機(jī)車車輪踏面裂縫的分析

1輪再探傷的基本方法在整個(gè)購車過程中，有許多有害缺陷。隨著車輪行駛里程的增加和行駛速度的提高，這種缺陷已成為疲勞的來源，并迅速發(fā)展，對(duì)交通安全構(gòu)成了重大威脅。為提高整體車輪的運(yùn)行可靠性,防止崩裂,鐵道部頒發(fā)了一系列探傷技術(shù)文件、標(biāo)準(zhǔn),開發(fā)了先進(jìn)的探傷設(shè)備對(duì)整體車輪實(shí)施動(dòng)態(tài)質(zhì)量監(jiān)控,特別是運(yùn)裝機(jī)檢(2000)335號(hào)文“關(guān)于發(fā)布《輪箍不動(dòng)車超聲波探傷技術(shù)條件(試行)》的通知”提出了輪箍車輪超聲波探傷(以下簡稱超探)的新方法。為更好地貫徹執(zhí)行335號(hào)文,在有關(guān)專家的指導(dǎo)下,路局組織有關(guān)探傷專業(yè)人員對(duì)車輪超探工藝開展攻關(guān),攻關(guān)人員分析了車輪的裂損故障情況,認(rèn)為發(fā)現(xiàn)踏面向內(nèi)發(fā)展的較小裂紋及防止大面積剝離掉塊是車輪超探的主要目標(biāo),并把整體車輪輪輞踏面及踏面以下30mm內(nèi)作為超探重點(diǎn)檢測(cè)區(qū)域。在役機(jī)車整體車輪中存在的缺陷主要有冶金缺陷和疲勞缺陷兩大類。冶金缺陷是車輪在冶金、生產(chǎn)加工過程中產(chǎn)生的缺陷,其方向性不太明顯,一般沿碾壓方向延伸;疲勞缺陷是在使用過程中發(fā)生的缺陷輪對(duì)在高速運(yùn)行過程中承受各種周期性載荷的作用,踏面產(chǎn)生熱裂紋、剝離、掉塊等故障愈來愈多,多數(shù)產(chǎn)生在輪對(duì)踏面至踏面下30mm這一范圍,其發(fā)展規(guī)律一般先沿著圓周方向發(fā)展,然后再折向徑向(也有直接沿徑向發(fā)展的),缺陷發(fā)展速率將大大加快。因此,及時(shí)檢測(cè)出這些缺陷,提高輪對(duì)質(zhì)量顯得尤為重要。冶金缺陷(新制輪箍、車輪)的探傷方法在部(1998)64號(hào)文關(guān)于進(jìn)口輪箍(車輪)超聲波探傷及TB/T2995-2000中已有明確規(guī)定,本文主要談?wù)剻C(jī)車整體車輪疲勞缺陷的探傷方法,即在役機(jī)車整體車輪超探。由于整體車輪不像有輪箍的輪對(duì)那樣在輪箍與輪輞之間存在配合面(內(nèi)徑面),而是一個(gè)整體,在整體車輪內(nèi)部不存在內(nèi)徑的反射,故不能使用以往的探傷方法(用K1的探頭進(jìn)行探傷)。2重要因素的研究和實(shí)驗(yàn)2.1缺陷產(chǎn)生的表面活性劑整體車輪的疲勞缺陷主要有兩類:一是踏面至踏面以下30mm范圍內(nèi)的缺陷發(fā)展成疲勞裂紋并導(dǎo)致掉塊;二是踏面表面產(chǎn)生熱裂紋及擦傷并向內(nèi)發(fā)展成剝離。據(jù)此我們制造了實(shí)物試塊,分別在缺陷易產(chǎn)生部位制造人工缺陷。該3個(gè)實(shí)物試塊是:(1)在厚60mm的輪箍外側(cè)踏面下30mm處鉆φ3×30mm和φ2×30mm的兩橫通孔;(2)在輪箍面上線切割3個(gè)矩形槽,以滾動(dòng)圓直徑測(cè)量點(diǎn)為中心,其尺寸(長×深×寬,mm)分別為30×3×0.45、30×2×0.45和30×1×0.45。(3)從踏面沿徑向鉆一φ2.5×5mm的孔。2.2工藝的驗(yàn)證和試驗(yàn)驗(yàn)證在一定探測(cè)條件下,探頭的選擇是否科學(xué)在探傷工藝中尤為重要。因此,我們把重點(diǎn)放在探頭的選用和試驗(yàn)上。整體車輪超探因沒有內(nèi)徑面的反射,所以是借助于車輪的外徑面產(chǎn)生反射而進(jìn)行探傷。該方法用大角度橫波探傷,聲波在車輪中傳播時(shí),會(huì)因圓周面的制約而產(chǎn)生多次反射,并呈折線向前傳播。設(shè)計(jì)探頭或選擇探傷條件時(shí),可以使折射聲波在車輪內(nèi)剛好構(gòu)成一個(gè)多邊形,這樣有利于問題的分析和討論。一般多邊形的邊數(shù)取7、8、9為宜,此時(shí)對(duì)應(yīng)的探頭折射角分別為64.3°、67.5°和70°。根據(jù)以上分析和運(yùn)裝機(jī)檢335號(hào)文的要求,我們?cè)?2°～74°之間研制橫波探頭。通過與廠家合作分別研制了三晶片、雙晶片和單晶片3種探頭。三晶片組合式探頭的角度分別為65°、69°、74°,晶片大小為10×20mm;二晶片的角度分別為70°、74°,晶片大小為10×20mm;單晶片的角度為70°,晶片尺寸為20×20mm。可以定性分析為三晶片的探頭掃查范圍較大,但功率差,同一臺(tái)探傷儀要帶動(dòng)3片晶片,每片晶片上所得能量要小;而單晶片則相反,其掃查范圍要小,功率較大;雙晶片組合探頭則介于兩者之間。另外,有的近踏面缺陷在各種應(yīng)力的作用下先沿圓周方向發(fā)展,然后折向徑向。一旦折向徑向,則缺陷發(fā)展迅速。缺陷沿圓周方向發(fā)展速率緩慢,該缺陷的方向與橫波的聲波夾角小,很不利于探傷,甚至無法發(fā)現(xiàn)缺陷。為此,我們研制了LGSK-ZTL試塊及輪輞內(nèi)圓弧專用探頭,將探頭置于車輪內(nèi)圓弧面上向踏面進(jìn)行掃查,其聲波幾乎與圓周方向的缺陷垂直。2.3探傷處理功能試驗(yàn)證明,大角度的探傷方法根本不能用傳統(tǒng)的模擬超探儀,必須用數(shù)字超探儀。數(shù)字超探儀的表面衰減器總量≥100dB,靈敏度余量≥60dB,且應(yīng)有儀器自檢功能、探傷圖形存貯和回放功能探傷工藝參數(shù)貯存功能探傷數(shù)據(jù)處理和探傷報(bào)告打印功能、峰值搜索功能、距離補(bǔ)償功能等。據(jù)此,我們選擇了CST-2300數(shù)字探傷儀。該儀器除了符合JB/T10061-1999“A型脈沖反射式超聲探傷儀通用條件”和具有上述必備功能外,還具有可選擇不同探傷標(biāo)準(zhǔn)的功能。3探傷活性的測(cè)定(1)首先,以CTS-22型模擬式超探儀分別用單晶片和三晶片探頭在實(shí)物試塊上掃查3×30的模擬的橫通孔進(jìn)行探傷試驗(yàn),結(jié)果單片探頭只能在聲程為850mm處探出缺陷,而三晶片組合探頭僅能在聲程為510mm處探出缺陷,再遠(yuǎn)的聲程則探不出缺陷。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,模擬探傷儀不能用來進(jìn)行大角度遠(yuǎn)程橫波探傷。(2)在CST-2300數(shù)字探傷儀上分別用三晶片、雙晶片和單晶片對(duì)φ3×30和φ2.2×30橫道孔進(jìn)行探傷試驗(yàn)。由其結(jié)果就可以看出聲程與折射角有關(guān),在一定的范圍內(nèi)傷波有明顯的起伏,在一個(gè)跨距內(nèi)有高有低。(3)在CST-2300數(shù)字探傷儀上分別用三晶片、雙晶片和單晶片探頭對(duì)線切割人工缺陷30×3×0.45、30×2×0.45、30×1×0.45進(jìn)行探傷試驗(yàn)。由其結(jié)果可以看出,雙晶片用4次聲程即1346mm處探測(cè)2×30×0.45切口槽仍有足夠高的探傷靈敏度。說明用2×30×0.45的缺陷槽調(diào)節(jié)靈敏度可以發(fā)現(xiàn)整體車輪表面的小缺陷。(4)用輪輞內(nèi)圓弧專用探頭在輞內(nèi)圓弧處掃查踏面周向人工缺陷,其缺陷傷波明顯。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出:(1)三晶片探頭能探到缺陷的聲程遠(yuǎn)比雙晶片探頭和單晶片探頭小,且耦合效果差。(2)對(duì)踏面線切割2×30切口缺陷進(jìn)行探傷試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),各種探頭均不能在二