摘  要： 針對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)軸的缺陷存在區(qū)域及其分布特點(diǎn),，分析利用超聲相控陣技術(shù)進(jìn)行機(jī)車(chē)車(chē)軸探傷的方法,，提出一種新的機(jī)車(chē)車(chē)軸的相控陣超聲檢測(cè)方案，僅采用一個(gè)相控陣探頭即可完成整個(gè)車(chē)軸的缺陷探測(cè),，且定位準(zhǔn)確,。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可一次性完成對(duì)樣板軸的全掃查,，得出各缺陷所在位置及深度等定位信息,，根據(jù)車(chē)軸缺陷檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果可快速在車(chē)軸上找到缺陷，檢測(cè)效率和檢測(cè)精度較高,，滿(mǎn)足車(chē)軸檢測(cè)工藝要求,。
關(guān)鍵詞： 機(jī)車(chē)車(chē)軸；相控陣,；超聲,；探傷；疲勞裂紋

　近年來(lái),，隨著我國(guó)鐵路在高速和重載的發(fā)展,，鐵路運(yùn)行周期不斷增長(zhǎng)，運(yùn)輸日趨繁忙,，機(jī)車(chē)走行部分承受的各種復(fù)雜應(yīng)力也相應(yīng)增大,。列車(chē)車(chē)軸作為組成列車(chē)車(chē)輛系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，對(duì)列車(chē)車(chē)軸質(zhì)量具有高層次的質(zhì)量要求,。車(chē)軸的受力復(fù)雜,、工作條件惡劣，很容易發(fā)生疲勞裂紋并且裂紋位置隱蔽,，如果車(chē)軸出現(xiàn)疲勞損傷并且擴(kuò)展,，就會(huì)因斷軸而造成列車(chē)脫軌，帶來(lái)災(zāi)難性的后果,，其安全運(yùn)轉(zhuǎn)直接關(guān)系著鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩a(chǎn),。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)軸的疲勞缺陷，防止列車(chē)車(chē)軸斷裂事故的發(fā)生,，保證列車(chē)的運(yùn)行安全,，必須進(jìn)行無(wú)損探傷檢測(cè)[1]。由于超聲波探傷方法能夠?qū)饘?、非金屬,、陶瓷及?fù)合材料等進(jìn)行快速準(zhǔn)確的表面及內(nèi)部探傷，因此,，超聲探傷法特別適合于檢測(cè)機(jī)車(chē)車(chē)軸,。
1 機(jī)車(chē)車(chē)軸的結(jié)構(gòu)
　機(jī)車(chē)車(chē)軸的基本結(jié)構(gòu)，包括軸頸,、軸肩,、軸身、齒輪座和車(chē)輪座等,，有的還有制動(dòng)盤(pán)座,。機(jī)車(chē)車(chē)軸的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

　列車(chē)車(chē)軸作為一種常見(jiàn)的鍛件,，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)材料受熱變形而變細(xì),，而且變形量的大小和方向會(huì)明顯影響到缺陷的形態(tài),、取向以及分布情況，所以車(chē)軸缺陷多是面積型或者長(zhǎng)條形的缺陷[2],。機(jī)車(chē)車(chē)軸缺陷主要有兩大類(lèi)：車(chē)軸內(nèi)部缺陷和疲勞裂紋,。在役車(chē)軸的缺陷主要是疲勞缺陷，因此,，對(duì)在役車(chē)軸檢測(cè)的重點(diǎn)是對(duì)疲勞裂紋的檢測(cè),。
　機(jī)車(chē)車(chē)軸內(nèi)部缺陷、表面橫向大裂紋也是造成車(chē)軸“冷切”的主要原因之一,。表面橫向大裂紋主要是由于車(chē)軸加工不當(dāng),、滑動(dòng)部位發(fā)熱滲入其他金屬、內(nèi)部缺陷應(yīng)力集中,、材質(zhì)變化導(dǎo)致機(jī)械性能惡化,、應(yīng)力集中、應(yīng)變頻繁等原因引起,。
2 相控陣超聲探傷技術(shù)
　相控陣技術(shù)是利用超聲陣列換能器,，通過(guò)控制各陣元發(fā)射的聲波的相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波聲場(chǎng)的控制,。相控陣超聲檢測(cè)探頭的特點(diǎn)在于,，本質(zhì)來(lái)說(shuō)相控陣探頭就是一個(gè)較長(zhǎng)的常規(guī)超聲探頭，然后將其切割成許多小的晶片,，并可獨(dú)立激發(fā),，就像是將許多小的常規(guī)超聲探頭集成進(jìn)入一個(gè)探頭中。相控陣探頭的每一個(gè)晶片都有自己的接頭,、延時(shí)電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換器,，每個(gè)晶片在聲學(xué)上都是獨(dú)立的。通過(guò)預(yù)先計(jì)算好的延時(shí)對(duì)每個(gè)晶片進(jìn)行激發(fā),，實(shí)現(xiàn)聲束的相控發(fā)射與接收,。在20世紀(jì)70年代，醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備首先采用了相控陣技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚焦,。在以后的10年中,，這一技術(shù)迅速發(fā)展，并應(yīng)用于材料無(wú)損評(píng)價(jià)（NDE）領(lǐng)域,。
　超聲相控陣技術(shù)可在不移動(dòng)探頭的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)波束的控制,，根據(jù)所需發(fā)射的聲束特征，由計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算各通道的相位關(guān)系并控制發(fā)射/接收移相換能器,，控制各單元發(fā)射與接收脈沖的相位（時(shí)間延遲）,，達(dá)到聚焦和聲束偏轉(zhuǎn)的效果，從而形成所需的聲束，如圖2所示[3],。

　對(duì)于傳統(tǒng)超聲,，必須更換不同的探頭或楔塊才能改變聲束角度；而對(duì)于相控陣系統(tǒng),，聲束的角度可以用電子控制改變,。同一相控陣超聲探頭，可以控制產(chǎn)生不同的輸出波形和能量聚焦,，適用于不同的檢測(cè)需要。這是超聲相控陣技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)單晶片超聲波探傷技術(shù)的兩大特點(diǎn),。這些特性和一些特殊的掃描顯示方式（如A掃描顯示,、C掃描顯示和S掃描顯示等）結(jié)合起來(lái)，能夠提供強(qiáng)大的圖形和數(shù)據(jù)保存結(jié)果,，這對(duì)于判傷的記錄和缺陷的評(píng)估是很有價(jià)值的,。
　采用超聲相控陣探傷技術(shù)，只要在材料表面有適當(dāng)?shù)鸟詈厦婕纯煞奖愕貙?shí)現(xiàn)工件各部位的探傷,，降低了探測(cè)難度,，簡(jiǎn)化了探傷操作，提升了探測(cè)對(duì)象的適應(yīng)性,，特別適合在線(xiàn)探傷,。由于其采用動(dòng)態(tài)聚焦技術(shù)，使近場(chǎng)聲束和遠(yuǎn)場(chǎng)聲束都有良好的聚焦特性,，探傷信噪比和探傷靈敏度高,；采用聲束偏轉(zhuǎn)，使多個(gè)缺陷可以同時(shí)檢測(cè),，并以圖像的形式直觀顯示,，檢測(cè)分辨力高。由于相控陣超聲具有檢測(cè)效率高,、聲束可達(dá)性好等特點(diǎn),，特別適合于幾何形狀復(fù)雜的鐵路關(guān)鍵受力部件的無(wú)損探傷，如車(chē)輪,、車(chē)軸,、連桿、鋼軌等關(guān)鍵部件的疲勞裂紋探傷,，以及轉(zhuǎn)向架的焊縫探傷,。下面探討將超聲相控陣技術(shù)應(yīng)用于實(shí)心車(chē)軸各部位的探傷。
3 車(chē)軸超聲相控陣探傷
3.1 車(chē)軸探傷原理
　車(chē)軸的超聲探傷主要基于脈沖反射法探測(cè)原理,，超聲波束在傳播路徑上遇到缺陷時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射,，通過(guò)對(duì)反射超聲波或透射超聲波進(jìn)行檢測(cè)，可檢測(cè)工件的缺陷。由于車(chē)軸內(nèi)部無(wú)空洞,，用常規(guī)超聲探傷很難做到全面檢查,，而利用相控陣超聲探頭的收發(fā)一體和收發(fā)分離工作模式，就可實(shí)現(xiàn)大角度范圍的掃查,，即可實(shí)現(xiàn)車(chē)軸缺陷的探傷,，同時(shí)檢測(cè)效率也得到適當(dāng)?shù)奶岣摺?br /> 3.2 車(chē)軸相控陣超聲探傷方法
　現(xiàn)有的超聲波探傷法是將探頭接觸在車(chē)軸的端面或表面上，或是沒(méi)有拆卸的重要部件上,，向車(chē)軸中入射超聲波,，觀察并分析各反射波。分為垂直探傷,、小角度探傷和斜角探傷三種方法,。
　（1）垂直探傷,。垂直探傷是由車(chē)軸端面垂直射入超聲波,，檢測(cè)車(chē)軸在全長(zhǎng)方向是否有損傷及一些材質(zhì)性缺陷。垂直探傷的探傷范圍最廣,，可以?huà)卟榈秸麄€(gè)車(chē)軸縱向,。
　（2）小角度探傷,。在不退輪的情況下,，針對(duì)車(chē)軸可能損傷的某些部位，用小角度探頭的縱波在車(chē)軸端面進(jìn)行探傷,。超聲波進(jìn)入車(chē)軸后,，除了發(fā)生折射外，還會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換,，出現(xiàn)縱波和橫波,，小角度探傷利用其中的縱波進(jìn)行探傷，由于橫波聲速比縱波慢,，因此不會(huì)干擾對(duì)缺陷的判斷,。小角度探傷比垂直探傷精度高，但聲束不能覆蓋車(chē)軸全體,。因此,，小角度探傷檢測(cè)車(chē)軸需要多個(gè)探頭。
?。?）斜角探傷,。斜角探傷一般使用較大角度從有車(chē)軸表面斜方向射入的橫波超聲波。斜角探傷可檢查到齒輪座,、制動(dòng)盤(pán)等部位的損傷,。斜角探傷比小角度探傷更能檢測(cè)出細(xì)小的缺陷，但是探傷前需保持車(chē)軸表面平整潔凈。
　上述三種方法掃查的范圍和檢測(cè)精度各有利弊,，在設(shè)計(jì)車(chē)軸探傷系統(tǒng)中,，需按照特定的需求選用合理的探傷方法，也可以綜合各方法優(yōu)點(diǎn),，組合探傷,，提高探傷的精度。
3.3 車(chē)軸探傷區(qū)域分析
　車(chē)軸不僅承受著來(lái)自列車(chē)的全部靜載荷,，還會(huì)受到列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的各種復(fù)雜作用力,，結(jié)合以往因車(chē)軸導(dǎo)致的鐵路交通事故，除了軸頸,、輪座內(nèi)外兩側(cè),、齒輪座內(nèi)外兩側(cè)以及軸身部位幾處主要受力位置外，還需對(duì)軸端等部位進(jìn)行缺陷檢測(cè),，如圖3所示。一旦車(chē)軸上某個(gè)部位出現(xiàn)微小裂紋,，在長(zhǎng)期運(yùn)行的作用力下會(huì)逐步擴(kuò)展并最終導(dǎo)致斷軸等重大事故,。因此，要通過(guò)布置在車(chē)軸不同表面處的多個(gè)相控陣探頭對(duì)整個(gè)車(chē)軸區(qū)域進(jìn)行全面檢測(cè)[4],。

　針對(duì)上述機(jī)車(chē)車(chē)軸的缺陷存在區(qū)域及其分布特點(diǎn),，若采用常規(guī)超聲探傷，超聲聲場(chǎng)無(wú)法完全覆蓋整個(gè)部件,，檢測(cè)不全面,。要檢測(cè)所有部位的缺陷，須采用相控陣技術(shù),。目前常用的相控陣檢測(cè)方案,，大多采用組合相控陣探頭并將其置于車(chē)軸不同的部位進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)較復(fù)雜,，干擾因素較多且成本高,。
　本文通過(guò)對(duì)比分析超聲相控陣進(jìn)行機(jī)車(chē)車(chē)軸探傷的方法，自行設(shè)計(jì),，并提出一種新的機(jī)車(chē)車(chē)軸的相控陣超聲檢測(cè)方案,，只需采用一個(gè)相控陣探頭即可完成整個(gè)車(chē)軸的缺陷探測(cè)，干擾較小,，誤判率小,，且超聲聲場(chǎng)全覆蓋，避免了缺陷的漏檢,，檢測(cè)效率較高,。
3.4 車(chē)軸相控陣超聲探傷試驗(yàn)
　車(chē)軸的超聲波探傷試驗(yàn)遵照機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)軸超聲波探傷（TB/T 1618-2001）的相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。車(chē)軸超聲探傷系統(tǒng)采用一支相控陣探頭，放置于軸端面,，通過(guò)在其上移動(dòng)探頭進(jìn)行檢測(cè),，綜合利用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)車(chē)軸的全檢測(cè)。
3.4.1 檢測(cè)設(shè)備及方法
　測(cè)試模擬現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件：試驗(yàn)設(shè)備選用OLYMPUS的Focus LT超聲采集設(shè)備和Tomoview采集軟件,；探頭采用32晶片的線(xiàn)性排列的相控陣探頭（晶片間距為1 mm）,，放置于樣板軸端面進(jìn)行檢測(cè)。由于設(shè)備條件的限制,，目前采取手工相控陣探傷法,，用手移動(dòng)相控陣探頭，數(shù)據(jù)按采集時(shí)間存儲(chǔ),。以通過(guò)試驗(yàn),、分析、研究找到針對(duì)不同部位缺陷的最佳檢測(cè)距離及調(diào)整方法,。
3.4.2 檢測(cè)流程
　檢測(cè)流程如圖4所示,。

3.4.3 檢測(cè)步驟
　（1）選用機(jī)油作為試驗(yàn)耦合劑,，搭建車(chē)軸探傷試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行檢測(cè),。合理配置超聲檢測(cè)參數(shù),，根據(jù)車(chē)軸幾何結(jié)構(gòu)和探頭位置等因素,，合理設(shè)置檢測(cè)角度。超聲采集圖像由Tomoview軟件顯示,，主要觀察分析顯示的A掃描和B掃描圖像數(shù)據(jù),。
　A掃描是一維顯示,，顯示沿探頭發(fā)射聲束方向上不同點(diǎn)的回波信息，是一種波形顯示,，縱軸表示反射波的聲壓幅度,，橫軸表示聲波的傳播時(shí)間（或距離），可確定缺陷在試件中的埋藏深度及缺陷的反射聲壓,。
　B掃描是多重A掃描疊加顯示,，得到的是與聲束傳播方向平行的物體斷面的圖像。水平軸表示掃查位置,，垂直軸表示超聲聲程或傳播時(shí)間[5],。當(dāng)換能器沿一直線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，在屏上可顯示掃查線(xiàn)所取縱截面上,，前表面,、后表面及內(nèi)部反射界面的位置取向和深度。
為確保超聲波探傷具有足夠的靈敏度,，需要根據(jù)技術(shù)條件和車(chē)軸的制造使用要求,，制作與實(shí)際車(chē)軸相似的結(jié)構(gòu)和外形尺寸的對(duì)比試塊,，以供探傷時(shí)使用。在試塊的相應(yīng)部位,，按車(chē)軸疲勞裂紋的特點(diǎn)仿真刻制一系列的人工缺陷,。如表1所示是樣板軸上的部分缺陷信息。

3.5 試驗(yàn)分析
　針對(duì)樣板軸上的缺陷,，小幅度移動(dòng)探頭,，依次檢驗(yàn)樣板軸上所有的缺陷，最后得出各個(gè)缺陷的檢測(cè)角度,、探頭擺放位置,。置于車(chē)軸端面的超聲波相控陣探頭以不同角度發(fā)射超聲橫波。同一缺陷可能由不同角度的超聲波檢測(cè)到,，同一角度也可能檢測(cè)到多個(gè)缺陷,。對(duì)比分析探頭位置、檢測(cè)增益及缺陷是由超聲波的幾次回波測(cè)得等,，最終得出最佳的方案及調(diào)整方法,。如圖7所示分別為卸荷槽和輪座部位的缺陷檢測(cè)圖。由圖可見(jiàn),，各波形清晰可辨,，通過(guò)分析和計(jì)算A掃和B掃圖上的波形位置，可確認(rèn)對(duì)應(yīng)位置的缺陷波,。通過(guò)調(diào)整增益及TCG曲線(xiàn)（時(shí)間校正增益）,，將找到的缺陷的波幅調(diào)整到滿(mǎn)屏幕的80%,，并記錄其檢測(cè)角度,、增益、信噪比及探頭擺放位置,。

　通過(guò)多次試驗(yàn)統(tǒng)計(jì),，相控陣采集軟件上得到的缺陷深度誤差最大僅為3 mm。當(dāng)缺陷波幅在滿(mǎn)屏的80%時(shí),，檢測(cè)增益在25 dB~40 dB左右,，最大不超過(guò)50 dB，且各缺陷檢測(cè)信噪比均在15 dB以下,，具有較好的檢測(cè)效果,。
　試驗(yàn)結(jié)果表明，本方案設(shè)計(jì)的相控陣超聲波車(chē)軸探傷系統(tǒng)只需要采用一個(gè)相控陣探頭即可檢測(cè)樣板軸上距車(chē)軸表面不同深度的缺陷,，檢測(cè)范圍可覆蓋整個(gè)車(chē)軸結(jié)構(gòu)體,，能夠得出每個(gè)缺陷的定位信息報(bào)告（缺陷所在位置及深度），根據(jù)車(chē)軸缺陷檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果可快速在車(chē)軸上找到缺陷,。方案可行,，且檢測(cè)效率較高,。
采用超聲相控陣技術(shù)探傷，與傳統(tǒng)的探傷方法相比,，檢測(cè)速度快,，可以同時(shí)檢測(cè)車(chē)軸不同部位的多個(gè)缺陷，檢測(cè)精度高,，且不易出現(xiàn)漏檢等情況,。若將相控陣探頭配以適當(dāng)?shù)膴A具和電機(jī)等，使探頭自動(dòng)旋轉(zhuǎn),，檢測(cè)效率會(huì)大大提高,。
　相控陣超聲技術(shù)對(duì)車(chē)軸的探傷，只需一支相控陣探頭置于軸端面進(jìn)行檢測(cè),，即可完成透聲檢測(cè)和多角度連續(xù)自動(dòng)聚焦掃查,，通過(guò)多次試驗(yàn)和結(jié)果的分析，該方案對(duì)車(chē)軸的相控陣超聲檢測(cè),，能實(shí)現(xiàn)車(chē)軸卸荷槽,、輪座、抱軸頸及軸身缺陷的檢測(cè),，檢測(cè)方便,、快捷，檢測(cè)效率,、精度及準(zhǔn)確度都高,，不易漏檢，滿(mǎn)足鐵路車(chē)軸檢測(cè)的要求,，適用于電力,、內(nèi)燃機(jī)車(chē)輪對(duì)車(chē)軸內(nèi)部材質(zhì)性缺陷及裂紋等的超聲波檢測(cè)。
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