车轴探伤201103

车轴超声波探伤第一章车轴的基本知识™1.1轮对、车轴各部位名称典型车辆轮对示意图1—车轴，2—车轮，3—制动盘3121.2车轴型式和尺寸™1.铁道机车车辆车轴的分类铁路用轴按照用途分主要有车辆轴和机车轴两类；按照形式分主要有实心轴和空心轴两大类。™2.GB/T12814-2002车轴形式简介滑动轴承车轴基本型式RB2、RC3、RD2、RD3、RE2、RE2A型车轴基本型式RC4、RD4型车轴基本型式RD3A型车轴基本型式RC4A型车轴基本型式RD3B型车轴基本型式轴型各部位主要尺寸表™3.空心车轴空心车轴比实心车轴可减轻（20～40）%的质量，一般可减轻重（60～100）kg，甚至更多。空心车轴的结构形式，如图所示。由于车轴主要承受横向弯曲力矩作用，截面中心部分应力很小，制成空心后，对车轴强度影响很小。™使用空心车轴需要超声波探伤技术确保起运行安全，采用空心车轴可以事先内壁检测，使超声波声程较短，空心车轴轮座部位横向裂纹探测精度比实心车轴高，裂纹定位准确，漏探、误判几率可明显减少。所以空心车轴的使用安全性比实心车轴还要高。™目前国内空心轴的空心直径一般有：Φ30mm(CRH3型动车组)、Φ60mm（CRH1、CRH2型动车组）和Φ65mm（CRH5型）。空心轴的基本型式1.3新制车轴的加工工艺及主要缺陷™1.成品轴加工冶炼Ö铸、轧Ö锻造Ö粗加工Ö径向超声波探伤Ö热处理Ö热校直Ö粗加工（车、锯、磨轴两端面）Ö超声波贯通检查Ö粗加工、精加工Ö外观检查Ö磁粉探伤Ö成品轴交出（轮对组装）™2.车轴的主要缺陷新制车轴的主要缺陷有：夹杂物严重聚集、残余的疏松、缩孔、未切尽的缩管、晶粒粗大、锻造裂纹、热处理裂纹、发纹；有时也会生产白点。在役车轴的主要缺陷：疲劳裂纹第二章车轴的断裂分析™1.车轴的热切和冷切车轴的早期断裂失效形式主要有两种：热切和冷切。热切本质是轴承工作失效、发热，导致车轴强度下降、变形、缩颈、拉长、拧成锥形麻花状而断裂，所以热切的原因与车轴内在质量无关。车轴冷切发生的原因以及整个裂断过程都和车轴本身密切相关，冷切本质上是车轴某些质量指标未达到规定的要求或外部的条件超过额定的允许值而引发的裂纹，导致断裂。™冷切裂断的机理是车轴薄弱区域在交变载荷的作用下，疲劳累积损伤达到一定程度后，诱发疲劳裂纹，进而裂纹扩展，最后导致断裂。车轴的冷切可以说几乎都是疲劳断裂。™如果车轴的某个区域有缺陷或损伤，那么车轴就更容易萌生裂纹，疲劳寿命可能很短，因而车轴的使用寿命极大地被缩短，这是极端危险的。这种断裂的特点是：⑴发生在常温下；⑵断裂部位没有明显的塑性变形；⑶往往承受的载荷不大；⑷断裂比较突然。™超声波探伤就是检测车轴裂纹扩展过程的重要手段。™热切™冷切疲劳裂纹源车轴断口由疲劳源区、裂纹扩展区、脆性断裂区三部分组成。™⑴疲劳源区断口面平坦、细密，经常有发自疲劳裂纹源的放射纹；疲劳裂纹源区常被氧化、腐蚀、变黑。™⑵疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区在车轴断口上占的面积往往较大。经常有垂直于裂纹扩展方向的“弧线”（疲劳条带），而且疲劳条带的间距随裂纹数扩展逐步增加。™⑶瞬时断裂区（脆性断裂区）疲劳裂纹的扩展由慢到块，直到轴剩余面积承受不住外加载荷而断裂，该区断口常为纤维状，起伏大；位于断口的边缘时，常形成剪切唇；断裂发生时，为银灰色。™2.车轴裂纹分析™1）裂纹产生原因①几何形状对疲劳强度的影响从轴到轮毂的弯曲应力流线很密，在压装末端引起很广的应力集中。②擦伤腐蚀及其对疲劳强度的影响压配合件在受到弯曲或扭转应力作用时不可避免地要产生擦伤腐蚀。™2）.裂纹轴表面与端面特征™车轴轮座压装部位退轴后的表面形貌大致可分为三个区：磨光区、月牙锈蚀区、接触良好区。⑴磨光区：从锈蚀痕迹到轮座内端边缘的整个区为磨光区，此区没有退轴时的划痕，说明这部分与轮心接触不良，在退轴前检查，这部分可塞进100～200μm的塞尺；⑵月牙锈蚀区：此区轮座表面有黑色的锈蚀，呈月牙形，为此，被称为月牙锈蚀区；⑶接触良好区：靠轮座的外端，此区有退轴造成的划痕，说明这部分与轮心接触良好。3.车轴裂纹容易产生部位⑴压装部位裂纹⑵卸荷槽裂纹⑶轴身裂纹™⑴压装部位裂纹旧型号车轴发生冷切的主要部位在轮对的轮座处。据统计，车轴压装部位的裂纹95%以上都出现在离外缘（10～35）mm和离内缘（5～30）mm的两个带区内。并且多数是危险性较大的横向裂纹。裂纹平面与轴侧面法线成10°～25°的夹角。有一定规律地外侧向内、内侧向外倾斜。™⑵卸荷槽裂纹车轴采用新标准之后，断裂部位发生了很大的变化，即车轴冷切主要发生在卸荷槽部位。™⑶轴身裂纹由于车轴自身缺陷的影响和扭转应力的作用，在轴身会产生一定数量的纵向裂纹。特别是旧型号车轴，裂纹长度有时会长达1m。第三章车轴超声波探伤方法介绍™3.1概述™1.实心车轴⑴纵波直探头贯通探伤法检测车轴的综合透声性能，发现内部危害性缺陷和大的疲劳裂纹。⑵横波斜探头探伤法发现轮座内外侧、制动盘座内外侧横向疲劳裂纹。⑶近端纵波小角度斜探头法发现轮座内外侧、制动盘座内外侧、轴颈根部(卸荷槽)横向疲劳裂纹。⑷纵波直探头径向探伤法发现车轴内部轴向缺陷（一般只应用于新制车轴）。⑸相控阵斜探头横波探伤法目前主要用于带制动盘的轮对，利用轮座、制动盘座间的位置，对轮座、制动盘座间的疲劳裂纹进行检测。™2.空心车轴⑴横波斜探头轴向探伤法发现车轴外表面的横向疲劳裂纹⑵纵波直探头径向探伤法发现车轴内部轴向缺陷（一般只应用于新制车轴）。⑶表面波探伤法检查空心轴内孔表面的横向裂纹（一般只应用于新制车轴）。⑷双晶探头纵波径向探伤法发现车轴内部轴向缺陷（一般只应用于新制车轴）。⑸横波斜探头周向探伤法发现轴表面的纵向疲劳裂纹（应用较少）。3.2实心车轴超声波探伤方法简介™1.纵波直探头贯通探伤法⑴探测的目的检测车轴的综合透声性能，发现内部危害性缺陷。⑵探测面、探头和试块轮对型号探测部位探测面探头型号各型全轴穿透车轴两端面2.5P20Z半轴实物试块示意图TZS-R系列试块™⑶测距的标定将2.5P20Z探头放置在TS-1（或TS-1W）标准试块B面上，调整仪器，使试块第1、第10次底面回波前沿分别对准荧光屏水平刻度的第1、第10大格，此时水平刻度的每1大格代表车轴实际长度240mm™⑷调节灵敏度™调整仪器，使第10次底面回波高度达到荧光屏垂直刻度满幅的90％，再增益6dB，耦合差另加4dB～6dB。在此基础上再增益8dB～10dB〔钢印（2dB～4dB）、中心孔（3dB）、螺栓孔（3dB）〕。™关于大裂纹探伤灵敏度的说明：对于大裂纹探伤，一般可发现的裂纹深度不小于5mm，常用的探伤车轴大裂纹试块轴的人工裂纹深度为7mm。™⑸扫查™探头均匀受力，以20mm/s～50mm/s的速度，分别在车轴两端面移动，同时观察回波的变化。探头扫查范围应遍及轴端面的可移动区域。™⑹波形分析™在进行超声波贯通检测，发现大裂纹时，必须注意轮轴固有回波（车轴假的超声指示）和大裂纹的区分。如果将大裂纹误判为车轴的固有回波，则会造成大裂纹的漏探；如果将车轴的固有回波当做大裂纹处理，则会造成误判。™（7）质量判定透声性能的判定验收区域：车轴端面中心至1/2半径范围以内，区域边界以探头中心为准。验收区域内，底面回波高度等于或高于基准波高时，判定为透声合格。验收区域内，底面回波高度低于基准波高，其总面积不超过验收区域面积的1/16，且波幅高度不低于垂直满幅的45％时，判定为透声合格。™2.横波斜探头探伤法⑴探测的目的发现轮座内外侧、制动盘座内外侧横向疲劳裂纹。⑵探测面和探头轴颈、防尘板座、轴身、轮座与制动盘座之间根据车轴型式和尺寸在K0.5～K1.6之间选择，探头频率2.5MHz。493号文表2.4.1探测面、探头型号、移动距离选择表轮对型号探头型号探测面探测部位移动起始位置移动范围探测起始位置探测范围各型2.5P20Z轴端面全轴穿透RC3、RC42.5MHz,K1.2轴颈轮座镶入部外侧轴颈后肩44～114轮座前肩0～702.5MHZ,K1.0轴身轮座镶入部内侧轮座后肩40～168轮座后肩0～128RD3、RD42.5MHz,K1.2轴颈轮座镶入部外侧轴颈后肩46～116轮座前肩0～702.5MHz,K1.0轴身轮座镶入部内侧轮座后肩56～184轮座后肩0～128RD102.5MHz,K1.2轴颈轮座镶入部外侧轴颈后肩46～116轮座前肩0～702.5MHz,K1.2轴身轮座镶入部内侧轮座后肩53～221轮座后肩0～168RD3A、RD4A2.5MHz,K1.2轴颈轮座镶入部外侧轴颈后肩40～116轮座前肩0～762.5MHz,K1.6轴颈轮座镶入部中央轴颈后肩40～105轮座前肩76～1422.5MHz,K1.3防尘板座轮座镶入部内侧轮座前肩48～73轮座后肩0～252.5MH,K1.2防尘板座轮座镶入部内侧轮座前肩55～73轮座后肩25～432.5MHz,K1.3轴身制动盘座镶入部制动盘后肩62～242制动盘后肩0～180™⑶测距的标定™将横波探头置于TZS-R试块R面上，调节仪器，使A面下棱角第1次最高反射波和上棱角第1次最高反射波的前沿分别对准荧光屏水平刻度线的第2和第4大格，此时，水平刻度每1大格代表深度40mm，代表水平距离40×Kmm。根据K值来选择下列方式校准。图2.4.12横波探头K≤1.2时在TZS-R型标准试块上测距标定图2.4.13横波探头K>1.2时在TZS-R型标准试块上测距标定图2.4.14横波探头在TZS-R型标准试块上测距标定波形图™横波探头探伤灵敏度™将探头置于相应的探测面上，适当调节仪器，使半轴试块上深度为1.0mm的人工缺陷最高反射波幅度达到荧光屏垂直刻度满幅的80％，轮座外侧增益6dB，轮座内侧和制动盘座增益9dB（AM96型轮对A2修时，轮座外侧增益9dB，轮座内侧增益6dB，制动盘座增益9dB），耦合差增益（0～4）dB，再补偿半轴实物试块与TZS-R标准试块相对应的人工缺陷的dB差值（△CR），以此作为横波探伤灵敏度。™⑸扫查™扫查时探头移动区域必须保证探头扫查区域之和大于轮座（盘座）全长，即必须保证探头主声束覆盖轮座（盘座）全长。横波探头扫查时探头指向镶入部，沿轴向前后移动，同时沿车轴圆周方向转动，探头均匀受力，探头移动速度为20mm/s～50mm/s。图2.4.18RC3、RC4、RD3、RD4、RD10型轮座镶入部扫查示意图图2.4.19RD3A、RD4A、RD3A1、RD3B型和AM96（A3修）轮座和制动盘座镶入部扫查示意图™3.近端纵波小角度斜探头法1.探头角度的选择⑴探测的目的发现轮座内外侧、制动盘座内外侧、轴颈根部(卸荷槽)横向疲劳裂纹。⑵探头和探测面小角度纵波探头入射角α值与折射角β值的对应关系表入射角α6°7°8°9°10°10.5°11°12°折射角β13.2°15.4°17.7°19.9°22.2°23.4°24.6°27°探测面：轴端面近端纵波小角度斜探头法™小角度纵波探头的测距标定™将小角度纵波探头放置在TZS-R试块B面上，调整仪器，使下棱角和上棱角最高反射波的前沿分别对准荧光屏水平刻度的第2和第4大格，则每１大格代表轴的水平距离40mm图2.4.15小角度纵波探头在TZS-R型标准试块上测距标定图2.4.16小角度纵波探头在TZS-R型标准试块上测距标定波形图™小角度纵波探头探伤灵敏度™将小角度纵波探头置于半轴实物试块轴端面上,适当调节仪器,使轴颈根部(卸荷槽)的1.0mm深人工缺陷的最高反射波幅度达到荧光屏垂直刻度满幅的80％（如图2.4.17），在此基础上增益6dB、钢印增益（2～4）dB、耦合增益（0～4）dB；再补偿半轴实物试块与TZS-R型标准试块相对应的人工缺陷的dB差值（△CR），以此作为轴颈根部（卸荷槽）小角度纵波探头探伤灵敏度。图2.4.17轴颈根部（卸荷槽）小角度纵波探头灵敏度校验示意图图2.4.21小角度探头对AM96（A3修）轮对轴颈根部轴端扫查示意图™镶入部裂纹的判定发现轮座（制动盘座）镶入部有可疑波时，须重新确认探伤灵敏度。只有在规定的探伤灵敏度条件下，所发现的裂纹最高反射波幅度达到或超过荧光屏垂直满幅的80％高度时，方可判定该条轮对存在裂纹缺陷。镶入部局部透声不良的判定探伤过程中如果发现没有轮毂波（轮心波）出现，且始波后面有林状波及杂波出现（或提高灵敏度后有林状波及杂波出现），影响正常探伤时，则判定局部透声不良。镶入部接触不良的判定探伤过程中如果发现没有轮毂波（轮心波）出现，且始波后面无林状波及杂波出现，则判定镶入部接触不良。轴颈根部（卸荷槽）裂纹的判定发现轴颈根部有可疑波时，须重新确认探伤灵敏度。只有在规定的探伤灵敏度条件下，探测的裂纹反射波高度达到或超过荧光屏垂直满幅的80％高度时，方可判定轴颈根部存在裂纹缺陷。™4.纵波直探头径向探伤法⑴探测的目的新制车轴发现车轴内部轴向缺陷。⑵探头和探测面2.5P20Z直探头或双晶探头，从全部车轴外圆面检测⑶探伤试块TB1618-2001标准规定的TS-2试块。TS-2试块示意图™⑷探伤要点™由于探伤范围较大，径向探伤通常使用超声波自动超声波探伤机进行，采用水浸或局部水浸，纵波直探头或纵波双晶探头进行检测。™⑸质量要求™以车轴中心线为准，在0.25D范围（D为成品车轴轴颈尺寸）内发现缺陷时，用底面回拨衰减法进行复探。若第一次底面回波低于示波屏垂直刻度满幅度的50%，车轴不合格；否则合格。™在0.25D范围外，缺陷反射波高不应大于同距离处φ3直径的平底孔反射波高。™在0.25D范围外，缺陷反射波高小于同距离处φ3直径的平底孔反射波高时，用底面回波衰减去进行复探。若第一次底面回波低于示波屏垂直刻度满幅度的50%，车轴不合格；否则合格。™5.相控阵斜探头横波探伤法™超声相控阵的基本原理是：将整个压电晶片分割成许多相同的小晶片，令小晶片宽度e远小于其长度W。每个小晶片均可视为辐射柱面波的线状波源,这些线状波源的波阵面就会产生波的干涉,形成整体波阵面，这些小波阵面可被延时并与相位和振幅同步。利用电子技术调整焦点位置和聚焦的方向。3.3空心车轴超声波探伤方法简介™1.空心轴半自动、自动检测系统组成™空心轴半自动、自动检测系统通常由机械部分和电器部分组成。⑴意大利吉拉多尼生产的空心轴自动超声波探伤机1.探头单元2.支撑臂3.电气柜4.小车5.立柱6.驱动控制单元7.车底座⑵德国Q-NET公司生产的HAT-M02型空心轴自动超声波探伤机探头式样1说明：1.置中的圆锥2.弹性置中环3.橡胶质的O形环4.变频器5.主体6.接头7.压电晶片 车轴超声波探伤 第一章车轴的基本知识� 幻灯片编号3 1.2车轴型式和尺寸 幻灯片编号5 幻灯片编号6 幻灯片编号7 幻灯片编号8 幻灯片编号9 幻灯片编号10 幻灯片编号11 幻灯片编号12 1.3新制车轴的加工工艺及主要缺陷 第二章车轴的断裂分析� 幻灯片编号15 幻灯片编号16 幻灯片编号17 幻灯片编号18 幻灯片编号19 幻灯片编号20 幻灯片编号21 幻灯片编号22 第三章车轴超声波探伤方法介绍� 幻灯片编号24 3.2实心车轴超声波探伤方法简介 幻灯片编号26 幻灯片编号27 幻灯片编号28 幻灯片编号29 幻灯片编号30 幻灯片编号31 幻灯片编号32 幻灯片编号33 幻灯片编号34 幻灯片编号35 幻灯片编号36 幻灯片编号37 幻灯片编号38 幻灯片编号39 幻灯片编号40 幻灯片编号41 幻灯片编号42 幻灯片编号43 幻灯片编号44 幻灯片编号45 幻灯片编号46 幻灯片编号47 幻灯片编号48 幻灯片编号49 3.3空心车轴超声波探伤方法简介 ⑴意大利吉拉多尼生产的空心轴自动超声波探伤机 ⑵德国Q-NET公司生产的HAT-M02型空心轴自动超声波探伤机 幻灯片编号53