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1、电力机车车轴的超声波探伤学 生 姓 名： 学 号： 专 业 班 级： 铁道机车车 指 导 教 师： 西安铁路职业技术学院毕业设计（论文）摘 要车轴是机车车辆转向架的关键承载部件，影响行车安全的重要零件，其疲劳破坏直接危及运输安全。如果车轴出现疲劳损伤并且扩展，就会因断轴而造成列车脱轨，带来灾难性的后果，其安全运转直接关系着铁路运输的安全生产。车轴很容易发生疲劳裂纹，而这种裂纹易发生在车轴压装座的一个短距离内，且完全是隐蔽的。为了及时发现疲劳缺陷，在轮对交付前和使用中，必须进行无损探伤检查。事实上，在不退轮芯的情况下，除超声波外，没有其他方法具有足够的灵敏度能探测这些裂纹。车轴的超声波探伤法，自
2、上世纪50 年代采用以来，迄今已应用了50 多年，一直是检测车轴疲劳裂纹的重要手段。目前，我国机务段对铁路机车轮对疲劳裂纹的检测主要采用磁粉探伤和超声波手工探伤的方式对轮对关键部位进行探伤。其中，磁粉探伤法只能探测轮对表面及近表面缺陷和疲劳裂纹，存在一定的局限性。超声波手工探伤可一定程度上探测到轮对内部的缺陷和疲劳裂纹，但由于手工操作，受检测者的工作经验及当时的精神状态等因素影响，人为因素多，操作条件差、劳动量大、劳动效率和自动化程度低，容易出现误探、漏探，特别是车轴的超声波手工探伤，目前各机务段的车轴超声波探伤水平参差不齐。本论文提出了一种新的探伤方案，采用在车轴轴端布置小角度探头并把探头装
3、在可高精度调节探头倾角的探头盒内的方式探测车轴轴身区域，在车轴轴颈、车轮踏面和轮缘布置不同角度探头对机车轮对其他区域进行探伤。关键词：机车轮对；超声波；探伤机；探伤- I -目 录摘 要I引 言11 绪论41.1 无损检测的意义41.2 机车车轴产生缺陷的原因及危害41.3 车轴超声波探伤的发展简介52超声波探伤方法分类62.1垂直探伤62.2斜角探伤62.3局部探伤72.4新的车轴探伤法73超声波探伤的工艺参数选择93.1超声波探头的确定93.2耦合剂的选择93.3超声波探伤对比试块及其制作93.4 机车车轴的结构104 机车车轴疲劳纹超声波探伤114.1疲劳裂纹产生的原因114.2机车车轴
4、疲劳断裂过程114.3探测条件的确定124.3.1探头的选择124.3.2实物试块的制作124.4探伤灵敏度校准124.4.1纵波小角度探头灵敏度校准124.4.2直探头灵敏度校准134.5探伤操作134.5.1车轴压装部探伤134.5.2车轴内部缺陷和大裂纹查找134.6提速机车车轴疲劳裂纹波形特点134.7影响疲劳裂纹定量的因素144.7.1疲劳裂纹取向对定量的影响144.7.2疲劳裂纹性质对定量的影响144.7.3疲劳裂纹面对定量的影响144.7.4探测面对定量的影响144.7.5探头对定量的影响154.7.6实物试块对定量的影响154.7.7车轴压装应力影响155 SS4改进型电力机车
5、整体车轮车轴疲劳裂纹超声波探伤165.1问题的提出165.2原因分析165.3 SS4改进型电力机车车轴(整体车轮)超声波探伤工艺制订情况175.4车轴探伤185.4.1裂纹车轴光轴磁粉探伤185.4.2裂纹车轴光轴超声波探伤185.4.3组装轮对车轴超声波探伤195.5 SS4改进型机车整体车轮车轴超声波探伤分析195.6 SS4改进型电力机车整体车轮车轴改造206 新型超声波探伤226.1新型超声波探伤伤试验方法226.2超声波探伤装置的更新22结 论24致 谢25参 考 文 献26- III -西安铁路职业技术学院毕业设计（论文）引 言随着铁路运输向高速、重载方向发展以及机车段修公里的延
6、长, 对机车走行部质量提出了更高的要求。车轴是机车走行部关键部件, 起着向钢轨传递静载荷和牵引力、制动力的作用, 另外还刚性承受来自钢轨接头、道岔、不平顺线路的垂直和水平作用力, 是一个受力复杂、工作条件恶劣的部件。机车车轴基本结构可分为以下三种结构: 传动齿轮压装在长毂轮心上, 如DF4, SS1, SS3, SS4, 8G等型机车; 传动齿轮直接压装在车轴上且加工减载槽, 如DF4D, 8K 型机车; 传动齿轮通过六连杆连接的空心轴传动, 如DF11, DF4D, SS8, SS9 等型机车。重载货运机车车轮传动方式采用齿轮传动, 传动齿轮压装在长毂轮心上或直接压装在车轴上, 为缓减应力集
7、中, 防止车轴过早产生疲劳裂纹, 在车轴压装部齿轮镶入部两侧压痕线处和非齿轮传动侧轮心镶入部内侧压痕线处分别加工了不同宽度的减载槽; 提速客运机车采用弹性六连杆传动方式, 车轴结构为空心轴传动。随着机车走行公里的不断提高, 车轴材质最终由于疲劳原因而产生疲劳源并扩展形成疲劳裂纹。因此要对机车车轴进行超声波探伤检测, 以便发现车轴是否产生疲劳裂纹以及监视疲劳裂纹发展情况, 及时掌握车轴状态并采取措施, 确保旅客生命安全和铁路运输安全。本文提出了机车车轴疲劳裂纹的超声波探伤方法, 并分析了机车轴疲劳裂纹的特点及影响其裂纹定量的因素。机车轮对是机车的关键部件之一，直接影响列车的运行发全，所以国内外在
8、机车的检修中对机车轮对的检修和检查尤为重视铁道机车轮对最初阶段是采用人工对踏面及轮辋的锤敲、耳听、眼观的人工判断。这种方法最终取决予检测者的工作经验及当时的精神状态等因素，人为因素多，经验性强，费时、费力，定量化指标差，容易出现误判、漏判。随着无损检测技术特别是超声波技本的快速发展，超声检测越来越多的应用于铁道车辆关键部件的捡测。国内外先后出现了以超声仪器为手段的检测方法对轮对进行手工超声波探伤，一定程度上提高了轮对的检测水平，但此阶段超声仪器主要为单通道的模拟A型脉冲反射式，探测一个车轮或一根车轴的关键部位需用多台不同参数的探伤设备，需要多次调节每台设备，而且采用旋钮操作，一个旋钮对应一个功
9、能，如衰减钮调节灵敏度、深度范围钮调节探测范围、工作方式选择钮选择探测方式等，操作繁琐，效率低；需用人眼观察回波进行判伤；无法对缺陷的当量进行定量计算，功能单一，无法对探测结果进行长期保存，系统工作不稳定。20世纪80、90年代微机及大规模集成电路技术得到了迅猛发展，使微机应用于自动超声检测信号处理中，即将检测到的超声回波信号，经AD变换后，进入微机系统，进行处理。一方面提高了设备的抗干扰能力：另一方面，利用计算机的运算功能，实现了对缺陷信号的自动读数、自动识别、自动补偿、定量和报警。微机的应用使超声仪器有了跨越式发展，出现了多种便携式数字化智能探伤仪。数字化智能超声波探伤仪式在常规模拟式超声
10、波探伤仪的基础上发展起来，它保留了原模拟式超声波探伤仪的基本性能；利用计算机系统的功能，对接收到的回波波形先完成模数转换，再执行数字化处理，实时显示器数字化的回波波形，同时具有记录、存储、计算分析能力，还可与计算机联机实现通讯及打印输出。这些探伤仪具备了对探测结果自动判伤，可靠数据保护，确保存储数据不丢失等功能。极大降低了我国机车轮对人工超声探伤的误判率，改善了探伤效果。但仍然不能摆脱手工探伤的局限性，自动化程度低，工作效率低，受人为因素影响程度高，可重复性差等缺点。近年来随着高速铁路的快速发展，机车轮对的自动化探伤受到了国内外相关部门的普遍重视。进入20世纪70年代以来，国际上开始对火车车轮
11、自动超声探伤进行研究，先后出现了多种轮对自动化探伤设备。如日本开发的0100系用车轴的自动超声波探伤机，可对车轴局部进行自动化探伤，从1997年起投入新干线的各车辆所正式工作。德国的RAWWittenberge的4通道全自动超声检测系统，以色列AS-220r系列车轮超声检测系统主要对轮辋及踏面进行检测。1999年FhO lzfP与德国铁路公司联合研制出称为AURA的整体轮对的超声探伤装置，该装置采用电磁超声技术，探伤部位包括轮辋和轮缘，并先后安装在德国的纽伦堡和慕尼黑车辆厂内，但末见其使用效果的报道。国外当前机车轮对超声波自动化探伤设备存在一定的局限性，主要表现为这些设备主要针对机车轮对局部进
12、行探伤，无法完成机车轮对的整体自动化高精度探伤。我国的轮对自动超声探伤研制工作已经起步，而且发展迅速，取得了一定的成果，先后出现了多台探伤设备。如铁道部科学研究研发的I31型轮箍超声探伤机，刘继主持研发的车轮轮辋裂纹探伤机，昆明铁路分局和云南华云科技发展公司共同开发的TFM-Z垄判伤智能机，郑州铁路局武汉科学技术研究所研制的机车轮箍超声波自动探伤装置，哈尔滨铁路局哈尔滨科学技术研究所和北方交通大举联合开发了铁道车辆轮辋超声自动探伤成像系统，武汉中科创新技术有限公研制的KSD多通道轮辋超声自动探伤系统。这些设备的研发和应用大大改善了我国轮对的检修水平，一定程度上提高了列车的运行质量，保证了运用安
13、全，但也存在一些热同的缺点和局限性：(1)设备多数针对车辆轮对探伤而设计，适合机车轮对探伤的设备少。(2)设备以检测轮对单一部分为主，不能对轮对各部分进行综合检测。(3)设备的智能化水平低较低，不能精确确定缺陷的大小、形状和位置。总之，能够同时自动检测机车轮对车轴整体、轮辋和轮缘的超声波检测系统国际上未见报道，国内机务部门也没有得到应用。车轴是机车车辆转向架的关键承载部件，影响行车安全的重要零件，其疲劳破坏直接危及运输安全。如果车轴出现疲 劳损伤并且扩展，就会因断轴而造成列车脱轨，带来灾难性的 后果，其安全运转直接关系着铁路运输的安全生产。车轴很容 易发生疲劳裂纹，而这种裂纹易发生在车轴压装座
14、的一个短距离内，且完全是隐蔽的。为了及时发现疲劳缺陷，在轮对交 付前和使用中，必须进行无损探伤检查。事实上，在不退轮芯 的情况下，除超声波外，没有其他方法具有足够的灵敏度能探 测这些裂纹。车轴的超声波探伤法，自上世纪 50 年代采用以来迄今已应用了 50 多年，一直是检测车轴疲劳裂纹的重要 手段，机车车轴的基本结构，包括轴颈、轴肩、车轮座、齿轮座和 轴身等，有的还有制动盘座，其中齿轮座安装从动齿轮，接受 来自动力源的牵引力，驱动车轴旋转。机车车轴产生疲劳裂纹，原因是多方面的，既受车轴材质、结构、制造工艺、轮对参数选配等因素的影响，又受机车运 用线路状况、运行速度、牵引吨位以及司乘人员操作情况等
15、因 素的影响。由于受力特点、受力状态、工作环境的不同，车轴在 运用过程中受到弯曲应力、扭转剪切应力及组装应力的同时作 用，产生疲劳裂纹的原因是相当复杂的。一般来讲，车轴的疲劳 是在车轴与车轮、从动齿轮及制动盘等配合件接触部位的腐蚀 和微小滑动产生的磨耗，而在车轴表面形成微孔，在不同的情况下慢慢发展为裂纹。1 绪论车轴是机车车辆转向架的关键承载部件，影响行车安全的重要零件，其疲劳破坏直接危及运输安全。如果车轴出现疲 劳损伤并且扩展，就会因断轴而造成列车脱轨，带来灾难性的 后果，其安全运转直接关系着铁路运输的安全生产。车轴很容 易发生疲劳裂纹，而这种裂纹易发生在车轴压装座的一个短距离内，且完全是隐蔽的。为了及时发现疲劳缺陷，在轮对交 付前和使用中，必须进行无损探伤检查。事实上，在不退轮芯 的情况下，除超声波外，没有其他方法具有足够的灵敏度能探 测这些裂纹。车轴的超声波探伤法，自上世纪 50 年代采用以来迄今已应用了 5
