轮箍中常见缺陷的检测与检测

轮箍中常见缺陷的检测与检测

车轮连接是车辆的重要部件，其质量直接影响车辆的安全。在制造和使用过程中,轮箍经常出现各种危害性缺陷,随着列车速度的提高,这种缺陷的发生和发展有提早和加快的趋势,给运输安全构成极大威胁。轮箍中的缺陷主要有冶金缺陷和疲劳缺陷两大类。冶金缺陷方向性不太明显,但一般沿碾压方向面积较大。疲劳缺陷多数产生在踏面下10～30mm范围内,一般先沿圆周方向发展,然后再折向径向(也有直接沿径向发展的),最后导致轮箍崩裂,是一种十分危险的缺陷。为确保行车安全,铁路部门近年来投入了大量人力、财力开展轮箍探伤,以防事故发生。目前轮箍探伤主要使用超声纵波法,即用纵波直探头或双晶探头进行探伤。装配前从踏面和内侧面进行探测,装配后则只从踏面进行探测,扫查范围遍及全踏面。纵波法对于使用中的轮箍具有很大的局限性,主要是对径向缺陷的检测灵敏度低和操作过于复杂。使用中的轮箍外露部分很少,大部分被闸瓦或车体遮盖,要想对轮箍进行全部探测,必须分段进行,即一边动车一边探伤,最多时甚至需动车十次以上,费工费时,也不安全。本文研究的横波探伤法,可在不动车的情况下完成对轮箍的全面扫查,且对径向缺陷有很高的检测灵敏度,能够很好地解决轮箍在装车状态下的探伤问题。1横波检测原理1.1波场表面为一次声程的针内探伤波场轮箍横波探伤用的是大角度的超声横波。声波在轮箍中传播时,会因圆周界面的制约而产生多次反射,沿图1所示的折线方向向前传播。探头不动时,声波轴线是几段折线。扫查时,相当于声波围绕轮箍圆心旋转,声波轴线探测到的实际上是踏面下一层连续的壳层,其厚度为一次声程的弦高h0。轮箍横波探伤与管材横向探测不同,这里内圆凸面不起作用,声波只入射到具有聚焦作用的外圆凹面上,因而没有发散损失,声能衰减大大减缓,一般四次以上声程仍有足够高的探伤灵敏度,并且只需在一个跨度内扫查,就可实现对轮箍的全部探测。容易证明,一跨距或一次反射波的声程(弦长)W、弧长L0(L0(和最大探测深度h0分别为W=2Rcosβ(1)L0(=90−β90πR(2)h0=R(1−sinβ)(3)W=2Rcosβ(1)L0(=90-β90πR(2)h0=R(1-sinβ)(3)1.2ss12设有一点状缺陷F,它至圆心O的距离为OF=x,声程为S,如图2所示。根据余弦定理S2+R2−2SRcosβ=x2(4)可得S=Rcosβ±R2cos2β−(R2−x2)−−−−−−−−−−−−−−−−−√(5)S2+R2-2SRcosβ=x2(4)可得S=Rcosβ±R2cos2β-(R2-x2)(5)S有两个解,说明有两个位置可探测到该缺陷,也即工件中的缺陷在一次扫查过程中能够探测到两次,一次在A点,另一次在B点。两次声程之和刚好等于一次反射的声程W,即W=SA+SB=2Rcosβ(6)W=SA+SB=2Rcosβ(6)1.3=2ssinr-scos+0.+2.0缺陷下+如果缺陷为沿半径OF方向的小平面缺陷,则声波在缺陷上的入射角α为α=±[90°−(β+θ)](7)α=±[90°-(β+θ)](7)式中θ——声程S所对应的圆心角θ=tg−1S⋅sinβR−S⋅cosβ(8)θ=tg-1S⋅sinβR-S⋅cosβ(8)当α=0时,声波与缺陷垂直,β+θ=90°,A,B两点重合,此时缺陷处于一次声程的中点,即声波轴线能探测到的最大距离上。如果缺陷沿径向有一延伸长度,则缺陷不是在圆周面的两点,而是在两段被探测到。当探头从缺陷上方向下扫查时,A处探头的声波从缺陷的上端点逐渐扫查到缺陷的下端点,而B处探头的声波则从缺陷的下端点逐渐扫查到缺陷的上端点。如果缺陷已扩展到圆周表面,且下端点刚好处于能够探测到的最大位置上,即缺陷深度等于h0,则A,B两处探头扫查的范围重合,声波在缺陷上的入射角从90°-β逐渐变小,直到0°,然后又逐渐变大,直到90°-β,在整个扫查过程中,入射角在±(90°-β)之间变化。1.4面的旁轴心理状态声波在圆周界面上反射后,会产生类似聚焦作用的汇聚现象(图3),以经过声束轴线第n次反射点的半径为y轴建立坐标系,轮箍圆心为坐标原点,纸面为xOy平面,可以证明,与轴线呈一微小角度δ的旁轴声线经n次反射后与轴线交点Q的坐标为x=R{1−cos2nδ−sin2nδ⋅cot[β−(2n+1)δ]}cotβ−cot[β−(2n+1)δ](9)y=R−xtgβx=R{1-cos2nδ-sin2nδ⋅cot[β-(2n+1)δ]}cotβ-cot[β-(2n+1)δ](9)y=R-xtgβ当n=1时x=R[1−cos2δ−sin2δ⋅cot(β−3δ)]cotβ−cot(β−3δ)(10)y=R−xtgβx=R[1-cos2δ-sin2δ⋅cot(β-3δ)]cotβ-cot(β-3δ)(10)y=R-xtgβ2选择和缺陷定位2.1扫查面为0cl0c设计探头或选择探伤条件时,可以使折射声波在轮箍内刚好构成一个多边形,这样有利于问题的分析和讨论。此时多边形的边数m、折射角β和最小扫查范围(即一个跨距所对应的弧长L0()cL0()c满足如下关系m=18090−β或β=12(180−360m)(11)c=L0(=2πRm(12)m=18090-β或β=12(180-360m)(11)c=L0(=2πRm(12)可以看出,m越大,β也越大,需扫查的范围c和可探测的最大深度h0(式(3))越小,此时声波靠近界面。反之,β就越小,所需的扫查范围和可探测的深度则相应大些。m,β,c,h0和轮箍半径R之间的相互关系如附表所示,一般m取7,8,9为宜,此时对应的探头折射角β分别为64.3°,67.5°和70°。2.2错误定位2.2.1l和弧长ll读出声程S后,从式(8)可求出θ,则缺陷深度h、水平距离L和弧长L(L(分别为h=R−S⋅sinβsinθL=2R⋅sinθ2(13)L(=θ180⋅πRh=R-S⋅sinβsinθL=2R⋅sinθ2(13)L(=θ180⋅πR2.2.2[s[s-n1w],犯参数若缺陷由n次声程探出,声程为S,则有θ=tg−1[S−(n−1)L0]⋅sinβR−[S−(n−1)L0]cosβh=R−[S−(n−1)w]⋅sinβsinθ(14)L(=(n−1)L0(+θ180⋅πRθ=tg-1[S-(n-1)L0]⋅sinβR-[S-(n-1)L0]cosβh=R-[S-(n-1)w]⋅sinβsinθ(14)L(=(n-1)L0(+θ180⋅πR3人工缺陷估计图5和图6是在实际轮箍上做的试验结果,所用探头频率f=2.5MHz,晶片直径20mm,β=67.5°,轮箍R=525mm,人工缺陷为探测面(踏面)下15mm处ue001φ3mm×25mm的横孔。图5是同一缺陷在用同次声程扫查时得到的两个反射波,两个波依次先后出现,声程之和刚好等于一跨距的弦长,在这里用数字探伤仪的波形存储功能将两波显示在了同一图形上。图6则是四次声程探测该缺陷得到的反射波,此时声程已在1.5m以上,可见,探伤灵敏度和信噪比仍然很高,说明试验结果与理论分析是相当吻合的。4探伤灵敏度测定(1)用大角度横波检验轮箍,对径向