表面波技术在曲轴探伤中的应用

　　铁路内燃机车曲轴断裂属于较重大的机破事故。在机车检修过程中,只要无损检测未发现其存在缺陷,就不会对曲轴进行报废或更换。目前铁路系统最普遍的240和280柴油机,其断裂的起始部位90%以上都是从油堵孔开始,尤其是240球墨铸铁曲轴,由于油堵孔内存在卡簧槽,其断裂发生的频率更是远远高于280锻造曲轴。通过对多起曲轴断裂后断口的观察和分析,其断口往往呈贝壳状扩展,裂纹源均在油堵孔部位,240球墨铸铁曲轴基本上从卡簧槽的根部开始。如何在曲轴的检修过程中有效地检测出油堵孔及卡簧槽部位的疲劳裂纹,已成为有效控制曲轴检修质量的关键。

　　油堵孔位于曲柄侧面,直径基本在40 mm左右。而卡簧槽则是在油堵孔内侧面靠近端面沿油堵孔圆周方向加工的约3 mm宽的狭槽,槽深约2 mm。探测油堵孔内侧面及卡簧槽根部裂纹,利用磁粉或渗透探伤都具有极大的困难,尤其是卡簧槽根部裂纹利用此二种方法是无法检出的。而利用特制的表面波探头则是检出曲轴上这类裂纹的最有效的方法。

　　1　表面波探头

　　用于油堵孔和卡簧槽超声波探伤用表面波探头选用的频率为5 MHz,晶片尺寸为6 mm×8 mm。为了有利于探头与被探测面的耦合,油堵孔探伤用探头应加工成与其曲率相吻合的形状,见图1。

　　由于卡簧槽为宽约3 mm、深约2 mm的狭槽,无法将探头加工到如此小的尺寸,因此根据工件实际形状考虑特制探头。通过分析可知,表面波的传播路线比较单一,它一旦在合适的折射角度下形成,则其在探头楔块内的能量损耗基本不受楔块形状影响。于是在沿与晶片垂直的方向凸出1个宽约3mm、高度略大于卡簧槽深的凸台,使表面波能通过凸台有效地传递到卡簧槽根部,并能沿槽根部圆弧面爬行,见图2。

　　2　试块

　　为了有效地检出曲轴油堵孔和卡簧槽的疲劳裂纹,必须制作对比试块。对比试块的形状和尺寸完全与曲轴实物相同。卡簧槽对比试块上人工缺陷的加工比较困难,为避免与油堵孔裂纹反射相混淆,采用了线切割的方式从试块外侧向内切割,见图3。

　　3　灵敏度调节及探伤操作

　　3.1　油堵孔探伤

　　将油堵孔探伤用表面波探头置于图4中的位置A,使人工裂纹位于探头后侧,表面波沿油堵孔内表面圆周爬行大半圈后,将碰到人工裂纹并反射,反射波被探头接受到后会在示波器上显示。将此反射波定位于示波器水平第8格,并将波高调至80%,再增益2~4 dB,此时,油堵孔探伤的扫描比例和探伤灵敏度便调节妥当,可进行曲轴油堵孔探伤。探伤过程很简单,将探头置于曲轴油堵孔任意相对的两个位置,如图4中的位置A和B,沿油堵孔内表面轴向移动探头,在规则的圆周范围内,仪器上的任何显示都可能是缺陷波。