脉冲反射法在CRH3型动车组空心轴探伤中的运用

胡建平　邹　盛

（湖南高速铁路职业技术学院1）　衡阳　421001　广铁集团衡阳车辆段2）　衡阳　421001）

脉冲反射法在CRH3型动车组空心轴探伤中的运用

胡建平1）邹盛2）

（湖南高速铁路职业技术学院1）衡阳421001广铁集团衡阳车辆段2）衡阳421001）

空心轴的探伤直接决定着车轴的质量，对行车安全起着至关重要的作用，设计对CRH3型动车组心轴的探伤方法，通过分析探伤位、波形图像，提出判断裂纹形状的方法。为动车的空心轴探伤提供新的依据。

空心轴探伤波形裂纹

1　前言

高速动车已成为我国铁路运输的主力军，检修保证动车可靠运行的重要措施，而探伤在排除机械隐患方面起着至关重要的作用。空心车轴超声波探伤分为动车基地探伤和动车运用所探伤。动车基地探伤是指在动车组实施三、四、五级修程时，将轮对（空心车轴）卸下，对空心车轴进行超声波探伤检查。动车运用所探伤是指动车组每达到一定的运行里程，在现车上对空心车轴进行的超声波探伤检查。动车运用所探伤间隔的运行里为每10万公里。

2　脉冲反射法探伤方法

图1　脉冲反射法接线图形

图2　脉冲反射法扩展波形

脉冲反射法是利用脉冲超声波入射至被测工件后，声波在工件内的反射状况，就会显示在荧光屏上，根据反射波的时间及形状，来判断工件内部缺陷及材料性质的方法。测试图如图1所示。用示波器观察底波的扩展波形，如图2，在这个波形中，以峰值 P为基准，读取其前一个和后两个共计三个周期的时间T3（μS），把T3作为测量值，则回波频率f可按如下公式计算：f=3/T3式中f——回波频率，T3——时间μS

由于探头的等效阻抗测量条件的限制，故测量在探头“发射”的粗调档进行。测得 f以后，即可算出回波频率误差△f=f－f标称。将探头置于TDZ标准试块的K值测量位置，其位置如图3，耦合良好，移动探头位置使来自Φ50 mm和Φ44两孔的回波A、B高度相等，并约为20～30 %满刻度，如图4中h1。

图3　CRH3 空心轴位置示意图

图4　回波

调节衰减器，使A、B两波峰间的波谷上升到原来的波峰高度，此时衰减器所释放的dB数（等于用衰减器读出的缺口深度h1/h2之值）即为以dB值表示的分辨力。

3　探伤分析

这里以+45°探头探测 CRH3型动车组动轴轮座处横向裂纹为例说明空心车轴从内孔采用脉冲反射法进行超声波探伤的A显示图像特征以及B、C显示图像形成原理和图像特征，以此作为判伤分析时的参考。空心车轴超声波探伤中，探头主声束中心线如图5所示：实际的声束是从探头发出后呈扩散状，具有一定的扩散角。

图5　探头主声束中心线

3.1横向裂纹A显示图像特征

图6　横向裂纹反射波形图

横向裂纹反射波很干净，波峰尖锐、猛烈，如图 6所示。根部前沿比较干净，后沿有时存在微少杂波。

图7　探头运动示意图

裂纹有一定深度时，会形成裂纹反射波，当探头在空心车轴轴孔内壁沿轴向方向往复移动时，由于声程大小的变化，反射波在A显示图像中左右移动，而且波峰逐渐由高变低，再由低变高。如图7所示，位置①表示声束前沿扫查到裂纹，位置②表示主声束扫查到裂纹的位置，位置③表示声束后沿扫查到裂纹，三个位置的A显示如图8所示。

图8　裂纹A图

3.2当探头沿空心车轴轴孔内壁作周向平稳移动时，由于裂纹反射面的深度有变化（如图9所示）， A显示图像中反射波幅度逐渐变化，但由于声程没有变化故反射波无左右移动的现象。

图9　裂纹反射面深度变化图

3.3裂纹B显示图像形成及其特征

B显示图像是在以轴内表面至外表面的深度方向为纵坐标和以轴向长度方向为横坐标的坐标系中，以不同深浅颜色的点来反映不同声波反射幅度。

探头在运行过程中对同一个缺陷可能发现多次，如图10：

图10　探头运行示意图

系统分别计算探头在三个位置处所得回波的深度，如图8所示，即计算图11中的d1、d2、d3。在图11中可以看出：d1 = L1×cos(θ1)d2 = L2×cos(θ2)d3 = L3×cos(θ3)其中L1、L2、L3，根据系统记录的回波返回时间和预先设定的材质声速计算得出，且从图12中可以看出L1>L2>L3。θ1、θ2、θ3为折射角，从图8中可以看出θ1>θ2>θ3，但是系统统一认为是45°，因为系统初始登记的探头折射角为45°。这样，上式中计算出来的结果是d1>d2>d3，在B图中三个回波显示如图11所示：

图11　不同位置回波深度示意图　

从图11可以看出有如下特点：

（1）在B显示图像中位置①为最深位置，位置③为最浅位置。

（2）+45°探头在B显示图像中的裂纹显示为呈斜向左下角的斜线。

（3）中心位置②处的裂纹回波幅度最大，两边的回波幅度逐渐减小，这里只画出了三个典型位置，实际一个裂纹缺陷可能被探头扫描多次，图12为空心轴实际探伤时B显示图像。

F3.3 裂纹C显示图像形成及其特征

图12　空心轴实际探伤时B显示图

C显示图像是在以周向角度为纵坐标和以轴向长度为横坐标的坐标系中，以不同深浅颜色的点来反映不同声波反射幅度。

以2mm深的横向裂纹为例，如图13所示：

图13　横向裂纹示意图　

图14　缺陷反映C显示图　

从图中可以看出，2mm深的横向裂纹在CRH3型动轴轮座上的旋长为39.6mm，圆心角为23°，如果周期脉冲触发角度设置为1°，因此理论上探头在空心车轴中旋转一周可以探测到裂纹23次，实际检测到次数要小于23次，因为裂纹两端头的深度太小可能无法被探测到。

图11中的探头在三个位置缺陷反映在C显示图像中显示为如图14所示：

从图14中可以看出，C显示图像存在一下特征：

（1）从左到右，中间列最反射幅度较强，即反射声波沿轴向方向先由弱变强，然后又逐渐减弱，反映了探头由远处逐渐接近裂纹，又逐渐远离的过程，C显示图像如图15所示。

图15　反射幅度显示图

（2）从上到下，中间排的声波反射幅度较强，即先由弱变强，再由强变弱，反映了弓形裂纹的中间部位由于深度最大（此处为2 mm）故声波反射幅度最强，如图16所示：

图16　声波反射幅度效果图　

4　结语

通过分析，提供了脉冲反射法探伤接线图，设计了探伤计算方法，通过以+45°探头探测CRH3型动车组动轴轮座处横向裂纹为例说明空心车轴从内孔采用脉冲反射法进行超声波探伤的A显示图像特征以及B、C显示图像形成原理和图像特征，证明了探测方法的可行性与实用性。

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Application of Pulse Echo Method in Crack Detection of Hollow Shaft for CRH3 Multiple Units

HU Jian-ping1)ZOU Sheng2)
(Hunan Technical College of Railway High-speed1)HengyangHunan421001China Hengyang Car Depot, Guangzhou Railway (Group) Corporation2)HengyangHunan421001China )

The crack detection of hollow shaft is a guarantee for the quality of shaft and plays an essential role for a safe operation of railway. This paper designs a crack detection method for the hollow shaft of CRH3 multiple units and brings forward a new way for determining cracks patters by analyzing detection zones and wave image, which can be regarded as a new basis for crack detection of hollow shaft for multiple units.

hollow shaftcrack detectionwave patterncrack

文献标识码：A 文章编号：1673-1816(2015)04-0036-

2015-10-14

胡建平，讲师，研究方向铁道车辆教学与研究。