相控阵超声技术在机车车轮在线探伤中的应用

摘 要：简要介绍了机车轮对车轮轮辋的缺陷成因以及失效情况，对相控阵技术原理、检测系统的主要功能和校准方法进行了阐述，探讨了相控阵检测技术在车轮探伤的应用。

关键词：机车；车轮；相控阵超声技术；在线探伤

1 概述

随着我国铁路客运向高速、货运向重载方向发展，机车技术装备也随之迅速发展，近年来铁路新造干线机车车轮全部使用了整体辗钢车轮。车轮是机车走行部的关键承载部件，车轮安全成为当前铁路安全运输的重中之重，整体车轮从制造时和组装上车运行中都采用无损探伤，以及日常运用中采取目视方法进行检查，确保车轮状态良好，无超限裂纹，车轮钢钢坯在冶炼、浇铸、冲压、轧制、成型、热处理各个过程中不可避免产生的残留缺陷，再加上在运用过程中与钢轨的摩擦冲击、频繁的制动、表面金相组织的脆化等众多因素共同作用下，在运用过程中车轮踏面会出现微小裂纹、擦伤、剥离甚至辋裂。

2 车轮踏面缺陷形成的原因

车轮在制造过程中因工艺的原因不可避免地在浇注中形成气孔、夹渣等原始缺陷，将是车轮形成裂损的根本原因，同时车轮在运用过程中由于频繁的振动，在车轮踏面上产生裂纹、剥离、掉块以及轮辋内部裂纹，这些车轮缺陷是由于轮轨接触应力引发该类运用故障的外因，而车轮在制造过程中遗留的非金属夹杂物等冶金缺陷是诱发车轮裂纹的根源，即冶金缺陷是疲劳裂纹产生和发展根本原因。当缺陷所在位置承受的应力超过限度值后便发生裂纹扩展，尤其是处在车轮亚表面处，即冶金缺陷处于车轮踏面下15mm左右，在车轮运用过程中发展非常快。所以在车轮制造和运用过程中对这个范围内缺陷控制非常严格，新造过程中车轮缺陷控制在Φ2mm，高速铁路车轮控制在Φ1mm。

3 车轮超声波探伤

车轮超声波探伤目前有手动探伤和自动探伤两种方式。目前仍沿用传统的手工探伤，采用便携式超声波探伤仪仪器，主要对车轮轮辋进行超声探伤检查，一般采用横波广角组合探头检测径向缺陷，以及双晶分割纵波探头检测周向缺陷；大角度横波探伤中，探头置于车轮踏面上，沿圆周方向前后均匀移动探头，以锯齿形路线扫查，移动速度不大于150mm/s，在前进与后退转换时作15°左右摆动角度，手持探头压力与校对灵敏度时一样，探头覆盖面积要大于10%以上，在一个方向探伤完毕后再在相反的另一个反方向进行，确保正反两个方向双向扫查。手工探伤就是采用探头在机车车轮踏面上进行探伤，探伤方法是将探头放在漏出的踏面上进行扫查，为了防止漏检漏探，对探伤人员的技能提出了相当高的要求，但是，不同探伤人员对于同一缺陷的检出率和重复性很难控制，而且检测效率又难于提高。探伤完毕后将机车逐渐移动、分段探伤。基于上述种种原因，国内正在研究机车车轮在线自动探伤，在少量机务段安装应用，自动探伤是在机车入段整备场入库线路上建立检测棚，配置了轮对动态检测系统，将数量多达500个探头安置在固定的检测线上，机车通过检测线时车轮在转动过程中逐个压上探伤进行探伤，该系统利用在轨道两侧分别阵列布置的双排超声波探头，实现轮辋周向和径向缺陷、轮缘顶点至根部径向缺陷的初步筛查。该方式属通过式探伤（即机车动，探伤模块固定，每个探头只能接触踏面特定区域），由于车轮通过检测线需要足够的钢轨接触面，所以布置的探头检测线和车轮接触面有限，没有接触的部位也会形成探伤盲区，同时探头之间的间距也会形成探伤盲区。

4 相控阵技术

4.1 相控阵超声技术基本原理

常规超声技术采用一个压电晶片产生超声波，其传播是按照探头晶片尺寸特定的半扩散角传播，即在一个确定的角度只产生一个方向的固定声束。相控阵超声技术采用多个压电相同的晶片组成的阵列换能器，由复合材料制成，采用机械方式加工切割成若干小晶片，其长度远比宽度大，然后采用微机控制技术单独触发这些小晶片，实现控制声束方向的相控发射与接收，而超声相控阵则使用多个小的压电晶片元件，这些小的压电晶片辐射的超声波波束在干涉的作用下形成一个整体超声波阵面。相控阵超声波技术是利用先进的电子控制技术、计算机技术控制相控阵探头单个阵元发射与接收的延时，从而实现超声声束的聚焦和偏转形成垂直聚焦扫查或扇形扫查，从而在空间形成稳定的超声场。利用微机技术控制各个小阵元的激励时间，使它们按照一定的延时触发形成的称为聚焦法，利用计算机技术控制激励时间以及在这个聚焦范围内移动，相对于其他聚焦范围形成一个聚焦区域，对聚焦焦点、焦柱及声束发射角度进行控制，形成了一个不同方向的扇形扫面，增加了扫查区域，扩大探伤范围，可使一个缺陷在探头在固定位置得到不同角度的扫查，确保缺陷不漏检。

4.2 机车车轮相控阵超声技术探伤系统

相控阵超声波探伤技术，能够对需要检查特定的检测区域的从不同方向快速扫查，在一个接触探头位置，利用一次扫查便可以从不同角度检查更大的检测区域，相控阵模式中的扇形扫描功能大大提高了检测能力，提高了检测效率，效率成倍提高。相控阵超声探伤在机车车轮上的应用，为在车轮踏面上对轮辋进行自动探伤提供了条件，采用探头检查架检测车轮踏面，超声波探头架放置在车轮踏面上对整个轮辋进行扫查，能够实现自动检测，或将探伤架布置在钢轨边缘，装置利用相控阵超声技术和常规探伤技术互补，实现不同角度对车轮轮辋下面进行自动检测在线轮对的轮辋轮辐及轮缘缺陷，超声覆盖范围广，远远大于手工探伤仅检测轮辋区域缺陷，相控阵超声技术可具有自动化、信息化特点，检测结果存储、查询、统计、对比及数据联网管理功能。

4.3 系统应用

机车车轮自动探伤系统采用固定式轮对探伤系统，通过车轮检测单元对车轮进行探伤。每个车轮检测单元的探头夹具中安装有12只不同类型的探头，根据运装机验（1998）64号文件和335号文件的规定，布置了大角度横波斜探头、双晶探头外，增加了1个相控阵探头，增加相控阵探头目的为了使车轮从不同角度扫查，假如车轮中存在缺陷，采用相控阵探头从不同角度扫查缺陷，确保超声波仪器能够得到缺陷反射能量，使缺陷不漏检，在机车通过检测显得过程中完成车轮轮辋、轮缘及轮辐部位的全面探伤，并以A 扫描、B扫描、车轮、探头等图像关联显示和缺陷分析。

5 主要技术性能

5.1 系统主要技术参数

最大可检测轮对重量：25 吨轴重

检测时间：≤4分钟/1台八轴机车

探测频率：2.5MHz

检测探头：双晶直探头、大角度斜探头、小角度探头、相控阵探头

检测车速：匀速3～10km/h

5.2 相控阵技术主要性能

脉冲种类：双极性方波

初始转换：≤7.5ns（10-90%上升沿/90-10%下降沿）

脉冲幅度：在阻抗 50Ω的情况下，激发电压平稳可调（12级） 50V…300V

脉冲宽度：50…600 ns独立可调，10ns步进

激发孔径：1…64

三维成像 由俯视图，主视图，侧视图组成

6 应用

6.1 机车车轮检测实例

2016 年8月16 日，相控阵探伤系统在检测某机车轮对车轮时，检测到轮辋区域存在缺陷。踏面下有缺陷形成较强异常回波，其波幅达到100%，声程显示距踏面下约9mm，采用手工探伤，探头采用双晶探伤，发现试块上缺陷超过￠3mm×30mm的人工横孔。

6.2 DF型某机车车轮裂损故障案例

2014 年3 月26 日，某机务段发现DF11某机车I 端2 轴左轮有1 处缺陷报警，确认被检测到的缺陷为：深度6.5mm，长77mm 的内部周向缺陷。

6.3 HXD3C型某机车车轮裂损故障案例

2015 年10 月30 日，某机务段轮对故障动态检测系统深层次探伤报HXD3C 型某机车D5轮非齿侧轮辋异常。人工探伤复查，发现轮辋内部存在多处点状缺陷，最大缺陷长度270mm，宽度75mm，缺陷距踏面最大深度为36.3mm，最小深度为12.5mm。缺陷处踏面状态良好，无剥离、凹坑。对该轮进行更换。

7 结论

机车车轮故障引发的机车故障比较明显，安全隐患也越来越大，对车轮内部缺陷和疲劳裂纹的控制，消除车轮故障引起的机车故障极为重要，采用相控阵超声探伤技术，可对车轮缺陷进行不同角度进行扫描，获得缺陷最高反射量，避免由于手工探伤只采用一个角度探头带来的漏探隐患，同时能够实现自动化探伤，提高工作效率。具备信息化管理特点，可以实现车轮探伤管理系统，实现网络化诊断，并将检测数据传输到车轮健康管理系统，提供大数据远程分析诊断平台，具有机务检修设备信息化发展的必然趋势。

参 考 文 献

[1] 刘宪.机车整体辗钢车轮超声波探伤[J].铁道技术监督，2011（3）：21-24.

[2] 刘宪.机车车轮在线探伤自动检测装置[J].机车电传 动，2013（5）：84-87.