摘 要： 針對機車車軸的缺陷存在區域及其分布特點，分析利用超聲相控陣技術進行機車車軸探傷的方法，提出一種新的機車車軸的相控陣超聲檢測方案，僅采用一個相控陣探頭即可完成整個車軸的缺陷探測，且定位準確。結果表明，該系統可一次性完成對樣板軸的全掃查，得出各缺陷所在位置及深度等定位信息，根據車軸缺陷檢測數據結果可快速在車軸上找到缺陷，檢測效率和檢測精度較高，滿足車軸檢測工藝要求。
關鍵詞： 機車車軸；相控陣；超聲；探傷；疲勞裂紋
近年來，隨著我國鐵路在高速和重載的發展，鐵路運行周期不斷增長，運輸日趨繁忙，機車走行部分承受的各種復雜應力也相應增大。列車車軸作為組成列車車輛系統的關鍵部件之一，對列車車軸質量具有高層次的質量要求。車軸的受力復雜、工作條件惡劣，很容易發生疲勞裂紋并且裂紋位置隱蔽，如果車軸出現疲勞損傷并且擴展，就會因斷軸而造成列車脫軌，帶來災難性的后果，其安全運轉直接關系著鐵路運輸的安全生產。為了及時發現車軸的疲勞缺陷，防止列車車軸斷裂事故的發生，保證列車的運行安全，必須進行無損探傷檢測[1]。由于超聲波探傷方法能夠對金屬、非金屬、陶瓷及復合材料等進行快速準確的表面及內部探傷，因此，超聲探傷法特別適合于檢測機車車軸。
1 機車車軸的結構
機車車軸的基本結構，包括軸頸、軸肩、軸身、齒輪座和車輪座等，有的還有制動盤座。機車車軸的主要結構如圖1所示[1]。
列車車軸作為一種常見的鍛件，其特點是結構材料受熱變形而變細，而且變形量的大小和方向會明顯影響到缺陷的形態、取向以及分布情況，所以車軸缺陷多是面積型或者長條形的缺陷[2]。機車車軸缺陷主要有兩大類：車軸內部缺陷和疲勞裂紋。在役車軸的缺陷主要是疲勞缺陷，因此，對在役車軸檢測的重點是對疲勞裂紋的檢測。
機車車軸內部缺陷、表面橫向大裂紋也是造成車軸“冷切”的主要原因之一。表面橫向大裂紋主要是由于車軸加工不當、滑動部位發熱滲入其他金屬、內部缺陷應力集中、材質變化導致機械性能惡化、應力集中、應變頻繁等原因引起。
2 相控陣超聲探傷技術
相控陣技術是利用超聲陣列換能器，通過控制各陣元發射的聲波的相位，實現對超聲波聲場的控制。相控陣超聲檢測探頭的特點在于，本質來說相控陣探頭就是一個較長的常規超聲探頭，然后將其切割成許多小的晶片，并可獨立激發，就像是將許多小的常規超聲探頭集成進入一個探頭中。相控陣探頭的每一個晶片都有自己的接頭、延時電路和數模轉換器，每個晶片在聲學上都是獨立的。通過預先計算好的延時對每個晶片進行激發，實現聲束的相控發射與接收。在20世紀70年代，醫學診斷設備首先采用了相控陣技術進行動態聚焦。在以后的10年中，這一技術迅速發展，并應用于材料無損評價（NDE）領域。
超聲相控陣技術可在不移動探頭的情況下實現對波束的控制，根據所需發射的聲束特征，由計算機軟件計算各通道的相位關系并控制發射/接收移相換能器，控制各單元發射與接收脈沖的相位（時間延遲），達到聚焦和聲束偏轉的效果，從而形成所需的聲束，如圖2所示[3]。
對于傳統超聲，必須更換不同的探頭或楔塊才能改變聲束角度；而對于相控陣系統，聲束的角度可以用電子控制改變。同一相控陣超聲探頭，可以控制產生不同的輸出波形和能量聚焦，適用于不同的檢測需要。這是超聲相控陣技術區別于傳統單晶片超聲波探傷技術的兩大特點。這些特性和一些特殊的掃描顯示方式（如A掃描顯示、C掃描顯示和S掃描顯示等）結合起來，能夠提供強大的圖形和數據保存結果，這對于判傷的記錄和缺陷的評估是很有價值的。
采用超聲相控陣探傷技術，只要在材料表面有適當的耦合面即可方便地實現工件各部位的探傷，降低了探測難度，簡化了探傷操作，提升了探測對象的適應性，特別適合在線探傷。由于其采用動態聚焦技術，使近場聲束和遠場聲束都有良好的聚焦特性，探傷信噪比和探傷靈敏度高；采用聲束偏轉，使多個缺陷可以同時檢測，并以圖像的形式直觀顯示，檢測分辨力高。由于相控陣超聲具有檢測效率高、聲束可達性好等特點，特別適合于幾何形狀復雜的鐵路關鍵受力部件的無損探傷，如車輪、車軸、連桿、鋼軌等關鍵部件的疲勞裂紋探傷，以及轉向架的焊縫探傷。下面探討將超聲相控陣技術應用于實心車軸各部位的探傷。
3 車軸超聲相控陣探傷
3.1 車軸探傷原理
車軸的超聲探傷主要基于脈沖反射法探測原理，超聲波束在傳播路徑上遇到缺陷時會產生反射，通過對反射超聲波或透射超聲波進行檢測，可檢測工件的缺陷。由于車軸內部無空洞，用常規超聲探傷很難做到全面檢查，而利用相控陣超聲探頭的收發一體和收發分離工作模式，就可實現大角度范圍的掃查，即可實現車軸缺陷的探傷，同時檢測效率也得到適當的提高。
3.2 車軸相控陣超聲探傷方法
現有的超聲波探傷法是將探頭接觸在車軸的端面或表面上，或是沒有拆卸的重要部件上，向車軸中入射超聲波，觀察并分析各反射波。分為垂直探傷、小角度探傷和斜角探傷三種方法。
（1）垂直探傷。垂直探傷是由車軸端面垂直射入超聲波，檢測車軸在全長方向是否有損傷及一些材質性缺陷。垂直探傷的探傷范圍最廣，可以掃查到整個車軸縱向。
（2）小角度探傷。在不退輪的情況下，針對車軸可能損傷的某些部位，用小角度探頭的縱波在車軸端面進行探傷。超聲波進入車軸后，除了發生折射外，還會發生波型轉換，出現縱波和橫波，小角度探傷利用其中的縱波進行探傷，由于橫波聲速比縱波慢，因此不會干擾對缺陷的判斷。小角度探傷比垂直探傷精度高，但聲束不能覆蓋車軸全體。因此，小角度探傷檢測車軸需要多個探頭。
（3）斜角探傷。斜角探傷一般使用較大角度從有車軸表面斜方向射入的橫波超聲波。斜角探傷可檢查到齒輪座、制動盤等部位的損傷。斜角探傷比小角度探傷更能檢測出細小的缺陷，但是探傷前需保持車軸表面平整潔凈。
上述三種方法掃查的范圍和檢測精度各有利弊，在設計車軸探傷系統中，需按照特定的需求選用合理的探傷方法，也可以綜合各方法優點，組合探傷，提高探傷的精度。
3.3 車軸探傷區域分析
車軸不僅承受著來自列車的全部靜載荷，還會受到列車運行過程中的各種復雜作用力，結合以往因車軸導致的鐵路交通事故，除了軸頸、輪座內外兩側、齒輪座內外兩側以及軸身部位幾處主要受力位置外，還需對軸端等部位進行缺陷檢測，如圖3所示。一旦車軸上某個部位出現微小裂紋，在長期運行的作用力下會逐步擴展并最終導致斷軸等重大事故。因此，要通過布置在車軸不同表面處的多個相控陣探頭對整個車軸區域進行全面檢測[4]。
針對上述機車車軸的缺陷存在區域及其分布特點，若采用常規超聲探傷，超聲聲場無法完全覆蓋整個部件，檢測不全面。要檢測所有部位的缺陷，須采用相控陣技術。目前常用的相控陣檢測方案，大多采用組合相控陣探頭并將其置于車軸不同的部位進行檢測，檢測系統較復雜，干擾因素較多且成本高。
本文通過對比分析超聲相控陣進行機車車軸探傷的方法，自行設計，并提出一種新的機車車軸的相控陣超聲檢測方案，只需采用一個相控陣探頭即可完成整個車軸的缺陷探測，干擾較小，誤判率小，且超聲聲場全覆蓋，避免了缺陷的漏檢，檢測效率較高。
3.4 車軸相控陣超聲探傷試驗
車軸的超聲波探傷試驗遵照機車車輛車軸超聲波探傷（TB/T 1618-2001）的相關質量標準。車軸超聲探傷系統采用一支相控陣探頭，放置于軸端面，通過在其上移動探頭進行檢測，綜合利用相控陣超聲檢測技術的優勢實現車軸的全檢測。
3.4.1 檢測設備及方法
測試模擬現場應用條件：試驗設備選用OLYMPUS的Focus LT超聲采集設備和Tomoview采集軟件；探頭采用32晶片的線性排列的相控陣探頭（晶片間距為1 mm），放置于樣板軸端面進行檢測。由于設備條件的限制，目前采取手工相控陣探傷法，用手移動相控陣探頭，數據按采集時間存儲。以通過試驗、分析、研究找到針對不同部位缺陷的最佳檢測距離及調整方法。
3.4.2 檢測流程
檢測流程如圖4所示。
3.4.3 檢測步驟
（1）選用機油作為試驗耦合劑，搭建車軸探傷試驗平臺進行檢測。合理配置超聲檢測參數，根據車軸幾何結構和探頭位置等因素，合理設置檢測角度。超聲采集圖像由Tomoview軟件顯示，主要觀察分析顯示的A掃描和B掃描圖像數據。
A掃描是一維顯示，顯示沿探頭發射聲束方向上不同點的回波信息，是一種波形顯示，縱軸表示反射波的聲壓幅度，橫軸表示聲波的傳播時間（或距離），可確定缺陷在試件中的埋藏深度及缺陷的反射聲壓。
B掃描是多重A掃描疊加顯示，得到的是與聲束傳播方向平行的物體斷面的圖像。水平軸表示掃查位置，垂直軸表示超聲聲程或傳播時間[5]。當換能器沿一直線移動時，在屏上可顯示掃查線所取縱截面上，前表面、后表面及內部反射界面的位置取向和深度。
為確保超聲波探傷具有足夠的靈敏度，需要根據技術條件和車軸的制造使用要求，制作與實際車軸相似的結構和外形尺寸的對比試塊，以供探傷時使用。在試塊的相應部位，按車軸疲勞裂紋的特點仿真刻制一系列的人工缺陷。如表1所示是樣板軸上的部分缺陷信息。
3.5 試驗分析
針對樣板軸上的缺陷，小幅度移動探頭，依次檢驗樣板軸上所有的缺陷，最后得出各個缺陷的檢測角度、探頭擺放位置。置于車軸端面的超聲波相控陣探頭以不同角度發射超聲橫波。同一缺陷可能由不同角度的超聲波檢測到，同一角度也可能檢測到多個缺陷。對比分析探頭位置、檢測增益及缺陷是由超聲波的幾次回波測得等，最終得出最佳的方案及調整方法。如圖7所示分別為卸荷槽和輪座部位的缺陷檢測圖。由圖可見，各波形清晰可辨，通過分析和計算A掃和B掃圖上的波形位置，可確認對應位置的缺陷波。通過調整增益及TCG曲線（時間校正增益），將找到的缺陷的波幅調整到滿屏幕的80%，并記錄其檢測角度、增益、信噪比及探頭擺放位置。
通過多次試驗統計，相控陣采集軟件上得到的缺陷深度誤差最大僅為3 mm。當缺陷波幅在滿屏的80%時，檢測增益在25 dB~40 dB左右，最大不超過50 dB，且各缺陷檢測信噪比均在15 dB以下，具有較好的檢測效果。
試驗結果表明，本方案設計的相控陣超聲波車軸探傷系統只需要采用一個相控陣探頭即可檢測樣板軸上距車軸表面不同深度的缺陷，檢測范圍可覆蓋整個車軸結構體，能夠得出每個缺陷的定位信息報告（缺陷所在位置及深度），根據車軸缺陷檢測數據結果可快速在車軸上找到缺陷。方案可行，且檢測效率較高。
采用超聲相控陣技術探傷，與傳統的探傷方法相比，檢測速度快，可以同時檢測車軸不同部位的多個缺陷，檢測精度高，且不易出現漏檢等情況。若將相控陣探頭配以適當的夾具和電機等，使探頭自動旋轉，檢測效率會大大提高。
相控陣超聲技術對車軸的探傷，只需一支相控陣探頭置于軸端面進行檢測，即可完成透聲檢測和多角度連續自動聚焦掃查，通過多次試驗和結果的分析，該方案對車軸的相控陣超聲檢測，能實現車軸卸荷槽、輪座、抱軸頸及軸身缺陷的檢測，檢測方便、快捷，檢測效率、精度及準確度都高，不易漏檢，滿足鐵路車軸檢測的要求，適用于電力、內燃機車輪對車軸內部材質性缺陷及裂紋等的超聲波檢測。
參考文獻
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[2] 曾海云，段怡雄，王平華.35CrMo車軸疲勞裂紋超聲波檢測工藝方法[J].電力機車與城軌車輛，2005（6）：34-37.
[3] LONSDALE C， TRAXLER J， WAGNER R， et al， Phased array ultrasonic inspection of new wrought railroad wheel rims. 500 North Walnut Street Burnham， PA， USA.
[4] 石塚弘道. 車體、轉向架構架和車軸的疲勞研究[J].國外列車車輛工藝，2009（5）：38-41.
[5] 李衍.超聲相控陣技術第二部分 掃查模式和圖像顯示[J].無損探傷，2007，31（6）：33-39.