机车车轮与车轴残余应力的超声检测

宋文涛, 王汝海， 刘 军

(1.石家庄铁道大学机械工程学院,河北 石家庄 050043;2.石家庄铁道大学后勤管理服务中心,河北 石家庄 050043)

残余应力的影响贯穿轮对的全寿命周期。在轮对服役期间，残余应力分布是影响轮对服役状态的重要因素。当残余应力具有良好的分布时，车轮的疲劳寿命、尺寸稳定性以及抗腐蚀能力都有所提高[1-3]。残余应力分布不均会导致应力集中，车轴、轮箍处容易发生弯曲变形，甚至在服役期间发生断裂，导致重大事故发生[4,5]。车轮踏面通常需要做滚压强化处理以形成表层残余压应力，然而服役中车轮频繁制动会使得踏面表层压应力向拉应力转变，由此导致疲劳裂纹萌生，产生剥离掉块和多边形磨耗等伤损问题[6]。因此，实现车轮踏面和车轴残余应力的无损检测，对准确评估轮对的强度、韧性和抗疲劳性以及改善其性能具有重要意义。

国内外对残余应力的检测主要分为有损检测与无损检测两种方法[7,8]。有损检测主要有盲孔法，即在被测件上打上盲孔，以应变片为敏感器件来测量。但是应变片只能实现轮对表面残余应力的测量，对于轮对亚表面以下的残余应力层状态无法获得，而且这种方法对轮对造成破坏，检测之后的轮对无法再次投入使用。无损检测法主要包括：X射线衍射法、磁性法、中子衍射法及超声法等[9]。X射线法受测头尺寸的限制，且需要对车轮表面化学清洗露出晶格。磁性法受到外界磁场的干扰较大。中子衍射法穿透能力比X射线强得多，理论上可以用来测量轮对踏面深层残余应力值，然而设备操作复杂且昂贵，在实际应用中存在许多困难。

超声波法无损检测残余应力，精度高，穿透能力较强，从实现现场测试的可行性而言，设备体积小，重量轻，超声波法测量轮对残余应力无疑是最优的。本文依据声弹性理论，选用有机玻璃作为超声波入射前介质，建立超声应力检测试验系统，利用该试验系统对车轮踏面周向、车轴轴向的残余应力进行检测，从而实现超声波法对轮对残余应力分布的快速、准确检测。

1 残余应力超声检测原理

临界折射纵波(Lcr波)是纵波以第一临界角从声速较慢介质入射到较快介质时产生的特殊模式纵波，该纵波沿被测件的次表面传播，可以测量表层下方一定深度的残余应力值[10,11]。Lcr波近些年主要应用于应力测量，因其在应力测量方面表现出的优越性，已经在国内外受到了广泛重视。

超声波法应力测试的基本原理为超声波(通过定制的楔块)斜入射到界面时，采用一发一收模式，利用第一临界角加工出有机玻璃透声楔块，激励出的超声Lcr波可检测工件表面以下宽为W、长为L的三维区域应力值，如图1所示。

图1 Lcr波的激励与被测残余应力区域

经研究发现，纵波沿应力方向传播速度与应力之间的关系[12]：

ρ0v2=λ+2μ+

(1)

式中：v为有应力情况下Lcr波的传播速度；ρ0为被测材料的密度；λ和μ为材料的二阶弹性常数；l和m为三阶弹性常数；σ为应力值，正值表示拉应力，负值表示压应力。

对式(1)两边分别求导得出声速变化量与应力变化量之间的关系，通过转化可得，在固定传播距离内，应力与声时的关系为[12]：

(2)

式中：K为应力系数；t0为零应力条件下Lcr波传播固定距离所需要的时间。

由式(2)可知，通过精确测量Lcr波传播的声时参数，就可以计算得到对应的应力值。

利用临界折射纵波检测车轮应力，只有超声波从声速较低的介质传入声速较高的介质中才能产生临界折射纵波，纵波在钢材中的速度为5 929 m/s，需要选用声速慢的材料作为入射前的介质，因超声波在空气中传播的干扰和损耗较大，不能直接从空气中射入，选择声速较小的有机玻璃作为入射前的介质，有机玻璃声速为2 730 m/s。根据Snell定理[13]：

v1sinθ2=v2sinθ1

(3)

式中：v1为有机玻璃声速；v2为钢材声速；θ1为超声波入射角；θ2为超声波折射角，此时为产生Lcr波，取θ2=90°。计算可得：θ1≈27°，即以有机玻璃作为入射前的介质时超声波入射角为27°。

此外超声波收发换能器间距数值L需要合理选取，间距太小会增加声时精确测量的难度，降低检测分辨率，间距太大又会降低接收到的Lcr波信噪比，使测量结果不稳定。本文综合考虑车轮踏面、车轴的尺寸与曲率半径，选择35 mm作为间距，该数值反映了应力测试平均值的范围。

2 超声应力检测系统与原理

超声应力检测系统由软件系统和硬件系统组成，硬件系统包括工控机、超声收发卡、超声换能器、有机玻璃楔块；软件系统是基于C++编译的数据采集与分析系统，包括波形采集与显示、参数设置、K值标定、应力值显示与云图生成等功能。

整个系统集成到工业控制机中，超声收发卡发出特定电压信号到发射换能器，使其发射2.5 MHz超声波，通过特定角度的有机玻璃楔块，超声波以Lcr波形式传播到接收端换能器。接收换能器将超声信号转换为电压信号由工控机采集，进而交由软件系统进行信号处理，即对残余应力检测波形与零应力波形进行互相关分析，计算两波形的声时差。在相同的检测距离内，声时差即反映超声波的传播速度，而不同应力钢材下的超声波传播速度不同，不同的传播速度即代表不同的应力。

3 材料应力系数标定

试验获取车轮车轴材质的应力系数K值，它反映了该材质所受应力与声速的对应关系。

3.1 试验设备和参数说明

电子拉伸机能够拉伸的最大吨位为16 t，拉伸试件的材质分别取自机车车轮、车轴，试件尺寸与加工要求满足《无损检测 残余应力超声临界折射纵波检测方法》(GB/T 32073-2015)。

3.2 试验过程

将试件放到电子拉伸机上进行拉伸试验，如图2所示。拉伸时以1 t为梯度，最大加载到9 t，每整吨拉伸时用超声应力检测系统的K值标定模块进行声时差测量。

图2 应力系数标定试验

3.3 试验数据及处理

每种试件重复加载5次，分别得到5组车轮与车轴材质应力系数标定数据，如表1所示。以拉伸力与试样横截面积的比值为施加应力，线性拟合声时差与施加应力数据，得到方程的斜率倒数即为应力系数K值，数据拟合结果如图3所示。

图3 车轮与车轴材质应力系数标定试验数据

表1 车轮与车轴材质应力系数标定重复加载试验数据

由试验数据可得，车轮应力系数为10.95，车轴的应力系数为10.26。从图3可看出，车轮材质试件的拟合直线较之车轴材质偏离零点较多，这可能与试件残余应力消除不彻底有关，但不影响应力系数K值的标定。

4 轮对残余应力超声检测

4.1 车轴轴向残余应力检测

对和谐D3型电力机车车轴进行残余应力检测试验，选取车轴与车轮配合的区域，用砂纸打磨干净。将检测区域分为两个圆周面，每个圆周面上等间距选取10个点为一组，探头沿轴向放置。对零应力基准点进行标定后进行各点残余应力检测，其中两圆周面的第5点位置都有损伤划痕，如图4所示，记录位置及检测结果。

图4 车轴残余应力检测试验

车轴轴向残余应力的检测数据如表2所示，表中将第1圆周面的残余应力表示为残余应力1，第2圆周面的残余应力表示为残余应力2。用Matlab软件进行绘图分析，应力分布云图表征如图5所示。

表2 车轴轴向残余应力检测数据 MPa

图5 车轴轴向残余应力分布

通过分析检测结果可得：①车轴轴向的残余应力基本为压应力，且均匀分布，压应力值在160 MPa以内，这主要是因为车轴加工采取了滚压方式预置压应力，实现表面强化，提高表面抗疲劳强度和尺寸稳定性。②车轴有划痕位置的残余应力为拉应力，这是因为超声法测试的是表层残余应力，其深度约为一个波长，当划痕较大时候，一方面会引起表面压应力释放，另一方面会影响超声波在车轴内的传播路径。

4.2 车轮踏面周向残余应力检测

选一踏面未经涂油刷漆的车轮，先用砂纸对踏面进行打磨以去除锈蚀，露出光洁面。同样在踏面圆周上选取两个圆周面，每个圆周面上等间距选取25个点为一组，探头沿周向放置，如图6所示。

图6 轮对踏面周向残余应力检测

车轮踏面残余应力的检测数据如表3所示，针对各个检测位置的应力值，采用计算机线性插值得到踏面应力分布云图表征如图7所示。

表3 车轮踏面周向残余应力检测数据 MPa

图7 车轮踏面周向残余应力分布

通过分析检测结果可得：①车轮踏面周向的残余应力为压应力，压应力值在50～320 MPa之间，最大压应力为317.55 MPa，最小压应力为54.75 MPa，该检测结果与文献[14]中研究的轮轨循环滚动接触下，钢轨纵向残余应力分布较为吻合。②从残余应力云图可看出，车轮踏面残余应力分布显示出一定的间隔性，应力大的区域和应力较小的区域交替出现。

5 结束语

(1)依据声弹性原理，采用临界折射纵波对机车轮对关键部位进行残余应力检测。考虑检测分辨率与信噪比，设计的超声换能器收发角度为27°，间距为35 mm。

(2)编制K值标定模块对车轮、车轴材质试样进行应力系数获取试验，分别得到车轮应力系数为10.95，车轴的应力系数为10.26。从试验数据可得，声时差检测精度在0.5 ns，则残余应力的理论检测误差约±5 MPa。

(3)从检测到的车轮踏面周向、车轴轴向残余应力数据可得，超声法检测值符合轮对制造与运行过程中残余应力变化的一般规律。通过应力云图可更直观反映应力集中和分布不规则的区域，从而为评估轮对的可靠性提供一定依据，且超声波法简单易行，方便推广使用。