超声波探伤在机车无损检测方面的应用

超声波探伤作为一种重要的无损检测技术不仅具有穿透能力强、设备简单、使用条件和安全性好、检测范围广等根本性的优点外，而且其输出信号是以波形的方式体现。使得当前飞速发展的计算机信号处理、模式识别和人工智能等技术能被方便地应用于检测过程，从而提高检测的度和可靠性。

下面介绍超声波探伤技术在机车检测方面的应用：在高速钢轨检测中的应用，在车轮缺陷检测中的应用，以及在轮辋缺陷检测中的应用。

1.超声探伤技术在高速钢轨检测中的应用

我国铁路运营线路近七万公里，而且铁路正在向高速、重载的方向发展。超期服役的钢轨数量很大，线路上的钢轨在承担繁重的运输任务过程中，不免要产生各种肉眼能看见及看不见的损伤如侧磨、轨头压溃、剥离掉块、锈蚀、核伤、水平裂纹、垂直裂纹、周边裂纹等。

当被检钢轨内部有一个裂纹缺陷(或其他缺陷)，将超声波探头放在被检钢轨的某一表面部位(该面称作探伤面、检测面)，探头向被检钢轨发射超声波信号，超声波穿过界面进入被检钢轨内部，在遇到缺陷和两介质的界面时都会有反射，反射信号被探头接收后，通过探伤仪内部的电路转换，就可以把缺陷信号和底波信号形象地显示出来，如图4所示。根据超声波的声程推算，就可以轻易地将缺陷信号和底波信号区分开，然后通过超声波试块进行定标，就可以实现对钢轨缺陷的定位和定量。

2.超声探伤技术在车轮缺陷检测中的应用

轮对是车辆走行部中zui重要的部件之一，对轨道车辆轮对的检测并准确地判断其缺陷位置一直是铁道运输部门非常重视的问题。该系统采用电磁超声探伤技术，实现轮对踏面的缺陷检测，包括：踏面剥离及剥离前期检测；踏面表面及近表面裂纹检测。

电磁超声探伤系统利用超声表面波的脉冲反射原理进行缺陷检测。当轮对沿钢轨运行到探头位置，轮对踏面接触探头的瞬间，EMAT(电磁超声探伤技术)在车轮踏面表面及近表面激发出电磁超声表面波脉冲，超声表面波将沿踏面表面及近表面圆周以很小的损耗传播。如图5所示，超声表面波在踏面双向传播(顺时针和逆时针)，沿车轮表面及近表面传播1周后回到探头位置，EMAT探头检测到返回的超声表面波后形成第1次周期回波(图5中RT波)；未衰减的超声波继续沿踏面传播，依次形成第2次、第3次周期回波，……，直到能量衰减到设备无法检测为止。

当车轮踏面表面及近表面有裂纹或剥离等缺陷存在时，超声波在缺陷端面处一部分能量被反射，沿原传播路径返回并被探头检测到，形成缺陷回波(图6中E波)；另一部分能量绕过缺陷端面继续传播，形成周期性回波(图6中RT波)。通过正常的周期回波(RT)与缺陷回波(E)的对比分析，可以定性分析当前轮对的踏面缺陷状况。

3.超声探伤技术在轮辋缺陷检测中的应用

随着我国铁路行车速度的提高，尤其是动车组的开行给行车安全提出新的考验，转向架关键部件如轮辋、车轴、轴承等局部位置承受更大的应力，要求检测过程速度加快、检测时间间隔变小、检测范围扩大，给铁路无损检测领域提出更高的技术要求。

根据轮辋缺陷裂纹的走向特点，将轮辋缺陷分为三类。

(1)周向缺陷：沿车轮踏面圆周方向并与踏面圆周方向平行；

(2)径向缺陷：方向垂直踏面，与车轮直径方向平行；

(3)轴向缺陷：轮辋内部与车轴方向平行。

在探伤实验中，通过在样板轮上打平底孔、刻槽的方式形成人工缺陷模拟轮辋的实际缺陷，平底孔的直径或刻槽的宽度与实际裂纹尺寸成当量关系，相控阵探头分别置于踏面(I)和轮缘内侧(II)进行扫查，样板轮工缺陷如图7所示，缺陷①为距轮缘顶端40mm且垂直轮辋侧面φ3mm深30mm的平底孔；缺陷②为距踏面10mm垂直轮辋侧面φ3mm深30mm的平底孔；缺陷③为距踏面50mm垂直轮辋侧面φ3mm深90mm的平底孔；缺陷④为轮辋与轮辐交接区域，朝踏面方向φ3mm、孔底距踏面40mm的平底孔；缺陷⑤为轮缘根部靠踏面侧2mm深周向刻槽，槽宽小于等于2mm。根据超声检测脉冲回波反射的特点，周向缺陷采用纵波相控阵直探头从踏面进行扫查；径向缺陷采用纵波相控阵直探头在轮缘内侧面进行扫查；轴向缺陷采用纵波相控阵直探头、横波相控阵斜探头均能扫查到。