輪箍中常見缺陷的檢測與檢測

輪箍中常見缺陷的檢測與檢測

車輪連接是車輛的重要部件，其質(zhì)量直接影響車輛的安全。在制造和使用過程中,輪箍經(jīng)常出現(xiàn)各種危害性缺陷,隨著列車速度的提高,這種缺陷的發(fā)生和發(fā)展有提早和加快的趨勢,給運(yùn)輸安全構(gòu)成極大威脅。輪箍中的缺陷主要有冶金缺陷和疲勞缺陷兩大類。冶金缺陷方向性不太明顯,但一般沿碾壓方向面積較大。疲勞缺陷多數(shù)產(chǎn)生在踏面下10～30mm范圍內(nèi),一般先沿圓周方向發(fā)展,然后再折向徑向(也有直接沿徑向發(fā)展的),最后導(dǎo)致輪箍崩裂,是一種十分危險的缺陷。為確保行車安全,鐵路部門近年來投入了大量人力、財力開展輪箍探傷,以防事故發(fā)生。目前輪箍探傷主要使用超聲縱波法,即用縱波直探頭或雙晶探頭進(jìn)行探傷。裝配前從踏面和內(nèi)側(cè)面進(jìn)行探測,裝配后則只從踏面進(jìn)行探測,掃查范圍遍及全踏面?？v波法對于使用中的輪箍具有很大的局限性,主要是對徑向缺陷的檢測靈敏度低和操作過于復(fù)雜。使用中的輪箍外露部分很少,大部分被閘瓦或車體遮蓋,要想對輪箍進(jìn)行全部探測,必須分段進(jìn)行,即一邊動車一邊探傷,最多時甚至需動車十次以上,費(fèi)工費(fèi)時,也不安全。本文研究的橫波探傷法,可在不動車的情況下完成對輪箍的全面掃查,且對徑向缺陷有很高的檢測靈敏度,能夠很好地解決輪箍在裝車狀態(tài)下的探傷問題。1橫波檢測原理1.1波場表面為一次聲程的針內(nèi)探傷波場輪箍橫波探傷用的是大角度的超聲橫波。聲波在輪箍中傳播時,會因圓周界面的制約而產(chǎn)生多次反射,沿圖1所示的折線方向向前傳播。探頭不動時,聲波軸線是幾段折線。掃查時,相當(dāng)于聲波圍繞輪箍圓心旋轉(zhuǎn),聲波軸線探測到的實(shí)際上是踏面下一層連續(xù)的殼層,其厚度為一次聲程的弦高h(yuǎn)0。輪箍橫波探傷與管材橫向探測不同,這里內(nèi)圓凸面不起作用,聲波只入射到具有聚焦作用的外圓凹面上,因而沒有發(fā)散損失,聲能衰減大大減緩,一般四次以上聲程仍有足夠高的探傷靈敏度,并且只需在一個跨度內(nèi)掃查,就可實(shí)現(xiàn)對輪箍的全部探測。容易證明,一跨距或一次反射波的聲程(弦長)W、弧長L0(L0(和最大探測深度h0分別為W=2Rcosβ(1)L0(=90?β90πR(2)h0=R(1?sinβ)(3)W=2Rcosβ(1)L0(=90-β90πR(2)h0=R(1-sinβ)(3)1.2ss12設(shè)有一點(diǎn)狀缺陷F,它至圓心O的距離為OF=x,聲程為S,如圖2所示。根據(jù)余弦定理S2+R2?2SRcosβ=x2(4)可得S=Rcosβ±R2cos2β?(R2?x2)?????????????????√(5)S2+R2-2SRcosβ=x2(4)可得S=Rcosβ±R2cos2β-(R2-x2)(5)S有兩個解,說明有兩個位置可探測到該缺陷,也即工件中的缺陷在一次掃查過程中能夠探測到兩次,一次在A點(diǎn),另一次在B點(diǎn)。兩次聲程之和剛好等于一次反射的聲程W,即W=SA+SB=2Rcosβ(6)W=SA+SB=2Rcosβ(6)1.3=2ssinr-scos+0.+2.0缺陷下+如果缺陷為沿半徑OF方向的小平面缺陷,則聲波在缺陷上的入射角α為α=±[90°?(β+θ)](7)α=±[90°-(β+θ)](7)式中θ——聲程S所對應(yīng)的圓心角θ=tg?1S?sinβR?S?cosβ(8)θ=tg-1S?sinβR-S?cosβ(8)當(dāng)α=0時,聲波與缺陷垂直,β+θ=90°,A,B兩點(diǎn)重合,此時缺陷處于一次聲程的中點(diǎn),即聲波軸線能探測到的最大距離上。如果缺陷沿徑向有一延伸長度,則缺陷不是在圓周面的兩點(diǎn),而是在兩段被探測到。當(dāng)探頭從缺陷上方向下掃查時,A處探頭的聲波從缺陷的上端點(diǎn)逐漸掃查到缺陷的下端點(diǎn),而B處探頭的聲波則從缺陷的下端點(diǎn)逐漸掃查到缺陷的上端點(diǎn)。如果缺陷已擴(kuò)展到圓周表面,且下端點(diǎn)剛好處于能夠探測到的最大位置上,即缺陷深度等于h0,則A,B兩處探頭掃查的范圍重合,聲波在缺陷上的入射角從90°-β逐漸變小,直到0°,然后又逐漸變大,直到90°-β,在整個掃查過程中,入射角在±(90°-β)之間變化。1.4面的旁軸心理狀態(tài)聲波在圓周界面上反射后,會產(chǎn)生類似聚焦作用的匯聚現(xiàn)象(圖3),以經(jīng)過聲束軸線第n次反射點(diǎn)的半徑為y軸建立坐標(biāo)系,輪箍圓心為坐標(biāo)原點(diǎn),紙面為xOy平面,可以證明,與軸線呈一微小角度δ的旁軸聲線經(jīng)n次反射后與軸線交點(diǎn)Q的坐標(biāo)為x=R{1?cos2nδ?sin2nδ?cot[β?(2n+1)δ]}cotβ?cot[β?(2n+1)δ](9)y=R?xtgβx=R{1-cos2nδ-sin2nδ?cot[β-(2n+1)δ]}cotβ-cot[β-(2n+1)δ](9)y=R-xtgβ當(dāng)n=1時x=R[1?cos2δ?sin2δ?cot(β?3δ)]cotβ?cot(β?3δ)(10)y=R?xtgβx=R[1-cos2δ-sin2δ?cot(β-3δ)]cotβ-cot(β-3δ)(10)y=R-xtgβ2選擇和缺陷定位2.1掃查面為0cl0c設(shè)計(jì)探頭或選擇探傷條件時,可以使折射聲波在輪箍內(nèi)剛好構(gòu)成一個多邊形,這樣有利于問題的分析和討論。此時多邊形的邊數(shù)m、折射角β和最小掃查范圍(即一個跨距所對應(yīng)的弧長L0()cL0()c滿足如下關(guān)系m=18090?β或β=12(180?360m)(11)c=L0(=2πRm(12)m=18090-β或β=12(180-360m)(11)c=L0(=2πRm(12)可以看出,m越大,β也越大,需掃查的范圍c和可探測的最大深度h0(式(3))越小,此時聲波靠近界面。反之,β就越小,所需的掃查范圍和可探測的深度則相應(yīng)大些。m,β,c,h0和輪箍半徑R之間的相互關(guān)系如附表所示,一般m取7,8,9為宜,此時對應(yīng)的探頭折射角β分別為64.3°,67.5°和70°。2.2錯誤定位2.2.1l和弧長ll讀出聲程S后,從式(8)可求出θ,則缺陷深度h、水平距離L和弧長L(L(分別為h=R?S?sinβsinθL=2R?sinθ2(13)L(=θ180?πRh=R-S?sinβsinθL=2R?sinθ2(13)L(=θ180?πR2.2.2[s[s-n1w],犯參數(shù)若缺陷由n次聲程探出,聲程為S,則有θ=tg?1[S?(n?1)L0]?sinβR?[S?(n?1)L0]cosβh=R?[S?(n?1)w]?sinβsinθ(14)L(=(n?1)L0(+θ180?πRθ=tg-1[S-(n-1)L0]?sinβR-[S-(n-1)L0]cosβh=R-[S-(n-1)w]?sinβsinθ(14)L(=(n-1)L0(+θ180?πR3人工缺陷估計(jì)圖5和圖6是在實(shí)際輪箍上做的試驗(yàn)結(jié)果,所用探頭頻率f=2.5MHz,晶片直徑20mm,β=67.5°,輪箍R=525mm,人工缺陷為探測面(踏面)下15mm處ue001φ3mm×25mm的橫孔。圖5是同一缺陷在用同次聲程掃查時得到的兩個反射波,兩個波依次先后出現(xiàn),聲程之和剛好等于一跨距的弦長,在這里用數(shù)字探傷儀的波形存儲功能將兩波顯示在了同一圖形上。圖6則是四次聲程探測該缺陷得到的反射波,此時聲程已在1.5m以上,可見,探傷靈敏度和信噪比仍然很高,說明試驗(yàn)結(jié)果與理論分析是相當(dāng)吻合的。4探傷靈敏度測定(1)用大角度橫波檢驗(yàn)輪箍,對徑向