符正晴
武汉局集团公司武汉大功率机车检修段
摘 要 简要阐述了LU在线移动式机车轮辋轮辐探伤系统检测原理和主要功能特点，并与现有铁路机车车轮手工探伤进行了对比分析，探讨了LU轮辋轮辐探伤系统在铁路机车车轮探伤检测工作中的应用情况。结果表明LU设备在机车车轮探伤领域现场适应性良好、检测效率高，但存在无法定量分析的局限性；本文提出了对车轮采用“人机双控”的方式进行探伤，充分利用LU设备对车轮探伤进行定位分析，发现缺陷后使用人工复核进行定位定量分析，不仅能大幅提高车轮探伤的质量与效率，还为机车走行部安全提供保障。
关键词 机车车轮；相控阵探伤；自动化；检测
Application of LU rims Spokes Inspection System in Railway Locomotive Wheel Inspection
FU Zhengqing
（Wuhan High Power Locomotive Maintenance Section of China Railway Wuhan Bureau Group Co.,Ltd.,Wuhan 430070 Hubei,China）
Abstract: The principle and main functions of the Rims and spokes inspection system for LU mobile locomotive are briefly described, and compared with the existing manual inspection system for railway locomotive wheels. The application of LU rims spokes inspection system in railway locomotive wheel inspection is discussed. The results show that LU equipment has good adaptability and high detection efficiency in the field of locomotive wheel flaw detection, However, There are limitations of quantitative analysis. In this paper, the method of "man - machine double - control" is proposed, Make full use of LU equipment to detect wheel location analysis, After the defects are found, manual check is used for positioning and quantitative analysis, which can not only greatly improve the quality and efficiency of wheel flaw detection, but also provide guarantee for the safety of locomotive running parts.
Key words: The locomotive wheel; Phased array flaw detection; automation; detection
1.引言
车轮是机车走行部的关键承载部件，随着近年铁路机车运行朝着高速、重载方向的迅速发展，轮对安全成机车安全运输的重中之重。在运用过程中，车轮钢坯在冶炼浇铸、加热辗压轧制、热处理等工艺制造中容易产生缺陷残余，以及在运用过程中受到钢轨的摩擦力、频繁的制动力等的作用下，导致车轮在周向和径向容易出现冶炼缺陷和疲劳缺陷，因此产生擦伤、剥离甚至辋裂。车轮的可靠运转直接关乎铁路运输生产安全，因此通过探伤手段，及时发现轮对缺陷对保障机车运用安全有十分重要意义。
机务系统铁路机车C4修对在役机车轮辋超声波探伤使用手工探伤模式，即采用动轮人工扫查方式使用双晶直探头及大角度斜探头对辋裂及径向缺陷进行探测，但对整体碾钢轮轮辐、轮缘缺陷无法探测，并且对探伤人员的技能提出了相当高的要求，不同探伤人员对于同一缺陷的检出率和重复性很难控制，存在误判漏判的隐患，且检测效率难以提高。为了提高效率保证质量，我段配备了LU移动式轮辋轮辐探伤系统，对机车车轮进行自动化超声波探伤，该设备组合利用相控阵超声技术与常规超声（UT）技术，通过沿地沟移动的检测小车自动检测在线轮对的轮辋轮辐缺陷，满足和谐型大功率机C4及以下修程时的不落轮探伤作业。
2 检测原理及功能
2.1超声相控阵检测技术
常规超声技术采用一个压电晶片产生超声波，如图1所示，其传播角度在一个确定的方向按照探头晶片尺寸特定的半扩散角进行传播的，其声束的传播角度是唯一的。在实际检测中，为了防止漏检，通常要进行不同角度的扫查。超声相控阵检测技术是通过电子系统控制换能器阵列中的各个阵元，其阵列是由许多独立的压电晶片按照一定的排列组合成阵列，如图2所示，各个阵元根据电子控制系统，能够在每个通道独立的、按照一定的延迟时间规则发射和接收超声波，从而动态地控制超声声束在工件中的偏转和聚焦，从而实现对工件的无损检测。
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图1：常规超声探头 图2：相控阵超声探头
与常规超声技术比较，相控阵超声探伤技术具有两个技术优势，一是超声波束的方向可控，二是超声波束的聚焦可控。相控阵声束偏转如图3（a）所示，从左到右等间隔的增加延迟时间，依次激励线性阵列换能器的各个阵元，从而使得形成的波阵面和线性阵列换能器之间形成一个夹角，这就形成了发射声束相控阵偏转的效果。
因此相控阵超声技术采用同一只探头，即可实现大角度（探测角度 0-80o）的自聚焦扫描，与传统超声波探伤方式相比，扫查角度范围更大，探伤时间更短，而且对同一缺陷是多声束多角度探测，实现对车轮轮辋轮辐及轮缘各种角度的缺陷进行检测，避免漏检漏探。
2.2 LU设备
2.2.1系统组成
LU系统按布局分为地沟内设备（探伤机器人、顶转轮设备）和地面设备（随动小车、耦合水箱、样板轮对）两部分。按功能可划分为检测小车、定转轮、超声探伤、机器人控制的探头定位、耦合水系统、控制及处理单元、数据分析及联网管理单元、样板轮对。
2.2.2 设备检测原理
机车LU设备组合利用相控阵探伤（PA）技术和常规超声技术，其超声波载体单元部分由相控阵探头、大角度探头、TR直探头按照一定的布局组合，其探伤布局具体如表1，实现了整体轮轮辋轮辐部位周向、径向、斜向缺陷检测的全覆盖，并采用轮子转动，多探头组合不动的扫查方式，确保车轮一周都可以扫查到。
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（1）轮辋区域缺陷检测
系统在踏面载体上布置多个TR直探头和PA相控阵探头，TR直探头可实现辋裂及踏面剥离等周向缺陷的检测，PA相控阵探头可实现对斜向、径向方向的疲劳缺陷的检测，如图6所示，从而满足对轮辋周向、径向、斜向缺陷的检测要求。
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（b）PA相控阵探头缺陷检测
图6：轮辋区域缺陷检测示意图
（2）轮缘区域缺陷检测
系统在踏面载体上布置大角度探头（UT70），从而实现对轮缘顶部至根部径向缺陷进行检测。如图7所示。
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（a）大角度探头对轮缘 （b）大角度探头对
顶部缺陷检测 轮缘根部缺陷检测
图7：轮缘区域缺陷检测示意图
（3）轮辐区域缺陷检测
系统利用踏面载体上布置TR直探头和PA相控阵探头，通过多个通道检测从而实现轮辐周向、径向、斜向缺陷识别。如图8所示。
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（a） TR直探头对轮辐 （b） 相控阵探头对轮辐
向和轴向缺陷检测 周向、径向、斜向缺陷检测
图8：轮辐区域缺陷检测示意图
3.在役机车车轮手工探伤
目前，铁路机车整体轮超声波探伤仍沿用手工探伤，根据国铁集团企业标准《机车在役零部件无损检测 第2部分：轮箍及整体车轮轮辋超声检测》（Q/CR 331.2-2018）相关要求，对车轮踏面探伤结合双晶直探头方式和大角度斜探头方式进行探伤，两种方法对不同位置的缺陷的检测，其灵敏度也不同，采用双晶纵波探头垂直入射法（辋裂检测），主要检查轮辋下的制造缺陷和平行于踏面下的点状或面状缺陷，对垂直于探测面或与探侧面有较大夹角的缺陷难以发现；而用横波斜入射法（径向缺陷检测），主要检查径向缺陷，而对周向缺陷难以发现。两种方法保证了踏面下任何位置的缺陷可靠检出。
手工探伤仅保证了对踏面下任何位置的检测，而对整体碾钢轮轮辐、轮缘缺陷检测无法全面覆盖，并且无论是大角度探伤还是双晶探头探伤，都需要使用探头对整个踏面探测面进行覆盖，由于机车轮对被车体、制动器等掩盖了大部分，当在役检测车轮时，必须要一边牵车一边探伤。为确保实现全面扫查，动车需4-5次才能完全检测完一个车轮，牵车通常是靠其他部门进行完成，探伤时间无法由探伤工进行控制，对于人工成本和效率方面有很大的影响，并且对探伤人员存在安全隐患。
4.案例分析
4.1 HXD1D0011机车缺陷案例
2019年10月18日，使用LUJ移动式轮辋轮辐探伤设备对HXD1D0011机车（C4修）进行探伤验证，发现第3位齿侧车轮（编号为2428 BV61 0913ER9 HXD1D 173）探伤检测图谱中有2处红色疑似缺陷图标显示（如图9所示），并经系统复核，再次确认，并发出报警提示（波幅达到98%）。据车轮检测系统图像分析，该车轮存在轮辋内部缺陷，缺陷距踏面9mm，而定量却无法测出。
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图9：在TT31通道发现约9mm深范围内检测出两处疑似缺陷
采用双晶直探头对疑似缺陷进行了手工复核，进行了定量分析，确定了缺陷当量和具体位置，缺陷波形如图10、11所示。第一处：该缺陷周向长度约15mm,距踏面深度为4.9-8.3mm，缺陷断续分布于踏面上周向长度约为35mm，单个最长为15mm,距外侧面10-15mm。第二处：距离踏面深度约4.4mm-6.1mm处，缺陷当量为Φ2-10dB至Φ2+2dB，为多个点线性缺陷。
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5.结束语
（1）以上检测结果表明LU设备探伤与人工复核缺陷位置一致，并且LU系统的多个通道均可检出轮辋部位的缺陷，通过顶轮系统实现自动探伤，使得相控阵超声波检测系统比传统手工探伤具有更大的缺陷检出率，更高的检测效率，更直观的成像和更快捷的检测速度，有利于推进铁路机车检修的自动化、信息化。
（2）虽然LU设备在检测覆盖范围、效率上明显优于手工探伤，但在定量分析上，LU设备在定量在有一定局限性，手工探伤精确度比LU设备更有优势。
（3）建议增加LU设备探伤工序确保轮对探伤质量，对车轮超声波探伤使用“人机双控”形式，二者相结合，先采用LU设备对车轮探伤进行筛选式探伤，发现缺陷后使用人工双晶直探头复核进行进一步定位定量分析，提高轮铁路机车对探伤的质量与效率，及时发现轮辋缺陷，保证机车走行部的安全。
参考文献：
［1］ 刘宪.机车整体碾钢车轮裂损及探伤方法［J］.机车电传动，2009（1）：66-69.
［2］ 周明涛.动车组LU轮辋轮辐探伤设备应用及改进探讨［J］，铁道机车车辆，2013（1）：101-103.
[3] 生利英.超声波检测技术[M].北京：化学工业出版社，2014.
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作者简介：符正晴：女，1988年10月出生，汉族，中共党员，籍贯：湖北省武汉市，研究生，无损检测方向。