动车空心轴疲劳缺陷超声波探伤探头机构设计(期刊论文).pdfVIP

第 1 期 2 0 1 2年 1月 机 械设 计 与 制造 ma c h i ne r y de s i g n&ma n u f a c t u r e 31 文章编号 ： 1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 3 1 - 0 2 动车空心轴疲 劳缺陷超声波探伤探头机构设计 邓嘉鸣 唐大美 - 沈惠平 谢 宁 许赤峰 ， ( 常州大学 机械工程学院 ， 常州 2 1 3 0 1 6 )( 中国南车南京浦镇车辆有限公司， 南京 2 1 0 0 3 1 ) ( 。 常州多杰 自动化设备有限公司 ， 常州 2 1 3 0 1 1 ) de s i g n o f pr o b e me c h a n i s m f o r u l t r a s o n i c d e t e c t i n g f a t i g u e d e f e c t s i n h ol l o w-a x l e o f p o we r c a r de ng j i a mi n g ， n ng da me i ， s hen hu i p i n g ， xi e ni n g 2 ， xu c h i - f e n g 3 ( c o l l e g e o f me c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ， c h a n g z h o u u n i v e r s i t y ， c h a n g z h o u 2 1 3 0 1 6 ， c h i n a ) ( c h i n a c r s n a n j i n g p u z h e n c o ， l t d ， n a n j i n g 2 1 0 0 3 1 ， c h i n a ) ( 3 c h a n g z h o u d u o j i e au t o ma t i o n e q u i p me n t c o ， l t d ， c h a n g z h o u 2 1 3 0 1 1 ， c h i n a ) 、 十 +j 十 q 、 l 十 q、十j q、 b 十 1、 1 _、十十 1、t十 十 h 1 十 、 ht 1 t 十十 + d 、t 十 p “ 【 摘要】 介绍了一种用于高速动车空心车轴疲劳缺陷超声波探伤的浮动式探头机构的结构和工 作原理， 该探头机构通过相应驱动部件的牵引能完成对动车空心车轴疲劳缺陷的超声波探伤； 同时可 精确确定探 头机构的探伤扫查速度及车轴上疲 劳缺陷的具体位置。该机构不仅能作为动车空心车轴超 声波 自动化探伤 系统的主要探测部件 ， 而且可作为专用探 头对动车空心车轴疲劳缺 陷实施超声波手工 探伤 ， 因而具有较广的使用和推广价值。 关键词： 超声波探伤 ； 探头机构 ； 空心车轴 ； 疲劳缺陷 【 a b s t r a c t 】 t h e s t r uct u r e a n d t h e w o r k in g p r i n c ip l e o f a k i n d of fl o a t i n g p r o b e f o r u l t r a s o n i c d e t e c t i n g f a t i g u e d e f e c t s i n h o l l o w a x l e o f p o w e r c 0 1 “ i s i n t r o d u c e t h e m e c h ani s m c o u l d a c c u r a t e ly d e t e r m i n e t h e s c ann i n g s p e e d and t h e l o c a t i o n o f f at i g u e d e f e c t s i n t h e h o l l o w a x l e t h r o u g h p u l l i n g o fa p p r o p r i ate d r i v i n g c o mp o n e n t s a t t h e s a me t i me t hi s me c h a n i s m i s n o t o n l y u s e d i n t he a u t o ul t r a s o ni c n o n d e s t r uc t i v e t e s t - i n g s y s t e m o f t h e h o l l o w axl e i n t h e p o w e r c a r as a， 扎 a i n d e t e c t i o n c o m p o n e n t b u t a l s o as a s p e c i a l p r o b e r man u a l d e t e c t i n g t h us i t wi l l b e us e d a n d p o pu l a r e d wi d e l y ke y wo r ds ： ul t r a s on i c fla w de t e c t i ng； pr o be m e c ha ni s m ； ho l l o w-a x l e； fa t i g ue de f e c t 1 ， | _ ， | 。 1hh hp- ， ， | _ ， | _ 1hh p - _， | 1 ， l nh p ， | _ _1 p - 1 _， i 1h h h h p - _ 1“_ “ h h d + 1 hh t ， 中图分类号 ： t h1 6 ， u 2 7 0 7 文献标识码 ： a 1引言 超声波探伤被广泛地应用于重要零部件的内部缺陷检测， 随着我国经济和城市化进程的快速发展， 高速动车已发展成为一 种主要的交通工具。目前国内运行的动车大都使用了空心车轴， 不仅有利于减轻轴重， 改善力学性能， 而且有利于车轴疲劳缺陷 的探伤检测。 介绍了一种用于高速动车空心车轴超声波探伤的浮 动式探头机构， 该机构巧妙地利用了空心车轴特有的轴向通孔作 为走行扫查通道， 克服了传统列车实心车轴疲劳缺陷超声波探伤 的一系列难点，使超声波探头探测面直接接触空心车轴内孔孔 壁， 不仅走行扫查顺畅无阻、 无探伤盲区， 而且探伤精度也得到了 很大的提高， 从而极大地保证了车轴的探伤质量。 2空心车轴疲劳缺陷的特征及对探头的 要求 2 1疲劳缺陷的特征 近年来， 空心车轴已被大量使用于高速动车。而作为动车走 行部件的重要零件 ， 其质量一直受到有关各方的关注， 尤其是在 役空心车轴的探伤检测， 一直是铁路运输部门安全生产的重中之 重。 根据大量报废的空心车轴有关缺陷资料分析和探伤记录统计 表明， 空心车轴的疲劳缺陷( 大多已发展成裂纹) 绝大部分呈横向 ( 即缺陷的走向与车轴中心轴线夹角大于 4 5 。 ) 分布， 并且大多发 来稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 3 0 5 生在车轴外表面与车轮、 传动齿轮箱、 制动盘等部件的压装段， 集 中在距压 装镶人 部外边 缘 ( 1 0 3 5 ) mm、 距 内边缘 ( 0 3 5 ) m m 区 域 ， 缺陷走向多与车轴中心轴线呈( 6 5 8 0 ) 。 夹角， 且极有规律地 由外侧向内、 内侧向外f 顷斜， 如图 1 所示。 1 2 3 图 1空心车轴疲劳缺陷产生部位及走向图 1 空心车轴 2 疲劳缺陷 3 车轴车轮压装段 2 2对超声波探头的要求 针对空心车轴疲劳缺陷的分布及特征 ，选用车轴内孔作为 探头探伤扫查通道， 采用接触法超声波探伤， 要求探头检测面与 车轴圆柱形内孔孔壁保持良好接触； 同时按车轴材质、 壁厚、 超声 波频率及声程等参数要求达到最高的缺陷检出率。 3超声波探头机构 3 1超声波探头的设计 超声波探头是超声波探伤的核心部分， 其尺寸、 形状及相关 参数设计得合理与否将直接影响到探伤的结果。由于采用接触法 3 2 邓嘉鸣等： 动车空心轴疲劳缺陷超声波探伤探头机构设计 第 1 期 探伤，则必须保证探头检测面与被探测工件探伤面之间的良好接 触， 而空心车轴内孔为圆柱内凹形圆弧面， 因此， 探头检测面也设 计成外凸形与空心车轴内孔具有相同的曲率，使其与车轴内孔面 保证最佳的耦合状态以透射足够大的超声波声能。同时按车轴的 材质及缺陷的走向， 设计探头折射角为 4 0 。 、 频率为 5 mhz ， 以保证 合适的超声波声程及超声波声束的指向角，不仅有利于阻止超声 波在车轴中传播时能量的大幅衰减， 而且能保证小缺陷的检出率。 3 _ 2组合式探头及其浮动结构设计 就圆管状的车轴而言，缺陷在整个圆周上出现的概率几近 相等， 所以探头在轴孔内扫查的轨迹应以螺旋线为佳， 但经大量 试验论证， 高速旋转的探头不仅影响耦合效果同时会产生较强的 干扰信号 ， 从而影 响探伤结果。为此 ， 设计成组合式探头机构 ， 即 在车轴轴孔的整个 圆周上均布排列两组互相平行 的探头组 ， 每组 由八个完全相同的探头组成。两组探头的超声波入射方向相反， 既保证了车轴整个圆周被超声波所覆盖避免了探伤时探头的旋 转， 又能检测不同走向的缺陷。考虑到空心车轴因制造误差引起 的孔径变化， 两组共 1 6 个探头均采用浮动式结构， 使探头检测面 与轴孑 l 孔壁保持良好的接触， 具体结构， 如图2所示。 图 2超声 波探头机构结构图 1 传感器总成 2 润油器 3 平移凸轮 4 浮动式探头组 5 探头架 6 弹簧 7 关节轴承 8 外联件 9 导向滚轮 1 0 浮动滚轮 1 1 浮动滚轮座 1 2 探头架管 1 3 弹簧 3 3超声波探头架结构设计 探头架用于安装组合式探头。 如 图 2 所示。 将两组浮动探头 安装到探头架上后， 理论上每组 8 个探头的几何中心应与探头架 ( 阶梯圆管状) 的几何中心相重合。 探头架在轴孔中扫查走行时只 有使探头的几何中心线始终与轴孔中心线重合，才能保证 1 6个 探头的检测 面与轴孔面接触 良好 ， 即探头架本身必须与空心轴孔 同轴 。 为此采用 了两组浮动滚轮 由一平移凸轮进行径向定位 的结 构， 使两组浮动滚轮始终与空心轴孔壁接触， 从而即使空心轴轴 孔直径或圆度发生变化， 探头架与空心轴亦能同轴。 探头与探头架之间亦采用浮动式结构，使探头始终能在空 心轴孔截面内作径向滑动。 从而保证了与轴孔壁表面的接触耦合 效果。 探头架采用中空的方式， 其内孔用作探头线、 各种信号线及 耦合剂油管等的穿行。为便于探头线的装拆和探头的更换， 探头 与探头线之间采用专用接插件连接 。 3 4超声波探头机构工作原理 探伤时， 将装有浮动式组合探头的探头架存放在探头架管中， 将探头架管与被探空心车轴相连， 由专门的驱动机构牵引探头架进 入车轴， 对整根车轴进行扫查探伤。 同时， 在保证探头检测面与孑 l 壁 表面良 接触的前提下， 应保证两接触面之间始终有一层均匀的油 膜( 由计量油泵泵人润油器供油) ， 从而 正良好的的耦 已 果。 4探头机构扫查速度计算及缺陷位置确定 4 1探头机构扫查速度计算 探头机构在空心车轴中的扫查速度可确定缺陷在车轴上的具 体位置。 该速度取决于探伤的具体工艺要求， 一般由以下参数确定： ( 1 ) 重复工作频率； ( 2 ) 超声波在车轴材料中的传播速度； ( 3 ) nn波 探头晶片的有效面积及探伤所要求的覆盖率； ( 4 ) 超声波折射角。 现用的空心车轴材质一般为 3 5 c r mo ， 超声波横波在其中的 传播速度约为 v = 3 2 0 0 m s ； 超声波频率为5 mh z ， 探头晶片面积为 ( 1 4 x 8 ) mm， 探头所用超声波折射角为1 3 - 4 o 。 ； 空心车轴内孔一般 为直通t l ( 现国内所用孔径多为 8 0 mm和 6 5 m m两种规格) ， 而其 外形则是与普通实心车轴类似的阶梯轴，最大壁厚为 l = 6 5 mm， 其超声波声程， 如图 3 所示。 图 3超声波传播声程 图 1 空心车轴 内：f l l 壁 2 超声波探头 设超声波一次波行程为2 s ， 则： 2 s = 2 l c o s l 3 = 2 x 6 5 c o s 4 0 。 一1 7 0 ram 则超声波从探头发出到一次反射波返回所需的最大时间 为 ： t = 2 s v = 1 7 0 3 2 0 0 = 0 0 5 3 1 m s 超声波允许的最大重复频率为： f , = l t = l o 0 5 3 1 x 1 0 0 0 = 1 8 8 3 2 h z 探伤时一般要求探伤覆盖率大于等于5 0 ( 探头沿车轴轴 向走行扫查时向车轴发射超声波脉冲， 每发射一个脉冲探头只能 轴向移动半个探头晶片宽度的距离) ， 如前所述 ， 探头晶片宽度为 8 m m， 所以每一脉冲的发射探头可移动的最大距离为： 一 =w x5 0 =8 x05=40mm 当设定空心车轴的探伤速度为 5 mi n ( 车轴长为 2 2 5 0 m m， 则探伤速度为： 2 2 5 0 5 x 6 0 = 7 5 m m s ) ，则可求出超声波允许的最小 重复频率 为 ( 探头移动速度 l x ) x n = ( 7 5 4 0 ) x 8 = 1 5 h z 式中： - 全部探头扫描一次所需的脉冲数。 由此可知 ， 在确定超声波探头的折射角后 ， 可得出超声波 的 最大允许重复频率为 1 8 8 3 2 hz ，最小允许重复频率为 1 5 h z 。为 此， 取超声波的重复频率 为 l o 0 0 h z 。在此条件下， 超声波探头 允许的最大扫查速度为： ( ) 5 1 = ( 4 0 x 1 0 0 0 ) 8 = 0 5 m s 4 2车轴中缺陷位置的确定 由于空心车轴的结构、 材质及超声波探头的折射角均确定， 因而车轴中缺陷的位置和探头位置将是一一对应的， 通过牵引机 构( 带有计数光栅) 对超声波探头在空心车轴中位置的计测即可 确定缺陷在车轴上的轴向位置， 同时根据检测到缺陷信号的某个 探头即可确定缺陷在车轴中的周向位置。 第 1期 2 0 1 2年 1月 机械 设 计 与制 造 ma c h i n e r y de s i g n&ma n u f a c t u r e 3 3 文章编号： 1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 0 1 2 ) o 1 0 0 3 3 0 3 c v c轧机主传动万向接轴叉头有限元分析及优化 刘 静 10 刘学江3 刘海生3 ( 河北理工大学 机械工程学院， 唐山 0 6 3 0 0 0 ) ( 唐山工业职业技术学院 机械工程系， 唐山 0 6 3 0 2 0 ) ( 0 唐山学院 机电工程系， 唐山 0 6 3 0 0 0 ) fe a a n d o p t i mi z a t i o n 0 f u n i v e r s a l s p i n d l e h e a d f o r mai n t r a n s mi s s i o n s y s t e m o f cvc rai l l l i u j i n g 一 ， l i u x u e - j i a n g 0 ， l i u h a i s h e n g ( h e b e i p o l y t e c h n i c u n i v e r s i t y ， c o l l e g e o f me c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ， t a n g s h a n 0 6 3 0 0 0 ， c h i n a ) ( f a n g s h a n i n d u s t ri a l v o c a t i o n a l t e c h n i c a l c o l l e g e ， d e p a r t me n t o f me c h a n i c a l e n g i n e e ri n g ， t a n g s h a n 0 6 3 0 2 0 ， c h i n a ) ( t a n g s h a n c o l l e g e ， d e p a rt m e n t o f me c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ， t a n g s h a n 0 6 3 0 0 0 ， c h i n a ) ； 【 摘要】 轧机主传动系统中万向接轴叉头因传递扭矩大、 自 身结构特殊等原因经常发生断裂 ； 破坏， 以c v c 轧机主传动系统的万向接轴叉头为研究对象， 采用p m e 软件用拉伸、 旋转、 镜像等命 l 令完成叉头的三维建模， 以有限元软件a n s y s 作为分析工具， 经过网格划分、 材料属性设定、 加约 l 束加栽荷， 对其进行了 静力分析、 模态分析等， 得出其固有频率和主振型， 并对叉头进行了 优化， 得 ； 到 了 叉 头 的 最 佳 设 计 尺 寸 。 分 析 结 果 有 助 于 了 解 轧 机 传 动 系 统 的 工 作 状 态 ，为 合 理 使 用 轧 机 提 供 了 理 论 依 据 。 关键词： c v c轧机； 接轴插头； 模态分析； 优化设计； 有限元 【 a b s t r a c t 】 the h e a d o f t h e u n iv e r s a l s p i n d l e i n m a i n t r a n s m is s i o n s y s t e m ofm i l l is 咖 r u p t u r e d b e -2 c e of t h e b ig t o r s i o n a n d i ts s p e c i al s t r u c t u r e b y t a k i n g t h e u n i v e r s al s p i n d l e h e ad o f c v c m il l a s n l s t u d y i n g e x a m p l e ， 口 3 d m o d e l f o r t h e h e ad i s b u i l t t h r o u g h c o m m a n d s s u c h a s s t r e tc h in g ， r o t a t i n g , i m a g e l w i th t h e a p p l ic at i o n ofp r 0 厄s ofi w a r e ， w h i c h s t at ic f o r c e an al y s is a n d m o d al ana l y s i s is c a r r i e d o u t t h r o u g h ；m e s h in g ， s e t t i n g m a t e r i al p r o p e r t i e s and add in g c o n s t r a i n t and z o b y fi n it e e le m e n t s o, w are a n s y s t o o b - ；t a in i ts n a t u r e f r e q u e n c y and p r i n c ip le m o d e t h e n th e o p t im iz at io n f o r th e h e ad is c o n d u c t e d t o g e t a n o p t i -i m a l d i m e ns i o n t h e anal y t i c al r e s u l ts m a y b e h e lp f u l i n u n d e r s t and i n g t h e w o r d i n g s t at u s of t h e t r a n s m is s i o n l s y s t e m oft h e m i ll ， w h i c h c o u l d p r o y i d e t h e o r e t i c al b as i s f o r ap p ly in g t h e ra i l p r o p e r l y k e y w o r d s ： c v c m i l l ； u n i v e r s a l - j o i n t s p i n d l e h e a d ； mo d a l a n a l y s is ； o p t i mi z a t i o n d e s i g n ； f i n i t e e l e m e n t 中图分类号 ： t h1 6 ， t g 3 3 3 5 2 文献标识码 ： a 1 引言 钢板冷连轧机主传动系统用于传递轧制所需很大的扭矩 ， 万向接轴是该系统的薄弱环节， 而接轴插头因结构特点又是接轴 中最薄弱点所在， 经常发生断裂事故_l l ， 其动、 静态力学性能直接 关系轧制生产的稳定性和设备安全。研究表明， 无论轧机正常工 作还是出现振动时， 万向接轴承受的扭矩始终处于变化中， 弯矩 来稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 3 1 4 和扭矩可能出现幅度较大的拍振口 。负载的变化加之接轴倾角随 轧机垂直系统振动而波动，使接轴插头的受力状况十分复杂， 无 法用传统的强度分析理论进行计算。 同时由于接轴经常工作于振 动环境下 ， 其动态性能参数不仅影响其自身性能， 而且对主传动 系统 的稳定运行也具有较大影响。 为此， 利用 a n s y s有限元软件， 根据实际工况条件对轧机 5结论 高速动车空心车轴在使用过程中易产生疲劳缺陷， 采用超声波 探伤能有效地检出该类缺陷。 由于空心车轴结构的特殊性， 采用浮动 式组台 向通孔作为探伤检测通道，而且检 测速费陕、 准确度高、 无探伤盲区、 缺陷定位准确。 因而能极大地提高 了空心车轴的探伤质量， 从而有力地保障了铁路高速运输的安全。 参考文献 1 刘镇清 ， 陈广 超声波无损 检测 中的谱分析 技术 j 无损检 测 ， 2 0 0 1 ( 2) 1 2 l c h ri s g a r t s i d e a u t o ma t e d u l t r a s o n i c t e s t i n g