L-S探伤法在车轴探伤中的应用

　　车轴是机车车辆走行部的重要部件,在使用过程中会在各种应力的作用下产生疲劳缺陷,即疲劳裂纹,对行车安全构成极大威胁。为确保行车安全,铁路部门十分重视探伤工作,定期对车轴关键部位进行超声波探伤。车轴卸荷槽部位是疲劳裂纹的多发区域,该部位经常存在较严重的锈蚀,干扰回波很多,极易造成误判和漏探,2000年前后发生的几起断轴事故都产生在该部位。因此研究和改进卸荷槽部位超声波探伤方法,对防止断轴事故、确保行车安全具有十分重要的意义。

　　本文研究了一种新型的车轴卸荷槽部位L-S探伤方法,可作为小角度纵波探伤方法的完善和补充。

　　1　L-S探伤法原理

　　车轴小角度纵波探伤从车轴端部进行,超声纵波的折射角度一般为23°～26°,探伤示意图见图1。

　　L-S探伤法的理论依据是波型转换原理[1-2]。当超声纵波在车轴表面反射时会产生变型横波,变型横波又在车轴对面产生变型纵波返回探头,我们将探头最后接收到的纵波称为L-S波,这种探伤方法称为L-S探伤法,见图2。

　　入射波和变型波满足下式:

　　式中　αl—纵波的入射角或反射角

　　αs—横波的入射角或反射角

　　cl—纵波的声速

　　cs—横波的声速

　　在车轴中cl≈1.82cs,因此αl与αs相差很大,即变型波可以大大改变声波的传播方向。如果将裂纹和车轴表面看作自由表面,则纵波入射时纵波声压反射率[1]为:

　　根据上述公式绘制的曲线如图3所示。可以看出,纵波入射角在60°～70°时,纵波声压反射率Rll达到最小值,只有14%左右,相反变型横波的声压反射率Rls却很高,达到87%左右,此时横波的反射角为29°～31°左右,变型横波与入射纵波接近垂直。当横波入射角在29°～31°左右时,横波的声压反射率Rss很低,只有14%左右,而纵波的声压反射率却达到了170%左右,反射纵波与入射横波也接近垂直。可见,当变型波与入射声波接近垂直时,反射波中的变型波成份会非常强烈,而非变型波反而很弱,能量几乎都转化成了变型波。因此利用超声波在特定条件下变型波强的特点,就可以设计L-S探头,进行L-S法探伤。

　　2　卸荷槽L-S法探伤时回波声压和声程分析

　　车轴(客车)轴颈小角度纵波探头,折射角一般为25°左右,假设裂纹近似与车轴表面垂直,且声波首先入射到裂纹上,则声波在裂纹上的入射角也在25°左右。声波入射到裂纹上以后产生两个不同的反射过程(见图2),第一个过程是:裂纹→A点→探头,这实际上是小角度纵波探伤时声波的传播过程。根据图3中的曲线Rll可以绘出纵波角反射时的声压反射率,见图4,从图中可以看出,小角度纵波折射角等于25°时,我们通常使用的小角度纵波的声压反射率很低,只有10%左右。第二个过程是:裂纹→A点→B点→探头,在这个过程中的声波在A点产生很强的变型横波,在B点产生了很强的变型纵波,根据图3中曲线Rll、Rls、Rsl可以绘出经过3次反射后L-S波的声压反射率,见图5。从图4和图5可以看出,在我们所用的探伤角度范围内,L-S波的声压远远高于L波声压,两者的声压差见图6,可见在不考虑声波衰减的情况下,L-S波声压比L波声压理论上高22 dB。考虑到由于变型波在车轴中传播的距离长引起的衰减,L-S波声压与L波声压差值会比22 dB小。