石胜平，左云清，魏波滢，李　峰

（南车长江车辆有限公司，武汉 430121）

摘要：介绍了铁路货车轮对镶入部位拉伤缺陷超声波检测现状，结合超声相控阵检测技术原理分析其在检测轮对镶入部位拉伤缺陷上的优势，通过超声相控阵技术对轮对镶入部位（车轴轮座部）人工缺陷、自然拉伤缺陷进行检测验证，说明超声相控阵检测技术在铁路货车轮对镶入部位拉伤缺陷检测上可行，并具有广泛的应用前景。

关键词：超声相控阵；货车轮对；镶入部检测；拉伤缺陷

Phased array ultrasonic inspection for embedded axel of rail wheel

Abstract:The ultrasonic inspection situation of embedded area  of rail wheel axel is introduced , the advantage of phased array ultrasonic technology for this application is analyzed .The application test with phased array ultrasonic technology for embedded axel with artificial defect and nature defect was made . The application result shows that Phased array ultrasonic is a much better solution for this application  compared with conventional ultrasonic inspection tehnique,and it’s valuable to promote this thechnique for this application .  

Keywords: Phased array ultrasonic, rail wheel, embedded axel inspection

轮对是铁路货车走行部的关键部件，货车运行时，轮对不仅承受巨大的静载荷和动载荷，还承受来自钢轨接头、道岔与线路不平等原因引起的多种作用力。近些年，中国铁路实施跨越式发展战略，货车实现了高速重载，高速货车时速达120km/h～160km/h，重载列车达2万吨/列，因此，铁路货车零部件特别是轮对的受力状况、运行工况愈加复杂、恶劣，为确保行车安全，必然会对铁路货车零部件提出更高的质量要求，以适应当前铁路货车运输发展的需要。

铁路货车轮对由于组装方式、对中偏差、接触面粗糙度超标、组装过盈量偏大、车轮轮毂孔倒角和车轴引锥加工不当，以及涂油不均和油中含有杂物等会导致轮对组装过程中产生拉伤缺陷（拉伤缺陷伴随着很多毛细裂纹），一旦未被检出而投入运营，必将给车辆的运行安全留下重大隐患，严重时会酿成轮对断裂、车辆颠覆恶性事故。

铁路货车轮对镶入部拉伤缺陷发现和准确判定是常规超声检测的一个难点，为了避免镶入部带拉伤缺陷的轮对投入运营，除尽可能避免产生拉伤缺陷的制造因素外，还必须寻找一种更为可靠，易于辨识拉伤缺陷的的检测方法，将镶入部带拉伤缺陷隐患的轮对检测出来，避免其投入运营，确保行车安全，这是从事铁路货车轮对检测人员努力的方向。

１　铁路货车轮对镶入部拉伤缺陷检测现状

根据《铁路货车轮轴组装、检修及管理规则》^[1]要求，货车造修单位主要是采用常规脉冲反射法-超声横波检测法对轮座镶入部进行探伤检查：采用45°横波斜探头在轴身作锯形扫查，检测轮座镶入部内侧；采用52°横波斜探头在轴颈（或采用55°横波斜探头在轴身）作锯形扫查，检测轮座镶入部内侧，并确保探头主声束覆盖轮座全长（即整个镶入部）。

根据多年检测实际情况看，目前检测方法对轮镶入部拉伤缺陷并不敏感，并随着探头折射角增大而检测能力下降，对同一拉伤缺陷，相同探伤灵敏度时，52°、45°横波斜探头检测的缺陷反射图像，见图1所示。究其原因：一是轮对镶入部位拉伤缺陷呈弧面且表面粗糙，并与轮对轴线成一定角度。检测时超声波声束与拉伤面成钝角，大部分能量被散射，又因拉伤面表面粗糙、声能消耗大，所以反射回波信号较弱，不易辨识，容易造成漏检和误判；二是采用的52°～55°大折射角横波斜探头通过锯形确保超声波主声束对整个镶入部覆盖，但大折射角度探头对拉伤缺陷灵敏度不高，导致检出低下。

２ 超声相控阵技术在轮对镶入部拉伤缺陷检测上的优势

超声波相控阵技术最大的特点是，通过电子的方式能够控制声束的入射角度，使相控阵探头在一个位置能够实现多角度声束同时扫查，并将各个角度的超声波信号同时显示出来。          与常规脉冲反射法相比，相控阵超声检测主要有以下特点：

２.１检测区域大

相控阵探头产生的超声波声束为扇形区域，范围可根据需要调整（如35°～75°），不需要作锯形扫查就实现对检测区域全老辣，并直接显示最大反射波对应的声束角度，而传统超声探头声束折射角是固定的（如45°、52°、55°），声束扩散且单向，通过移动探头作锯形扫查实现对检测区域的覆盖，并寻找缺陷最大反射回波。因此，相控阵探头可扫查检出不同方位的裂纹（多向裂纹），具有优越的缺陷检出率，而传统超声探头因移动范围和声束角度有限对方向不利的裂纹或远离声束轴线位置的裂纹，容易漏检^[2]，如图2、图3^[3]所示。由于相控阵探头检测覆盖区域大，探头固定在一个位置，能同时检测工件较大区域，极大提高了检测效率，节省成本。

２.２检测结果直观、分辨力高

检测结果通过图像的形式，直观地显示缺陷，图像对缺陷显示有很高的分辩力，对小缺陷也有较高灵敏度，同时还显示A扫描波形图，见图4^[2]、图5所示，而传统超声探伤仪只显示的是A扫描波形图，需通过检测人员对反射波形进行分析，判断是否有缺陷存在。

２.３便于准确定性分析

相控阵探头尽管检测覆盖区域大，但检测到缺陷的反射信息是某角度声束捕捉到该缺陷时得到的缺陷回波反射信息，并不一定是合适角度声束捕捉到该缺陷最佳反射面而得到的最大反射回波信息。但在发现缺陷大致位置后，通过相控阵探头对其往复扫查检测，使探头激发的一定范围内多种角度超声波声束都来检测该缺陷，就可寻找到与该缺陷形成最佳反射的某角度超声波声束，捕捉到该缺陷最大反射回波信息，准确分析判定缺陷大小、性质和危害程度。图6所示，相同探伤灵敏度下不同角度声束捕捉到同一缺陷反射回波信号强弱不一样。

３ 检测验证

３.１ 在有人工刻槽车轴试块上的检测验证

为了验证相控阵探头放置在轮轴一个固定位置能够检测覆盖整个车轴轮座部（轮对镶入部），且发射出的各角度声束的检测灵敏度能够达到检测要求， 我们在车轴轮座部（轮对镶入部）的内、外疲劳带和车轴轮座中部各加工了３条共９条深0.5mm刻槽的人工裂纹。使用GE公司生产的便携式相控阵探伤仪（Phasor XS） ,采用了16晶片，2.25MHz, 间距1.5mm,单个晶片长度13mm的相控阵探头进行验证实验。探头放置于带有深0.5mm人工刻槽的轮轴试块轴身固定位置处，对车轴轮座部（即轮对镶入部）9个人工刻槽进行检测，相控阵探伤仪屏幕上清晰显示出9个人工刻槽反射信号图像。见图7所示，可见，相控阵检测技术能够完全覆盖轮轴镶入部区域，并且有足够的辨识灵敏度。

３.２　在有自然拉伤车轴上的检测验证

为了更加准确地验证相控阵技术在轮对镶入部拉伤缺陷的检测能力，在带有拉伤缺陷的车轴上进行了检测验证，无拉伤缺陷时检测到缺陷的反射信号如图8所示，拉伤缺陷严重时检测到缺陷的反射信号如图9所示，拉伤缺陷一般时检测到缺陷的反射信号如图10所示，拉伤缺陷轻微时检测到缺陷的反射信号如图11所示。从图8～图11中可以看出有拉伤缺陷和无拉伤缺陷时检测到缺陷反射信号与没有拉伤缺陷的信号存在明显差异，同时可以看出，随着拉伤缺陷的严重程度的降低，拉伤缺陷反射信号的幅值逐渐降低，拉伤缺陷反射信号的显示颜色也逐渐变浅淡。检测人员可以轻易辨识、判别是否存在拉伤缺陷、缺陷严重程度，并判定拉伤缺陷大致长度。

４ 总结

通过超声相控阵技术在轮对镶入部拉伤缺陷检测上优势分析和相关检测验证：超声波相控阵技术检测轮对镶入部位时探头无需前后移动即可实现检测全覆盖，探头沿轴旋转一圈即可完成检测，大大提高了检测效率；轮对镶入部位时当存在拉伤缺陷时，超声波相控阵技术检测出的缺陷反射回波信号图像直观明了，易于辨识、判定；同时通过相控阵探头对已知（或疑似）缺陷进行往复扫查，检测更全面缺陷反射回波信息，特别是缺陷最大反射回波信息，有利于对缺陷准确分析定性。因此，采用超声相控阵技术实现轮轴镶入部拉伤缺陷检测是可行，具有广泛的应用前景。

参考文献：

【１】铁路货车轮轴组装、检修及管理规则  中国铁道出版社 ，2007。

【２】 GE检测科技相控阵产品简介

【３】李衍.超声相控阵技术   无损探伤，2007年8月