能够进行质量检查。对于在役产品，我们使用超声波检测技术的主要目的是对其疲劳缺陷情况进行检测，如果重要的设备器件发生了这种缺陷，就必须停止工作，不能继续使用。在铁路检修的过程中，超声波检测不但可以用于锻件或者铸件的疲劳裂纹探伤，而且在动车组的车轮表面缺陷检查中发挥重要作用。针对车轴的超声波探伤，主要检测其使用过程中产生疲劳缺陷的具体情况。

3.2.1在役轮轴超声波探伤

在役车轴的超声波探伤的过程中，我们需要对其疲劳缺陷进行检测。根据现在的铁路车轴，通常有两类，包括实行车轴和空心车轴。其中前者应用于普通客货车比较多，后者用于动车比较多。针对这两种车轴的探伤，需要使用不同的探伤方法。前者是通过直探头对空心轴内部进行探测，从而对其缺陷的有无和位置大小情况进行明确。后者需要注意选择适当的角度的斜探头，所以这两者的检测是不一样的。

3.2.2实心车轴探伤

当轮座处于不退轮状态时，如果要对其进行超声波探伤，就可以实现。需要注意的是，为了确保超声波能够到达轮座位置，需要使用斜探头。因为只有使用这种探头，通过以某角度入射到被检测的车轴，才能发射超声波，从而实现实心车轴探伤。

3.3超声波检测技术在工程中的应用

在工程施工实践中，钻孔灌注桩是我们使用非常频繁的基础施工。该施工的操作比较简单，而且机械设备投入资金相对较少，能够在多种基础设施建设中发挥重要作用。另外，需要注意的是，钻孔灌注桩比较隐蔽。当然，对于其质量的优劣，我们必须进行严格的控制。对成桩的质量检测也非常重要。我们通常所使用的检测方法是小应变检测法，该方法通常适合桩长小于40m的情形。如果桩身比较长，这适合我们需要使用声波检测法，这样就可以使桩身质量更好地体现出来。超声波检测法是比较有效的，可以使桩身混凝土质量能够准确体现出来。

4、结束语

该探头采用具有特殊振动模式的压电晶片，配合良好的声、电阻抗匹配，以及专门设计的超声楔块，具有灵敏度高、宽带宽、指向性好、高机电耦合系数、易声阻抗匹配等优异性能，适用于CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型动车组的内孔孔径在29～90mm内空心车轴的自动和手动超声波探伤。探头连接到超声波探伤仪后，利用压电效应可以实现电声转换，应用于空心车轴超声波探伤，可有效地检测车轴缺陷，防止因为车轴材质问题和疲劳裂纹引起的断轴事故。

参考文献

[1] 李邓化.压电复合材料制作工艺[J]科学出版社，2010.

[2] 祁 欣,于国良.超声波TR探头的设计及应用[J].传感器与微系统,2019(1)

[3] 中国铁路总公司.和谐系列动车组空心车轴超声波探伤规程[J]中国铁道出版社，2013